滇中“三湖”流域降雨侵蝕力時空分布特征研究

楊文春，谷桂華，朱偉兵，火壽華

(云南省水文水資源局玉溪分局,云南 玉溪 653100)

降雨侵蝕力是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是一項客觀評價由降雨引起土壤分離和搬運的動力指標，一般是強度較大的暴雨，其強度超過土壤入滲強度而產生地表(超滲)徑流，造成對地表的沖刷侵蝕。降雨侵蝕是造成流域內水土流失的重要形式之一，水土流失會造成河道與湖庫淤積、土地生產力下降、水質被污染和生態(tài)平衡被影響等，研究降雨侵蝕力特征對區(qū)域水土保持和防治工作具有重要現實意義。降雨量是造成水土流失的重要氣象因子之一，降雨侵蝕力已經成為土壤侵蝕、產沙和水環(huán)境建模的主要參數之一[1]。降雨侵蝕力的計算主要利用降雨數據資料進行，目前基于不同時間尺度降雨侵蝕力計算模型均得到普遍運用[2-3]。章文波等[4]建立了利用日雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法模型，并被廣泛用于不同流域降雨侵蝕力的研究。賴成光等[5]將其應用于珠江流域降雨侵蝕力時空變化特征研究；戴金梅等[6]利用日雨量模型計算降雨侵蝕力，對閩西地區(qū)降雨侵蝕力的時空變化進行分析；鄭哲等[7]利用該模型對怒江流域降雨侵蝕力的時空變化特征進行了研究；趙平偉等[8]將該模型應用于云南不同量級降雨下的降雨侵蝕力特征研究等。各類降雨侵蝕力研究結果均可為流域水土保持、生態(tài)修復等工作提供科學參考。

玉溪市“三湖”流域水土流失現象較為嚴重。撫仙湖流域土壤流失入湖泥沙系數平均為0.385[9]，王林等[10]研究認為長期年復輸入加重了湖泊的淤積及入湖污染負荷量；張秀敏等[11]研究得出星云湖流域年平均土壤侵蝕量高于玉溪市水平；王萬賓等[12]研究認為水土流失攜帶各種形態(tài)的營養(yǎng)元素入湖，加重了湖泊的淤積及入湖污染負荷量，2020年杞麓湖流域入湖河流水環(huán)境承載能力已嚴重超載。因此，研究玉溪“三湖”流域土壤侵蝕特征，對湖泊保護具有重要意義。

本文基于撫仙湖、星云湖、杞麓湖流域(以下簡稱“三湖”流域)內梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴4個雨量站1992—2020年逐日降雨觀測數據，利用日雨量侵蝕力模型計算降雨侵蝕力，深入分析三湖流域降雨量和降雨侵蝕力時空分布特征。目前，對于高原湖泊流域降雨侵蝕力變化規(guī)律的研究成果尚少，本次研究成果可為高原湖泊流域水土流失治理和生態(tài)環(huán)境保護提供新的科學參考。

1 研究區(qū)概況

“三湖”位于云南省玉溪市境內，南盤江流域西江水系，屬低緯度、高海拔地帶亞熱帶高原季風氣候。撫仙湖屬斷陷型深水湖泊，流域面積674.69 km2，跨澄江市、江川區(qū)和華寧縣，地處長江流域和珠江流域分水嶺地帶，位于滇中湖群五大湖泊(撫仙湖、星云湖、杞麓湖、陽宗海和滇池)的中心部位，南部有2.5 km長的隔河與星云湖相通；星云湖屬高原陷落型淺水湖泊，流域面積378 km2，位于江川區(qū)境內；杞麓湖屬典型的新月形斷陷盆地，流域面積354 km2，位于通?？h境內?！叭绷饔蛳鄬ξ恢靡妶D1。

