甘肅省降雨侵蝕力時(shí)空變化特征研究

陳 平，李曉妤

（永昌縣國土資源規(guī)劃勘測室，甘肅 金昌 737200）

1 概述

土壤侵蝕已經(jīng)成為中國最重要的環(huán)境問題之一，隨著國家對生態(tài)和資源領(lǐng)域的重視，土壤侵蝕防范治理已成為當(dāng)下較為迫切的問題[1]。土壤侵蝕按照作用力可分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕和重力侵蝕，其中水力侵蝕在中國占據(jù)的比例是侵蝕類型中最高的，而降雨是發(fā)生水力侵蝕的主要因素[2]，降雨侵蝕力大小直接反映了土壤的侵蝕程度。

美國農(nóng)業(yè)學(xué)者首次提出了以次降雨總動(dòng)能E與30min最大雨強(qiáng)I30的乘積EI30，作為降雨侵蝕能力指標(biāo)[1]。王萬忠等[2]通過科學(xué)方法驗(yàn)證了威斯奇邁爾提出的計(jì)算降雨侵蝕力方法在中國仍然可以使用。但是鑒于計(jì)算降雨侵蝕力的大小需要詳細(xì)地記錄下連續(xù)降雨的過程情況，而我國傳統(tǒng)的氣象觀測現(xiàn)在條件簡陋，不夠全面。文波等[3-4]將全國71個(gè)具有代表性的氣象站降雨數(shù)據(jù)資料，對基于月降雨量的降雨侵蝕力計(jì)算方法模型進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明了多年平均降雨侵蝕力及其變化的趨勢，因此被廣泛的使用[5]。當(dāng)前水土流失嚴(yán)重依舊是我國生態(tài)環(huán)境治理中比較突出的問題，在治理過程中氣候因素和降雨是造成土壤侵蝕的主要原因之一。

本文利用2008-2013年和2014-2019年的降雨數(shù)據(jù)，通過對甘肅省近年來降雨侵蝕力時(shí)空變化趨勢的計(jì)算和分析，采用月降雨量和年降雨量相結(jié)合的研究方法，總結(jié)了在國內(nèi)外的目前研究的現(xiàn)狀，并對降雨侵蝕力的分析研究進(jìn)行了討論。因此，分析研究甘肅省降雨侵蝕力的時(shí)間和空間變化規(guī)律和趨勢，對土壤侵蝕程度的評估以及揭示降雨的時(shí)空變化特征對甘肅省土壤侵蝕研究意義重大，有利于加強(qiáng)對甘肅省土壤侵蝕影響因素和時(shí)空分布特征的認(rèn)識(shí)，還可以為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)有效制定水土保持措施和農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃提供借鑒與參考[6]。

2 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域

甘肅省位于黃河上游，東臨陜西，西通新疆，南達(dá)四川、青海，北靠寧夏、蒙古。全省面積45.37萬km2，占中國面積的4.72%[7]。大陸性特點(diǎn)顯著，冬冷夏熱，年溫差較大，降水相對集中，四季分明，年降雨量較少，大部分地區(qū)干旱少雨，降雨主要集中在夏末秋初[7]。自然環(huán)境復(fù)雜多樣，導(dǎo)致甘肅省土壤侵蝕類型在空間分布上錯(cuò)綜復(fù)雜。隴東地區(qū)平坦遼闊的塬面上為微度侵蝕，但一到塬邊則突變?yōu)閺?qiáng)度或極度水力侵蝕，隴中地區(qū)由于特殊的地形使土壤侵蝕細(xì)碎而復(fù)雜；在白銀市附近地區(qū)，存在多種侵蝕，其中水力和風(fēng)力侵蝕互相交錯(cuò)在一起；河西走廊地區(qū)地勢平坦，水力侵蝕能力十分有限，主要還是以風(fēng)力侵蝕為主，其中而隴南、天水地區(qū)降雨造成的水力侵蝕最為嚴(yán)重。

