1990—2020年延安市侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力時(shí)空變化分析

王盼婷 石海蘭，2

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司延安分公司，陜西 延安 716000；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710024）

0 引言

在全球變暖的背景下，干旱、極端降水等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生［1］。持續(xù)性的降水會(huì)誘發(fā)區(qū)域土壤侵蝕，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食作物安全，給人類生活及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來極大的隱患，同時(shí)也對整個(gè)區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成威脅。因此，研究區(qū)域侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力的時(shí)空演化特征對于區(qū)域土壤侵蝕監(jiān)測、評估、預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)防等工作具有重要意義。

降雨侵蝕力是導(dǎo)致土壤侵蝕的一種潛在能力。國外學(xué)者在應(yīng)用USLE預(yù)報(bào)土壤侵蝕量時(shí)，一般利用EI30作為降雨可蝕性的指標(biāo)［2］。在國內(nèi)相關(guān)研究方面，不少學(xué)者對國外的經(jīng)典算法進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建出適應(yīng)不同地區(qū)降雨侵蝕力的計(jì)算方法。例如，章文波等［3］通過日降雨觀測資料計(jì)算R因子的方法，為評價(jià)區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度和水土流失預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。目前，諸多學(xué)者對不同尺度上的降水演化規(guī)律做了許多研究，例如張阿龍等［4］和徐東坡等［5］分別從不同的時(shí)間尺度和空間尺度研究降水特征的時(shí)空分布規(guī)律。但針對延安市有關(guān)降雨量的研究僅集中于單一季節(jié)的降雨時(shí)間序列趨勢分析［6］以及對極端氣候的響應(yīng)研究［7］，缺少了與降雨侵蝕力之間相關(guān)聯(lián)系的研究。

基于此，本研究利用延安地區(qū)1990—2020年21個(gè)氣象站的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)資料，采用小波分析、趨勢分析等方法，探究延安市侵蝕性降水和降雨侵蝕力的時(shí)空變化規(guī)律，以期為區(qū)域水土保持綜合治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市位于黃土高原腹地（35°21'N～37°31'N，107°41E～110°31'E），北接榆林市，南連銅川、渭南、咸陽三市，東西分別與山西省、甘肅省為鄰（見圖1）。該區(qū)地勢西北高東南低，總面積約3.7萬km2，主要為丘陵溝壑地貌。延安市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量500 mm左右；境內(nèi)河流以北洛河、延河、清澗河及無定河為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所采用數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）發(fā)布的中國地面氣象站逐小時(shí)觀測資料數(shù)據(jù)集（1990—2020），考慮到從延安地區(qū)氣象站下載的數(shù)據(jù)存在缺測情況，因此選擇延安市及鄰域21個(gè)氣象站點(diǎn)（見圖1），選取逐日累計(jì)降水量大于或等于12 mm的降雨量，定義為侵蝕性降雨量［8］。河流水系及行政區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn/）的1∶100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨量侵蝕力計(jì)算。降雨量是反映降雨可蝕性力的重要指標(biāo)。本研究根據(jù)章文波等［3］構(gòu)建的基于侵蝕性雨量的方程式估算半月降雨侵蝕力，計(jì)算公式為式（1）至式（4）。

式中：一年共有24個(gè)半月，Rm和R y分別為半月和年降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h·a）；i為降雨天數(shù)；Pdi為半月內(nèi)第i天的降雨量（大于12 mm）；Pd m為日均侵蝕性降雨量；P ym為年均侵蝕性降雨量；α、β均為參數(shù)。

1.3.2 趨勢分析。曼-肯德爾法（Mann-Kendall）可以用來判斷趨勢的顯著性［9］和突變開始的時(shí)刻。判斷趨勢的顯著性是通過統(tǒng)計(jì)值Z的改變來分析，當(dāng)Z為正時(shí)且置信區(qū)間超過±1.96（α＝0.05），則表現(xiàn)為顯著上升的趨勢，反之同理。突變時(shí)刻則是按時(shí)間順序統(tǒng)計(jì)的UFK和其逆序列UBK兩者之間的交點(diǎn)。