圖1 “ 三湖”流域和代表站點相對位置示意

2 研究數據和方法

2.1 數據

選取的“三湖”流域梁王河、?？凇⒉锠柹?、沙溝嘴4個雨量代表站為水文部門的國家基本雨量站，各站1992—2020年逐日降雨觀測數據資料來源于流域水文年鑒和云南省水文資料整編成果。其中梁王河和海口站位于撫仙湖流域，茶爾山站位于星云湖流域，沙溝嘴站位于杞麓湖流域。各代表雨量站基本情況及其在“三湖”流域中的相對位置分別見表1、圖1。

表1 “三湖”流域降水侵蝕力研究代表站基本情況

2.2 方法

2.2.1日降雨侵蝕力計算模型

采用章文波等[13]日雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法模型計算降雨侵蝕力，計算表達式如下：

(1)

式中RJ——第J個半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；Pk——半月時段內第k天的侵蝕性雨量(日降雨量大于等于12 mm)，mm；n——半月內日降雨量大于等于12 mm的降雨天數，d。

α和β為模型計算參數，計算公式分別為：

α=21.586β-7.1891

(2)

(3)

式中Pd12——侵蝕性降雨日雨量平均值；Py12——年侵蝕性降雨量的平均值。

2.2.2趨勢變化與突變分析方法

采用Mann-Kendall(M-K)秩次相關檢驗[14]對降雨侵蝕力的年際變化趨勢進行分析。該方法是用來評估氣候要素時間序列趨勢的檢驗方法，以適用范圍廣、定量化程度高而著稱[15]，能有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是存在確定的變化趨勢，特別是對于非正態(tài)分布的水文數據，Mann-Kendall秩次相關檢驗具有較好的適用性，無需對數據系列進行特定的分布檢驗，對于極端值也可參與趨勢檢驗；在時間序列分析中，無需指定是否是線性趨勢，可以定量地計算出時間序列的變化趨勢，是水文氣象序列研究中經常采用的方法[16-17]。

對時間序列x1，x2，…，xn(n為樣本數)，所有對偶觀測值(xi，xj，j>i)中xi

(4)

式中τ——Kendall秩統(tǒng)計量；U——Kendall秩次相關系數；P——系列中所有對偶觀測值(xi,xj,i

累積距平法是一種常用于判別水文氣象要素變化趨勢的方法，它可以直觀準確地確定要素年際變化的階段性特征[18]。對于時間序列xi累積距平的計算方法表示為:

(5)

2.2.3Kriging空間插值法

克里金法(Kriging)是一項實用的空間估計技術，是地質統(tǒng)計學的重要組成部分，也是地質統(tǒng)計學的核心[19]，其計算原理是用空間上所有已知點的數據加權求和來估計未知點的值[20]。本文基于ArcGIS 平臺的Kriging空間插值方法，進行降雨量和降雨侵蝕力的空間分布特征分析。

3 結果與分析

根據式(1)—(3)計算半月侵蝕力累計得到月降雨侵蝕力和年降雨侵蝕力。代表站降雨侵蝕力算術平均值為“三湖”流域平均降雨侵蝕力。

3.1 時間變化特征

3.1.1年際變化

a)多年變化特征。“三湖”流域多年平均降雨量907.6 mm，多年平均降雨侵蝕力3 475 MJ·mm/(hm2·h)。梁王河、?？凇⒉锠柹?、沙溝嘴站多年平均降雨量分別為：993.3、888.8、888.7、859.5 mm，多年平均降雨侵蝕力分別為4 172、3 448、3 191、3 088 MJ·mm/(hm2·h)；1992—2020年，“三湖”流域內最大年降雨侵蝕力發(fā)生在1994年的梁王河站，為7 815 MJ·mm/(hm2·h)，最小年降雨侵蝕力發(fā)生在2011年的沙溝嘴站，為1 618 MJ·mm/(hm2·h)；流域平均年降雨侵蝕力變異系數為0.23，其中梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站依次為0.32、0.30、0.27、0.25，可見流域內梁王河站年降雨侵蝕變化較為離散，沙溝嘴站較為均衡。