根據(jù)近年來甘肅省水利廳關(guān)于土壤侵蝕的遙感調(diào)查結(jié)果，全省土壤侵蝕面積為30.82萬km2，占全省土地總面積的76.17%，主要類型同樣以水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕二種為主[8]，其中水力侵蝕總面積達(dá)到15.20萬km2，占總侵蝕面積的50%左右[9]。甘肅省是一個(gè)生態(tài)環(huán)境相對惡劣的省份，由于干旱少雨，降水變率大，降水集中，地形等因素，導(dǎo)致甘肅省大部分面積為侵蝕面積（侵蝕面積達(dá)76.17%）。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，該平臺(tái)公開的氣候資料數(shù)據(jù)詳細(xì)收錄了甘肅省自1951年以來的常規(guī)氣象觀測站及自動(dòng)站的降雨數(shù)據(jù)集，其原始數(shù)據(jù)文件經(jīng)過較嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查，并對近十年部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了極值檢驗(yàn)和時(shí)間一致性檢驗(yàn)，并對己查出的錯(cuò)誤記錄進(jìn)行改正，本文選取地面氣候資料月值數(shù)據(jù)和年值數(shù)據(jù)相對集中的甘肅地區(qū)28個(gè)氣象站點(diǎn)月降雨量數(shù)據(jù)和年降雨量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源。

2.3 研究方法

本文研究利用了第一次全國水利普查水土保持專項(xiàng)普查使用的降雨侵蝕力的計(jì)算方法，該方法由章文波等[6，10，11]估算模型改進(jìn)而來，其公式如下:

從每年的1月份至12月份，每1個(gè)月為1個(gè)計(jì)算時(shí)間段，一年共有12個(gè)時(shí)間段，每個(gè)月采用英文單詞命名，本文計(jì)算了月降雨侵蝕力以及每五年內(nèi)平均降雨侵蝕力。逐月計(jì)算各氣象臺(tái)站的每月降雨侵蝕力和年平均降雨侵蝕力[13]，將結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[13]。采用普通克里金方法[9-11]對平均降雨侵蝕力進(jìn)行空間插值分析運(yùn)算，插值柵格大小取30m×30m[14]。從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對甘肅省降雨侵蝕力演變特征進(jìn)行分析討論。以時(shí)間t為自變量，繪制折線圖就能得出各地區(qū)每月侵蝕力的變化趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘肅省月降雨量及降雨侵蝕力的時(shí)間變化和空間分布特征

3.1.1 月降雨量及降雨侵蝕力的時(shí)間變化

甘肅省2008-2013年和2014-2019年各氣象站點(diǎn)的月平均降雨侵蝕力變化較為相似，時(shí)間上分布特征上也基本相似。圖1為2008-2013年和2014-2019年兩期月平均降雨及侵蝕力最小值和峰值的變化趨勢折線圖。從圖1可以看出2008-2013年最大降雨侵蝕力為180MJ·mm/（hm2·h·a），2014-2019年最大降雨侵蝕力為 230MJ·mm/（hm2·h·a），降雨侵蝕力呈現(xiàn)單峰型分布，7月是峰值拐點(diǎn)，超過7月后降雨侵蝕力逐漸下降。全年內(nèi)1～4月和11～12月兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)降雨侵蝕力較低。隨著時(shí)間的變化，降雨侵蝕力在4～5月份開始上升趨勢較為明顯，9、10月份下降趨勢增加，表明了平均降雨侵蝕力在空間序列上相差較大，7月和8月之間差異最為顯著。

圖1 兩期月平均降雨侵蝕力變化趨勢折線圖

3.1.2 月降雨量及降雨侵蝕力空間分布

圖2和圖3所示為甘肅省月平均降雨量空間分布圖?？芍?，冬季（圖a）和春天（圖b）兩個(gè)季節(jié)降雨量比較稀少，主要原因是近年來無侵蝕性降雨發(fā)生，因此冬春季降雨侵蝕力較小，而夏季（圖c）和秋季（圖d）兩季降雨侵蝕作用力比較大。隴南和天水兩個(gè)地區(qū)降雨侵蝕力在7月左右達(dá)到最高值，其余地區(qū)在8月左右達(dá)到最高值；酒泉地區(qū)6～9月份降雨侵蝕力最小。2014-2019年年西北部降雨量和侵蝕性降雨量最小的地區(qū)為酒泉，進(jìn)一步說明了南部隴南地區(qū)與其余各地區(qū)降雨侵蝕力誘因的差異，即隴南地區(qū)侵蝕性降雨比較頻繁，其余各地區(qū)侵蝕性降雨較為集中。

2008-2013年較2014-2019年的月平均降雨量有所增加，但總體的變化趨勢大體一致，具體變現(xiàn)為東南多，西北少，時(shí)間上分布集中在6、7、8、9月份，中部黃土高原地區(qū)降雨量基本持續(xù)在一個(gè)穩(wěn)定的水平，河西走廊降雨量呈下降趨勢，蘭州、白銀及周圍地區(qū)降雨量有明顯較低。