1.3.3 小波分析。小波分析多在水文序列時(shí)間尺度分析中應(yīng)用［10］，小波方差則反映能量在時(shí)間尺度的分布情況，顯示時(shí)間序列中該尺度周期波動(dòng)的強(qiáng)度。

1.3.4 空間插值分析。克里金插值法又稱空間局部插值法，是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法［11］，該方法參數(shù)設(shè)置方便、效果較好。

圖2 延安市1990—2020年侵蝕性降雨量變化

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性降雨量年際變化

如圖2所示，1990—2020年延安市多年侵蝕性降雨量平均為280.89 mm，其中2017年侵蝕性降雨量最高，達(dá)到406.54 mm；1997年侵蝕性降雨量最小，為185.21 mm，極差為221.33 m，年際變化幅度相對較大。線性擬合顯示，過去21年延安市侵蝕性降水量以27.417 mm/10 a的速率呈增加趨勢且存在階段差異：2004—2012年侵蝕性降雨量呈波動(dòng)性上升趨勢，波動(dòng)幅度不大；1990—2003年和2013—2020年時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨量在不斷呈波動(dòng)性變化；2004年侵蝕性降雨量變化幅度最大，減少了178.52 mm。

2.2 侵蝕性降雨量的周期分析

周期分析顯示（見圖3）：實(shí)線表示小波系數(shù)的實(shí)部為正數(shù)，降水量相對偏多，而虛線則表示侵蝕性降水量相對偏少。從圖3中可以明顯看出延安市侵蝕性降雨量出現(xiàn)了“枯-豐”交替的周期。從小波變換實(shí)部的時(shí)頻變化能夠看出，侵蝕性降水量存在25～32 a、15～24 a以及3～15 a的3類時(shí)間尺度上的周期性變化規(guī)律，其中在3～15 a時(shí)間尺度上存在3次震蕩，分別發(fā)生在1996—1999年、2003—2004年、2014—2016年。從圖4小波方差圖中可以看出，該過程存在5個(gè)較為明顯的峰值，它們對應(yīng)著3 a、6 a、13 a、20 a和28 a的時(shí)間尺度。其中，最大值與28 a的時(shí)間尺度相對應(yīng)，表明此時(shí)的周期性震蕩最為強(qiáng)烈，是延安市年降水量變化的第一主周期，這5個(gè)周期的波動(dòng)決定了延安市近30年降水的變化特征。

Mann-Kendall分析顯示（見圖5），在21世紀(jì)10年代以前U Fk曲線值小于0，表明序列降水量在此期間呈波動(dòng)下降的狀態(tài)；在21世紀(jì)10年代以后U Fk曲線值大于0，則表明延安市降雨量有增加趨勢。整體來看，1990—2020年的侵蝕性降雨量的變化趨勢并不顯著（-1.96＜U Fk＜1.96）。同時(shí)，從UF k和UBk曲線在置信區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)有交點(diǎn)，說明兩條曲線在臨界值之間存在突變點(diǎn)。第一次突變發(fā)生在2011年，但是沒有超過顯著水平線，則沒有發(fā)生顯著突變。第二次突變發(fā)生在2015—2016年，說明在此之后降水量呈現(xiàn)上升趨勢。因此，可以看出延安市的侵蝕性降雨量在2011年之后不斷增加，政府管理人員應(yīng)做好相關(guān)應(yīng)對措施，進(jìn)一步加強(qiáng)防汛減災(zāi)應(yīng)急能力。

