涇河流域降雨侵蝕力的時空變化

何奐

（新興縣氣象局，廣東 新興 527400）

土壤侵蝕會導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題，如泥石流、洪水、干旱等，還會導(dǎo)致大量的耕地資源被破壞［1］。降雨是侵蝕的直接氣象驅(qū)動力，同時也是水文循環(huán)必不可少的環(huán)節(jié)，因此會進(jìn)一步加劇土壤侵蝕。研究降雨侵蝕力的變化規(guī)律，可以為土壤侵蝕風(fēng)險評估、水土流失防控等提供重要參考依據(jù)［2］。

降雨侵蝕力（R）表示降雨對土壤侵蝕的嚴(yán)重程度，準(zhǔn)確評價和計算R值可以預(yù)報土壤流失［1］。20世紀(jì)60年代，由Wischmeier［3］初次提出把EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)，得到了廣泛應(yīng)用。但該指標(biāo)所需數(shù)據(jù)獲取難度較大、計算方法復(fù)雜且耗時，在實際應(yīng)用時受到一定限制［4-5］。有學(xué)者選取EI10、EI60、EI75作為指標(biāo)，但計算此類指標(biāo)需長時間序列（至少20年）場次降雨數(shù)據(jù)。楊軒［6］、章文波等［7］在EI30的基礎(chǔ)上，利用日雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行了修訂，修訂的日雨量侵蝕力模型因數(shù)據(jù)獲取容易且計算精度高，適用于中國大部分地區(qū)，得到了廣泛的應(yīng)用。

涇河流域面積4.5萬km2，涇河是渭河的最大支流。流域的土壤損失非常嚴(yán)重，是生態(tài)環(huán)境最脆弱的流域之一。本研究利用涇河流域1957—2017年5個代表性雨量站的歷史日降雨資料，使用章文波等［7］模型來計算降雨侵蝕力，通過均值、變異系數(shù)等指標(biāo)分析降雨侵蝕力的時空分布規(guī)律，為涇河流域水土流失防治和農(nóng)業(yè)開發(fā)提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取1957—2017年涇河流域5個氣象站點（長武（53929）、環(huán)縣（53821）、崆峒（53915）、西峰（53923）、固原（53817））逐日降水資料，數(shù)據(jù)來源于國家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心。所用涇河流域基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載的30 m×30 m數(shù)字高程模型（圖略）。

1.2 研究方法

研究氣候變化背景下R的變化規(guī)律，參考中國第1次全國水利普查水土保持專項普查的方法［8］，把12.0 mm作為侵蝕性降雨量標(biāo)準(zhǔn)。運用章文波等［7］模型計算R：

其中，Rj為半月降雨侵蝕力（MJ·mm／（hm2·h））；Pj為日雨量（mm）（P0≥12 mm）；Pd12為日雨量≥12 mm 的日均雨量（mm）；Py12為日雨量≥12 mm的年均雨量（mm）；k為半月時段內(nèi)的日數(shù)（d）；α和β是模型參數(shù)。該方程的效果與區(qū)域降雨量有關(guān)；降雨量豐富的地區(qū)，模型誤差較?。唤涤炅可俚牡胤?，模型誤差大。運用該模型計算可得到24個半月降雨侵蝕力，累加可得月、季、年降雨侵蝕力。

R的突變檢驗使用M-K檢驗法［9-10］；周期性分析使用小波分析法［11-12］。未來變化趨勢分析則使用R／S分析法。R／S分析法可以通過計算序列的Hurst值來預(yù)測未來變化趨勢。若Hurst＞0.5，則具有與上一個階段相同的趨勢；若Hurst在0.0～0.5之間，則具有逆持續(xù)性，與上一個階段的變化趨勢相反［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 月季變化

從逐月R分布（圖略）可以看出，R呈雙峰分布，7、8月的降雨侵蝕力為年內(nèi)最大值，大于300 MJ·mm／（hm2·h），占全年總量的58.43%。從空間分布來看，月均R最大值出現(xiàn)在7月的西峰，為501.415 MJ·mm／（hm2·h），而5個站點在12、1、2月的R值基本為0或接近0；3—11月R的平均值為158.192 MJ·mm／（hm2·h）。

本研究中季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)：3、4、5月份為春季；6、7、8月份為夏季；9、10、11月份為秋季；12月、次年1、2月份為冬季。考慮到12、1、2月份的降雨侵蝕力和侵蝕性降雨量基本為0，因此不計算冬季降雨侵蝕力和侵蝕性降雨量。

R的季節(jié)分布如圖1所示，從圖1可以看出，春季降雨侵蝕力突變情況較為明顯，幅度跨越較大且次數(shù)較多。春季平均R為151.983 MJ·mm／（hm2·h），占全年的10.67%，占比較小。春季降雨侵蝕力最大的是長武，其后依次為西峰、崆峒、環(huán)縣、固原。夏季5個站點的R值總體在500～2 000 MJ·mm／（hm2·h）之間，均值為983.87 MJ·mm／（hm2·h），突變不顯著。夏季均值占全年的68.86%。固原和環(huán)縣的年降雨侵蝕力總體上小于西峰、長武和崆峒。夏季R最大值站點是長武，然后依次為西峰、崆峒、固原、環(huán)縣。秋季R值占全年的20.46%。與春夏兩季一樣，長武、崆峒、西峰的變化情況類似，而固原和環(huán)縣相似。

