湖北省侵蝕性降雨時(shí)空分布特征

曹 矞, 高 超, 張曉明, 王順杰, 楊清杰

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 2.湖北省水土保持監(jiān)測(cè)中心, 武漢)

雨滴濺蝕與徑流剝蝕是降雨引起土壤侵蝕的主要途徑[1]，為便于研究降雨引起侵蝕的程度，將各種降雨侵蝕類型引起當(dāng)?shù)赝寥狼治g的潛在能力總的定義為降雨侵蝕力。在水土保持研究領(lǐng)域，降雨侵蝕力這一因素對(duì)于當(dāng)?shù)厍治g程度和侵蝕潛力的評(píng)估以及相關(guān)修復(fù)措施的布置規(guī)劃是十分重要的，因此在通用土壤流失方程USLE和修正土壤流失方程RUSLE中降雨侵蝕力也是十分重要的研究因子[2]，一般用R將其表示。同時(shí)，R因子的大小與很多因素有關(guān)，如降雨量、雨強(qiáng)、雨滴特性等。目前學(xué)界已有很多對(duì)于降雨侵蝕力計(jì)算及預(yù)估模型的研究，如選取次降雨中的降雨動(dòng)能E和最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積計(jì)算表示降雨侵蝕力[3]，該公式是基于經(jīng)驗(yàn)與美國本土降雨實(shí)際觀測(cè)資料得出的衡量當(dāng)?shù)亟涤昵治g力的方法。我國學(xué)者結(jié)合國內(nèi)研究區(qū)域?qū)嶋H狀況，做出了根據(jù)次降雨中降雨動(dòng)能與雨強(qiáng)雨量計(jì)算降雨侵蝕力[4-5]，根據(jù)逐日降雨量計(jì)算年平均降雨侵蝕力[6]等研究。在眾多降雨侵蝕力計(jì)算模型中，通過逐日降雨量計(jì)算月降雨侵蝕力最終合成年降雨侵蝕力的計(jì)算模型相對(duì)來說穩(wěn)定性最好[7]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，對(duì)于降雨侵蝕力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)序也越來越精細(xì)化，Jennifer Kreklow研究了通過雷達(dá)對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的方法[8]，與傳統(tǒng)雨量計(jì)相比，氣象雷達(dá)具有超高時(shí)空分辨率，超大尺度的優(yōu)點(diǎn)。但是我國的現(xiàn)代化水土保持事業(yè)起步較晚，很多地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)的降水資料內(nèi)容不全，降雨強(qiáng)度及降雨動(dòng)能等數(shù)據(jù)較難獲得，因此通過較為容易獲得的降雨量資料計(jì)算降雨侵蝕力成為一種十分可行的方法。而用于計(jì)算的降雨量資料一般分為年降雨量資料、月降雨量資料以及日降雨量資料，其中月或年降雨量資料最容易獲取，因此早期研究也多集中于此，如Renard Kenneth G等用月降水量數(shù)據(jù)估算通用流失方程中的R因子[9]。但由于月或年降雨量時(shí)間跨度較大，無法反映降水年內(nèi)分布，通過該方法對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行估算精度無法得到保證。因此通過逐日降雨量對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行計(jì)算的方法在確?？尚行缘耐瑫r(shí)也大大提升了精度，同時(shí)還能反映降雨侵蝕力的年內(nèi)變化特征，章文波[10]及Richarchson[11]等就提出了基于逐日降雨量的降雨侵蝕力模型，這些模型中都有能反映當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯膮?shù)，這大大增加了模型在不同地區(qū)推廣應(yīng)用的可行性。在降雨量資料年限時(shí)長的選取方面，金建君等[12]通過分析認(rèn)為，當(dāng)降雨資料年限時(shí)長超過五年時(shí)，其計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差已經(jīng)在可接受范圍內(nèi)。在研究區(qū)域尺度選取上，多為以一整個(gè)區(qū)域[13-14]或不同水系[15]為基礎(chǔ)進(jìn)行侵蝕性降雨研究，而較少選擇研究區(qū)域內(nèi)已有的二級(jí)或三級(jí)水土保持區(qū)劃。本文嘗試將人工觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)與逐漸興起的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)結(jié)合，通過逐日降雨量資料并考慮湖北省內(nèi)水土保持分區(qū)狀況，對(duì)不同水土保持分區(qū)及全省范圍內(nèi)降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