圖3 侵蝕性降水量小波變換等值線

圖4 侵蝕性降水量的小波方差圖

圖5 延安市年降雨的突變分析

2.3 降雨侵蝕力的時(shí)空變化

表1為1991—2020年延安市鹽池和離石站降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)表。由表1可知，2001—2010年鹽池站點(diǎn)的降雨侵蝕力最小，為586.46 MJ·mm/（hm2·h·a），2011—2020年離石站點(diǎn)的降雨侵蝕力最大，為2 628.50 MJ·mm/（hm2·h·a）。將各個(gè)站點(diǎn)的降雨侵蝕力按照1991—2000年、2001—2010年、2011—2020年三個(gè)時(shí)期通過克里金法插值，得到延安市三個(gè)時(shí)期的降雨侵蝕力因子的空間分布。從整體來看，1991—2010年研究區(qū)降雨侵蝕力由北向南總體呈現(xiàn)上升趨勢，2011—2020年除了研究區(qū)的西北部分降雨侵蝕力有所減少外，其他區(qū)域的降雨侵蝕力均在增加。其中，1991—2000年、2001—2010年和2010—2020年延安市降雨侵蝕力的范圍分別在1 075.99～1 825.06 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 099.56～2 265.11 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 336.33～2 403.69 MJ·mm/（hm2·h·a）之間，其中年均降雨侵蝕力分別為1 333.64 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 388.79 MJ·mm/（hm2·h·a）和1 793.52 MJ·mm/（hm2·h·a）。

2.4 降雨侵蝕力與降雨的關(guān)系

表1 氣象站年均降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)表單位：MJ·mm（/hm2·h·a）

圖6表示1991—2020年延安市年均降水量和降雨侵蝕力變化，由圖6可以看出，1991—2000年、2001—2010年和2011—2020年年均降水量分別為254.19 mm、267.83 mm和328.04 mm。用線性擬合方法對延安地區(qū)年侵蝕性降水量和降雨侵蝕力動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明平均侵蝕性降雨量與降水侵蝕力呈線性正相關(guān)性回歸關(guān)系，擬 合 方 程 為y=5.986 7x-191.65（R2=0.775 4，p＜0.05）。由此可見，降雨侵蝕力與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，年均降雨量每增加1mm，降雨侵蝕力強(qiáng)度提升5.99 MJ·mm/（hm2·h·a），回歸方程通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

圖6 延安市降雨侵蝕力與侵蝕性降雨量變化

3 結(jié)論與討論

本研究基于1990—2020年21個(gè)氣象站點(diǎn)逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，對延安市侵蝕性降雨量及降雨侵蝕力的變化趨勢、空間分布特征進(jìn)行分析。主要得出以下結(jié)論。

①延安市1990—2020年年均侵蝕性降雨量為280.89 mm，最大值為2017年出現(xiàn)的406.54 mm，最小值為1997年的185.21 mm，年際變化幅度相對較大，整體呈波動(dòng)上升趨勢且存在階段差異。

②從小波分析可以看出，侵蝕性降水量存在25～32 a、15～24 a以及3～15 a的3類時(shí)間尺度上的周期性變化規(guī)律。侵蝕性降雨量的變化趨勢并不顯著，并在2011年和2015—2016年發(fā)生突變。

③2000年、2010年和2020年延安市年均降雨侵蝕力的分別為1 333.64 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 388.79MJ·mm/（hm2·h·a）和1 793.52 MJ·mm/（hm2·h·a）。整體來看，降雨侵蝕力由北向南呈現(xiàn)上升趨勢。

④侵蝕性降雨量與降水侵蝕力呈顯著正相關(guān)，年均降雨量每增加1 mm，降雨侵蝕力強(qiáng)度提升5.99 MJ·mm/（hm2·h·a）。

多年來，延安市十分重視水保事業(yè)，落實(shí)退耕還林還草政策，并相繼開展大規(guī)模的保護(hù)和治理工作。侵蝕性降雨是影響降雨侵蝕力的主要因素，本研究得出延安市侵蝕性降雨量表現(xiàn)出了上升趨勢，其變化趨勢與仇莉等［12］分析近20年來延安地區(qū)的年平均降水量總體呈增多趨勢的研究結(jié)論一致，建議政府管理人員做好相關(guān)應(yīng)對措施。本研究還存在一些不足之處：僅利用單一降雨侵蝕力模型計(jì)算降雨侵蝕力，難以全面反映降雨對土壤侵蝕的作用程度，下一步研究中需要針對延安市暴雨頻發(fā)、地貌類型復(fù)雜等特點(diǎn)進(jìn)行不同侵蝕力模型的優(yōu)化對比分析。