1992—2020年期間，各站發(fā)生侵蝕性降雨日數686～759 d，梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站日最大降雨侵蝕力依次為2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般發(fā)生在7、9月。各代表站中，梁王河站侵蝕性降雨發(fā)生日數最多，日降雨侵蝕力較大；?？谡竞蜕硿献煺救战涤曜畲笄治g力發(fā)生時間一致，見表2。

表2 1992—2020年各站及流域降雨侵蝕力統(tǒng)計

b)降雨量與降雨侵蝕力關系。建立流域內各代表站年降雨量與年降雨侵蝕力相關關系，可知流域內年降雨量與年降雨侵蝕力關系呈指數分布，相關系數在0.79～0.89，其中梁王河站和?？谡镜南嚓P系數為0.88和0.89，相關性較好，見圖2。

a)梁王河站

b)?？谡?/p>

c)茶爾山站

d)沙溝嘴站

c)變化趨勢。1992—2020年，“三湖”流域年降雨侵蝕力總體呈波動變化，基本隨年降雨量的增大而增大，兩者變化高低值基本對應。最大年降雨侵蝕力年份與最大年降雨年份一致(1994年)，年降雨侵蝕力在3 000 MJ·mm/(hm2·h)以下對應的年降雨量基本在660～880 mm，見圖3。

圖3 “三湖”流域年降雨量和年降雨侵蝕力變化過程

表3 1992—2020年“三湖”流域降雨侵蝕力變化趨勢與突變

1992年以來，“三湖”流域年降雨侵蝕力總體變化為不顯著增加趨勢，序列無顯著跳躍。其中梁王河站和沙溝嘴站變化為不顯著增加趨勢，序列在2013年前后發(fā)生突變；?？谡咀兓癁椴伙@著增加趨勢，序列無顯著跳躍；茶爾山站變化為不顯著減少趨勢，序列無顯著跳躍。

3.1.2降雨侵蝕力年內變化

根據“三湖”流域氣候及降雨特征，春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至次年2月；汛期為5—10月，主汛期為6—9月，非汛期為11月至次年4月。各站降雨侵蝕力年內變化差異較大。多年平均年內最大降雨侵蝕力除了?？谡境霈F在6月外，其余站均出現在7月，年內最小值各站均出現在2月，見圖4。

圖4 各站多年平均年內降雨侵蝕力變化

從圖5看出，“三湖”流域降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性變化特點，各季節(jié)降雨侵蝕力主要集中在夏季，占全年的61.4%；其次是秋季，占全年的23.4%；第三是春季，占全年的11.2%；最少是冬季，僅占全年的4.0%。年內四季降雨侵蝕力變化表現為夏季>秋季>春季>冬季。

圖 5 “三湖”流域多年平均季節(jié)降雨侵蝕力組成

從圖6可以看出，相比季節(jié)變化，“三湖”流域降雨侵蝕力在汛期和非汛期存在更加明顯的變化差異。多年平均降雨侵蝕力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%，非汛期占全年不到10%。年內枯汛期降雨侵蝕力變化表現為汛期>主汛期>(枯季)非汛期。

圖6 “三湖”流域枯季和汛期降雨侵蝕力變化

3.2 空間分布特征

建立流域內各代表站年內不同時段降雨侵蝕力分布圖，根據各站點在流域內的位置(梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站點方位依次為北、東中、中西、南)，可直觀地看出，年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蝕力基本呈從北向南逐漸遞減的趨勢；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蝕力基本呈東北向西南遞減的趨勢，見圖7。

圖7 各站年內不同時段降雨侵蝕力分布

3.2.1年降雨與年降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域多年平均降雨量在空間上基本呈北多南少的分布趨勢，撫仙湖流域北部為降雨高值區(qū)，年降雨量超過980 mm；杞麓湖流域為降雨量低值區(qū)，年降雨量低于860 mm；星云湖流域在“三湖”中位，年降雨量在860～900 mm。多年平均降雨侵蝕力空間分布趨勢基本與年降雨量分布趨勢一致，為北大南小，撫仙湖流域北部為降雨侵蝕力高值區(qū)，年降雨侵蝕力超過4 000 MJ·mm/(hm2·h)；南部的杞麓湖流域為降雨侵蝕力低值區(qū)，年降雨侵蝕力為3 000 MJ·mm/(hm2·h)左右；“三湖”流域中部的星云湖流域年降雨侵蝕力在3 000～3 200 MJ·mm/(hm2·h)，見圖8。