湖北省介于北緯29°01′53″—33°6′47″、東經(jīng)108°21′42″—116°07′50″，東西長約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2，占中國總面積的1.94%。其地形東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。在全省總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%，屬長江水系。湖北省地處亞熱帶，全省除高山地區(qū)屬高山氣候外，大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，因此降水資源充沛，且多集中在5—9月，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，在花崗巖地區(qū)及西南部分土石山區(qū)也發(fā)生有水力與重力共同影響下的崩崗、泥石流等混合侵蝕(引自湖北省人民政府)。

在全國水土保持區(qū)劃中，湖北省橫跨南方紅壤區(qū)與西南紫色土區(qū)兩個(gè)一級(jí)區(qū)。省內(nèi)包括5個(gè)二級(jí)水土保持分區(qū)，分別是大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長江中游丘陵平原區(qū)、江南山地丘陵區(qū)、秦巴山山地區(qū)以及武陵山山地丘陵區(qū)。其中大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長江中游丘陵平原區(qū)及江南山地丘陵區(qū)這3個(gè)二級(jí)分區(qū)位于南方紅壤區(qū)內(nèi)，秦巴山山地區(qū)以及武陵山山地丘陵區(qū)這兩個(gè)二級(jí)分區(qū)位于西南紫色土區(qū)內(nèi)。由于武陵山山地區(qū)與長江中游丘陵平原大致處于同一緯度范圍內(nèi)，降雨類型大致相同，因此將兩區(qū)合為一個(gè)水土保持分區(qū)進(jìn)行計(jì)算(圖1)。全省共有24個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)，其中7個(gè)位于大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)，2個(gè)位于江南山地丘陵區(qū)，5個(gè)位于秦巴山山地區(qū)，10個(gè)位于長江中游丘陵平原區(qū)和武陵山山地丘陵區(qū)內(nèi)。本文采用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)均來自于中國氣象網(wǎng)湖北省2014—2020年資料，人工記錄數(shù)據(jù)來自于湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)整編數(shù)據(jù)。

圖1 全省分區(qū)狀況

2 研究方法

2.1 侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算

并不是每次降雨都會(huì)產(chǎn)生侵蝕，只有當(dāng)降雨達(dá)到一定條件后才有可能造成土壤侵蝕。在對(duì)于降雨量的研究中，當(dāng)降雨量超過某一個(gè)臨界點(diǎn)后才能達(dá)到造成土壤侵蝕的條件，稱這一臨界點(diǎn)為侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)[16]。設(shè)置這一標(biāo)準(zhǔn)有助于篩選出真正造成侵蝕的降雨，能在減少工作量的同時(shí)提升結(jié)果精度。

對(duì)于侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算，采用王萬忠[16]提出的侵蝕性降雨一般雨量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型。該計(jì)算方法是將逐日降雨量進(jìn)行降序排列，對(duì)每次降雨量R′產(chǎn)生的侵蝕量進(jìn)行累加，從而得到侵蝕性降雨的總侵蝕量q，每次降雨對(duì)應(yīng)的累計(jì)侵蝕量為Q，再以次降雨量R′為橫坐標(biāo)，累計(jì)侵蝕量(Q)占總侵蝕量(q)的百分比P為縱坐標(biāo)繪制曲線并進(jìn)行擬合，當(dāng)P為某個(gè)值時(shí)，其對(duì)應(yīng)的次降雨量R′即為侵蝕性降雨一般雨量標(biāo)準(zhǔn)，具體公式如下：

(1)

P=alnR′+b

(2)

式中:P為累計(jì)侵蝕量占總侵蝕量的百分比(%);Q為累計(jì)侵蝕量(kg);q為總侵蝕量(kg);R′為次降雨量(mm);a、b為每個(gè)站點(diǎn)具體的擬合公式參數(shù),由各站點(diǎn)P與R′曲線擬合得出。

根據(jù)湖北省水土流失特點(diǎn)及下墊面因素，選取P等于90%，即擬定的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)以上的降雨量引起土壤流失的概率為90%，代入公式(2)，在曲線上找到對(duì)應(yīng)的次降雨量R′，即為侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 降雨侵蝕力的計(jì)算