圖1 涇河流域站點春季（a）、夏季（b）、秋季（c）降雨侵蝕力堆積圖

通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，1957—2017年涇河流域夏季降雨侵蝕力呈上升狀態(tài)，春季和秋季R呈下降狀態(tài)。涇河流域春、夏、秋季降雨侵蝕力的變異系數(shù)分別為0.851、0.419、0.646，春季降雨侵蝕力變化最為明顯。

2.2 年際變化

各站點年R見圖2a，從圖2a可以看出，R值集中在500～2 500 MJ·mm／（hm2·h），固原和環(huán)縣的R總體小于西峰、長武和崆峒。

各站點侵蝕性降雨量總體上年際變化與降雨侵蝕力相類似（圖2b），其中長武站點的侵蝕性降雨量最大，其后依次是西峰、崆峒、固原、環(huán)縣，變化規(guī)律與季節(jié)R、年R相同。線性回歸分析可知，1957—2017年涇河年R和年侵蝕性降雨量呈波動上升趨勢，且通過顯著性檢驗。該研究結(jié)果與珠江流域［13］、長江流域［14］等相關(guān)研究結(jié)果一致。用R／S分析法，計算得到?jīng)芎恿饔蚰闞的hurst指數(shù)為0.556，表明涇河流域在未來的一段時間內(nèi)，年R和年侵蝕性降雨量將維持此種上升趨勢，這與艾明樂等［15］的研究結(jié)論一致。

圖2 涇河流域各站點年降雨侵蝕力（a）和侵蝕性年降雨量（b）分布

2.3 突變

M-K突變檢驗是分析兩條統(tǒng)計序列，即UFk和UBk。UFk＞0，則時間序列呈上升趨勢；反之下降；超過臨界值，則變化狀態(tài)明顯。對涇河流域1957—2017年的R進(jìn)行M-K分析（圖略），可以看到，UFk和UBk未達(dá)到臨界線，故變化趨勢不明顯。但兩條曲線交點很多，一定程度上表明1957—2017年涇河流域年均R突變比較嚴(yán)重。R值在1957—1968和2012—2017年呈上升趨勢，在1969—2011年呈下降趨勢。

2.4 周期

對涇河流域年降雨侵蝕力作小波分析（圖略），可以看出，1957—2017年涇河流域R值有2個峰值尺度，分別是準(zhǔn)3年、準(zhǔn)17年，并以準(zhǔn)17年的周期幅度最大，為R序列的第1主周期，準(zhǔn)3年次之。在準(zhǔn)17年尺度下，R序列共經(jīng)歷約10個波動周期，平均變換周期約為6年；在準(zhǔn)3年尺度下，共經(jīng)歷32個波動周期，平均變換周期為2年。

2.5 空間變化

由圖3a的R分布可以看出，涇河流域北部R整體偏小，南部、東部整體偏大，西部偏小。長武站點地區(qū)為流域R的最大點，最大值為1 745 MJ·mm／（hm2·h），固原為流域R的最小點，最小值為1 133 MJ·mm／（hm2·h）。從降雨侵蝕力統(tǒng)計值Z值圖上（圖3b）可以看出，西部和中部區(qū)域R的變化趨勢是減小的，而東部、南部、北部R值的變化趨向是逐漸增大的，其中東南部分區(qū)域的變化趨勢極為明顯?？傮w而言，隨著經(jīng)度的增加，緯度的減少，R也隨之增加，變化趨向也越來越明顯。

圖3 各站點R值（a）和Z值（b）等值線分布

3 討論

降雨是影響降雨侵蝕力的主要因素，涇河流域降雨量與降雨侵蝕力呈顯著正相關(guān)，多年平均降雨量與多年平均降雨侵蝕力空間變化趨勢一致，都是從西北到東南遞增。表明降雨侵蝕力的時空變化在一定程度上取決于降雨量，其分布也可根據(jù)降雨量來粗略分析，并定性地估計降雨侵蝕力，這為評價降雨侵蝕力提供了一種簡便的方法。

涇河流域年內(nèi)降雨量與降雨侵蝕力在7、8月份出現(xiàn)峰值，原因在于流域地處北溫帶，受大陸季風(fēng)氣候的影響，夏季侵蝕性降雨增多［16］。涇河流域下游降雨侵蝕力較大，需進(jìn)一步強(qiáng)化當(dāng)?shù)毓姷乃Ｒ庾R，提高區(qū)域的水土保持措施。

本研究基于章文波簡易模型計算了涇河流域1957—2017年的降雨侵蝕力，分析了流域降雨侵蝕力時空變化特征。

1）涇河流域的全年降雨侵蝕力主要聚集在7、8月。按季節(jié)占比劃分，夏季占總體的68.63%，秋季20.46%，春季10.67%，冬季占比接近0。1957—2017年涇河流域春季和秋季降雨侵蝕力呈下降趨勢，夏季呈上升趨勢。

2）1957—2017年涇河流域的降雨侵蝕力總體呈上升趨勢且在未來一段時間內(nèi)會繼續(xù)上升。存在準(zhǔn)17年的第1主周期和準(zhǔn)3年的次周期。

3）涇河流域多年平均降雨量和降雨侵蝕力總體從西北到東南呈遞增趨勢。最大值在長武站，為1 745 MJ·mm／（hm2·h），最小值在固原，為1 133 MJ·mm／（hm2·h）。

此項研究在一定程度上揭示了涇河流域降雨侵蝕力的時空演變規(guī)律，但僅使用5個站點的降雨資料，可靠性明顯不夠；使用的計算模型方法較簡單，誤差較大。未來將會納入更多站點，使用更準(zhǔn)確的降雨侵蝕力計算方法，為降雨侵蝕和土壤侵蝕防護(hù)工作提供更有價值的參考依據(jù)。