a)多年平均降雨量

b)多年平均降雨侵蝕力

3.2.2汛期和非汛期降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域汛期和非汛期降雨侵蝕力在空間分布上有較大差異。汛期降雨侵蝕力在2 600～4 000 MJ·mm/(hm2·h)，分布趨勢為北大南小；非汛期降雨侵蝕力在300～360 MJ·mm/(hm2·h)，流域東部海口站附近為高值區(qū)，中部茶爾山站附近為低值區(qū)，其他大部分區(qū)域在320～330 MJ·mm/(hm2·h)，見圖9。

a)汛期

b)非汛期

3.2.3季節(jié)降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域不同季節(jié)降雨侵蝕力在空間分布上也有較大差異。春季在340～440 MJ·mm/(hm2·h)，北部撫仙湖流域為高值區(qū)，中部星云湖流域和南部杞麓湖流域為低值區(qū)；夏季在1 800～2 800 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域北部為高值區(qū)，南部杞麓湖流域為低值區(qū)；秋季在700～950 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域東北部為高值區(qū)，南部杞麓湖流域為低值區(qū)；冬季僅在120～150 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域東部和杞麓湖流域中部為高值區(qū)，中部星云湖流域為低值區(qū)，見圖10。

a)春季

b)夏季

c)秋季

d)冬季

4 結論與討論

a)“三湖”流域多年平均降雨量907.6 mm，多年平均降雨侵蝕力3 475 MJ·mm/(hm2·h)，年降雨侵蝕力變異系數各站在0.25～0.32，北部梁王河站年降雨侵蝕變化較為離散，南部沙溝嘴站較為均衡。

b)各站發(fā)生侵蝕性降雨日數686～759 d，梁王河、?？凇⒉锠柹?、沙溝嘴站最大日降雨侵蝕力依次為2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般發(fā)生在7、9月。撫仙湖流域的梁王河站侵蝕性降雨發(fā)生日數最多，日降雨侵蝕力最大。各站年降雨量與年降雨侵蝕力關系呈指數分布，相關系數在0.79～0.89，流域年降雨侵蝕力總體呈波動變化，系列總體為不顯著增加趨勢，無突變。

c)降雨侵蝕力年內變化差異較大。降雨侵蝕力夏季最為集中，占全年的61.4%；冬季最小，僅占全年的4.0%，四季降雨侵蝕力變化表現為夏季>秋季>春季>冬季。降雨侵蝕力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%。

d)流域多年平均降雨侵蝕力空間分布趨勢基本與年降雨量分布趨勢一致，為北大南小，在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域北部為高值區(qū)，南部的杞麓湖流域為低值區(qū)。年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蝕力基本呈從北向南逐漸遞減的趨勢；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蝕力基本呈從東北向西南遞減的趨勢。

珠江流域多年平均降雨侵蝕力值分布范圍為1 858.0～14 656.6 MJ·mm/(hm2·h)[5]，本文分析結果“三湖”流域多年平均降雨侵蝕力在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，在珠江流域屬于低值區(qū)，主要是因為滇中“三湖”流域屬于珠江源頭年降雨量低值區(qū)。降雨侵蝕力僅為反映降雨對土壤侵蝕的潛在能力，其大小并不能直接表征流域水土流失潛力的大小，需結合下墊面和人類活動情況具體而定。“三湖”流域大部分地區(qū)屬于巖溶地貌，存在一定程度石漠化問題，地面土層薄且容易遭強降雨沖刷，再加上人類活動影響，容易引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題。建議參考降雨侵蝕力時空分布規(guī)律，并結合流域下墊面及人類活動實際情況，有針對性地做好“三湖”流域水土保持措施，為保護治理“三湖”做好基礎性工作。