對(duì)于降雨侵蝕力的計(jì)算，采用章文波[10]的基于日降雨量的半月侵蝕力計(jì)算模型，具體公式如下：

(3)

(4)

(5)

α=21.586β-7.1891

(6)

式中:Pd為侵蝕性降雨的日平均降雨量(mm);Py為侵蝕性降雨的年平均降雨量(mm)。

2.3 空間插值方法

目前通過ArcGIS進(jìn)行空間插值的方法大致有以下幾種：反距離加權(quán)模型(IDW)、樣條函數(shù)模型(SPLINE)、克里格模型(Kriging)。黃利燕等[17]通過對(duì)比分析認(rèn)為，在站點(diǎn)數(shù)量較為適宜時(shí)，克里格模型預(yù)測(cè)效果要明顯優(yōu)于其他幾種模型。李巍等[18]對(duì)普通克里格模型(OK)與協(xié)同克里格模型(OCK)進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為，相同情況下協(xié)同克里格模型還考慮了高程因素，因此其預(yù)測(cè)結(jié)果要更為精準(zhǔn)。在相同情況下，反距離加權(quán)模型的可行性最高，預(yù)測(cè)結(jié)果精確性適中。綜合考慮計(jì)算結(jié)果精確性與可行性，本文采用普通克里格方法進(jìn)行空間插值，具體公式如下：

(7)

2.4 各站點(diǎn)權(quán)重確定方法

采用泰森多邊形法對(duì)各站點(diǎn)權(quán)重進(jìn)行分析確定，即將所有相鄰站點(diǎn)連成三角形，作這些三角形各邊的中垂線，于是每個(gè)氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個(gè)多邊形，該多邊形即代表該站點(diǎn)的實(shí)際控制面積，將其控制面積占總面積的百分比作為每個(gè)站點(diǎn)在平均降雨侵蝕力計(jì)算中的權(quán)重(圖2—3)。

圖2 全省自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布及泰森多邊形

圖3 各分區(qū)內(nèi)站點(diǎn)控制面積

3 結(jié)果與分析

3.1 湖北省降雨量及侵蝕性降雨量特征分析

從地理位置來看，湖北省位于亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，降雨充沛且降雨時(shí)段集中。由2014—2020年這7 a間數(shù)據(jù)分析可知，全省年平均降雨量在813.88～1 590.15 mm，其中年降雨量最低年份為2019年，最高年份為2020年。年平均侵蝕性降雨量在319.99～864.14 mm，其中侵蝕性降雨量最低年份為2019年，最高年份為2020年(圖4)。多年平均年降雨量為1 201.98 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為603.53 mm(表1)。多年平均年侵蝕性降雨量占多年平均年降雨量的50.21%，年平均侵蝕性降雨頻次(天數(shù))為14次，平均次侵蝕性降雨量為46.88 mm。且由年降雨量與年侵蝕性降雨量曲線可以看出，年降雨量P與年侵蝕性降雨量Py之間存在著明顯的相關(guān)性，通過趨勢(shì)線擬合可得二者之間關(guān)系為Py=0.752P-311，相關(guān)性可達(dá)0.980 9(圖5)。

從分區(qū)來看，全省降雨量大致呈現(xiàn)從西北向東南增加的趨勢(shì)，其中秦巴山山地區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量都為最低，其多年平均年降雨量為995.13 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為489.97 mm。而江南山地丘陵區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量均為最高，其多年平均年降雨量為1 507.54 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為1 172.39 mm(圖6)?？傮w上多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量排序?yàn)榍匕蜕缴降貐^(qū)<大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)<長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)<江南山地丘陵區(qū)。