圖2 2008-2013年月平均降雨量空間分布圖

圖3 2014-2019年月平均降雨量空間分布圖

3.2 甘肅省年降雨量及降雨侵蝕力分布特征

3.2.1 年平均降雨量分布特征

如圖4所示，2008-2013年甘肅省各氣象觀測站年均降雨量從東南部隴南地區(qū)的826.93mm逐漸下降至西北部酒泉地區(qū)的28.34mm；2014-2019年從829.94mm下降至24.91mm。隴南、天水、甘南等地區(qū)年降水量比較豐富，而隴東地區(qū)有所減少，河西走廊地區(qū)年降雨量維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平當(dāng)中，表現(xiàn)為干旱少雨。年平均侵蝕性降雨量從隴南地區(qū)一直遞減至張掖地區(qū)，表明了區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)侵蝕性降雨量占全年降雨總量的比例有所不同，其中東南部的隴南地區(qū)、慶陽地區(qū)、定西地區(qū)等侵蝕性降雨量所占比例明顯高于西北各地區(qū)；說明東南地區(qū)降水量大于西北地區(qū)，強(qiáng)降雨頻率較高，武威、金昌、張掖等28個(gè)站點(diǎn)年平均降水量較小，而南部和天水地區(qū)偏多，總體性能較低，西北地區(qū)南部空間分布呈上升趨勢，其中南部地區(qū)年降雨量最大，達(dá)221.22mm。

圖4 2008-2013年和2014-2019年年平均降雨量空間分布圖

3.2.2 年平均降雨侵蝕力分布特征

由圖5可知甘肅省各站點(diǎn)近年來年均降雨侵蝕力的變幅為3334.27MJ·mm/（hm2·h）～22.70MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蝕力空間分布特征總體表現(xiàn)為東南偏高西北偏低。150MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與200mm年均降水量等值線接近；2000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與400mm年均降水量等值線接近；3000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與 800mm 年均降水量等值線接近，說明甘肅省東南地區(qū)年均降雨侵蝕力一般高于 2000MJ·mm/（hm2·h·a），中部地區(qū)年均降雨侵蝕力一般介于 150～2000MJ·mm/（hm2·h·a）之間，西北部地區(qū)年均降雨侵蝕力一般小于150MJ·mm/（hm2·h·a）。

3.3 甘肅省降雨侵蝕力的年際變化

為了分析甘肅省2008-2013年和2014-2019年降雨侵蝕力的年際變化分布特征（如圖5所示），在甘肅省對一些具有代表性的氣象站進(jìn)行了定量分析，在這些氣象站中隴南、天水和甘南等周圍各氣象站年降雨侵蝕力呈上升趨勢；酒泉、敦煌和嘉峪關(guān)呈下降趨勢；蘭州、臨夏近年來降雨侵蝕力變化趨勢很不明顯。從這些代表性氣象站的分布位置和變化趨勢來看，甘肅省的大部分地區(qū)年降雨侵蝕力呈增加趨勢，張掖周圍地區(qū)年降雨侵蝕力在近年來無太大的變化，只有少數(shù)地區(qū)年降雨侵蝕力存在下降的趨勢。

4 結(jié)論

1）甘肅省年均降雨侵蝕力基本在380.20MJ·mm/（hm2·h）～3334.27MJ·mm/（hm2·h）之間，降雨量分布具有顯著的地域性和時(shí)間性，中西北地區(qū)降雨量較小，南部地區(qū)降雨量豐富，從高緯度到低緯度、從高海拔到低海拔遞增。經(jīng)過兩期降水?dāng)?shù)據(jù)資料的對比，呈現(xiàn)出明顯的南多北少的現(xiàn)象，其空間變化的總體趨勢大致從東南向西北遞減。其中蘭州地區(qū)、武威地區(qū)、金昌地區(qū)侵蝕性降雨集中，隴南地區(qū)和天水地區(qū)較高，其他地區(qū)較低。

2）甘肅省降雨侵蝕力年內(nèi)分布高度集中，雨季主要集中在下半年，時(shí)間分布為夏季多冬季少，下半年的降雨侵蝕力占全年的80.4%，集中在6～9月份，呈顯著的單峰型分布，近10年來冬季幾乎沒有侵蝕性降雨發(fā)生。從空間分布上看，隴南地區(qū)和天水地區(qū)年內(nèi)最大降雨侵蝕力出現(xiàn)在7月份，其余各地區(qū)均出現(xiàn)在8月份。