圖4 年降雨量與年侵蝕性降雨量

圖5 年降雨量與年侵蝕性降雨量相關(guān)性

圖6 各分區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量

3.2 湖北省降雨侵蝕力時(shí)空分布特征分析

表1 全省降雨信息

湖北省整體的降雨侵蝕力從西北到東南逐漸增加(圖10)，與降雨量的空間分布表現(xiàn)出相同特征。從不同分區(qū)來看，位于湖北省西北部的秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為4 450.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最小值。而位于湖北省東南部的江南山地丘陵區(qū)多年平均降雨侵蝕力為10 110.35 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最大值，比秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力高出127.17%。分析具體原因?yàn)榍匕蜕缴降貐^(qū)較江南山地丘陵區(qū)緯度高，且更為靠近內(nèi)陸，受大陸性氣候影響更深。而江南山地丘陵區(qū)緯度更低，更為靠近海洋，且地勢(shì)較為平坦無高大山脈阻斷海洋暖濕氣流吹入，因此降雨較秦巴山山地區(qū)更為充沛且集中，這種集中且大量的降雨其本身的動(dòng)能較大，更容易引起土壤侵蝕的發(fā)生，因此降雨侵蝕力更高。而比較大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)與長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)，兩者多年平均降雨侵蝕力較為接近，前者略高于后者。其中大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)年降雨侵蝕力為7 299.48 MJ·mm/(hm2·h·a)，長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)年降雨侵蝕力為6 736.10 MJ·mm/(hm2·h·a)，前者比后者高出8.36%。分析其原因是因?yàn)閮刹糠值貐^(qū)緯度相差不大，雨熱條件較為接近，因此降雨侵蝕力差別不大。

4 討 論

在湖北省相關(guān)水土保持規(guī)劃中，應(yīng)重點(diǎn)考慮該時(shí)間段內(nèi)特別是7月份前后的具體水土保持措施，做好應(yīng)對(duì)短歷時(shí)強(qiáng)降雨氣候類型造成土壤侵蝕的準(zhǔn)備。同時(shí)由于湖北省東西向跨度大，因此省內(nèi)氣候條件較為復(fù)雜，不完全是典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候，越靠近西部內(nèi)陸其氣候中的大陸性特征越明顯降雨量及侵蝕性降雨頻次(天數(shù))越低。而越靠近東部，其氣候受海洋季風(fēng)影響越顯著，特別是江南山地丘陵區(qū)，其氣候特征與典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)已十分接近，且降雨發(fā)生時(shí)段、降雨量及降雨侵蝕力等與臨近省份江西已無明顯差別[19]。因此在對(duì)湖北省整體進(jìn)行水土保持規(guī)劃時(shí)，不僅要注意降雨量的年內(nèi)時(shí)間分布，還要注意其在空間上的東西橫向分布。

圖7 年內(nèi)半月降雨侵蝕力分布

圖8 半月降雨量與半月侵蝕力

本文在降雨量層面上研究討論其與降雨侵蝕力之間的關(guān)系，而每次侵蝕性降雨的降雨特征如次降雨雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)及降雨歷時(shí)等都會(huì)對(duì)降雨侵蝕力產(chǎn)生更深層次的影響，同時(shí)侵蝕性降雨產(chǎn)生的徑流量以及地面植被覆蓋狀況等也是影響土壤侵蝕發(fā)生特別是影響紅壤地區(qū)土壤侵蝕發(fā)生的重要因素[20]，后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入。

圖9 半月降雨量與半月侵蝕力相關(guān)性

圖10 降雨侵蝕力等值線

5 結(jié) 論

(1) 湖北省降雨充沛且降雨時(shí)段集中，多年平均年降雨量為1 201.98 mm，集中降雨時(shí)段為每年4—10月，年內(nèi)侵蝕性降雨也多集中于該時(shí)段，多年平均侵蝕性年降雨量為603.53 mm，占多年平均年降雨量的50.21%，其中4—10月總降雨侵蝕力值為6 202.1 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力值的93.26%。

(3) 全省范圍內(nèi)的降雨侵蝕力空間分布總體上呈現(xiàn)自西北向東南增加的趨勢(shì)，位于湖北省西北部的秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為4 450.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最小值。而位于湖北省東南部的江南山地丘陵區(qū)多年平均降雨侵蝕力為10 110.35 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最大值，其他兩個(gè)分區(qū)降雨侵蝕力差別不大?？傮w排序?yàn)榍匕蜕缴降貐^(qū)<長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)<大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)<江南山地丘陵區(qū)。

致謝：在數(shù)據(jù)處理以及論文撰寫過程中，感謝湖北省水土保持監(jiān)測(cè)中心及各級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)于本文的數(shù)據(jù)支持以及相關(guān)指導(dǎo)。