廣東省1960—2018年間降雨侵蝕力時空變化特征分析

鄧攀攀，秦蓓蕾，都利亞

(1．廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

土壤侵蝕是當今社會面臨的一個嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。中國水土流失嚴重，據(jù)《中國水土保持公報(2020年)》[1]報告，全國水土流失面積有269.27萬km2，其中水力侵蝕面積為112.00萬km2。土壤侵蝕造成的耕地面積減少、土壤肥力下降以及河道湖泊淤積等生態(tài)安全問題嚴重威脅著國家生態(tài)安全、防洪安全和糧食安全。影響土壤侵蝕的因素包括降雨、地形、植被和地質(zhì)等，其中降雨是造成土壤侵蝕的重要動力因素之一[2]。降雨侵蝕力是通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation)及修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation)中一個重要因子，反映了降雨對土壤侵蝕的能力[3-4]。

當前對于降雨侵蝕力的研究相對較為成熟。如Wischmeier等[5]在1985年首次提出以降雨總動能E與30 min最大雨強I30的乘積EI30作為衡量降雨侵蝕力大小的指標，該指標也被證明適用于中國[6]。然而，該方法的使用需要長序列的場次降雨過程資料，許多國家和地區(qū)都無法滿足這種數(shù)據(jù)要求。因此，該方法在實際應(yīng)用上受到了很大限制。為了克服這一難題，許多基于日降雨資料、月降雨資料甚至年降雨資料的降雨侵蝕力計算方法被開發(fā)出來，如劉斌濤等[7]、章文波等[8]、YU[9]利用月降雨資料和日降雨資料建立了簡單的降雨侵蝕力估算方法。

日降雨資料在中國相對容易獲取，且較之年或月降雨資料，日降雨資料保留了更為完整的降雨特征信息，在降雨侵蝕力估算的精度方面更具保障，因此利用日降雨資料計算降雨侵蝕力的應(yīng)用最為廣泛。在眾多日模型當中，章文波等[8]所提出的日模型是中國使用最多計算模型，如阮歐等[10]利用1966—2017年日降雨資料研究了貴州省降雨侵蝕力的時空變化，發(fā)現(xiàn)貴州省的降雨侵蝕力呈現(xiàn)震蕩下降趨勢；賴成光等[2]分析了珠江流域1960—2012年降雨侵蝕力時空變化特征，發(fā)現(xiàn)流域大部分地區(qū)年降雨侵蝕力呈上升的趨勢；羅健等[11]利用1960—2007年的降雨數(shù)據(jù)對廣東省的降雨侵蝕力時空變化特征進行分析，結(jié)果表明廣東省降雨侵蝕力呈微弱上升趨勢，且降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征與降雨年內(nèi)分布基本一致。然而，XIE等[12]發(fā)現(xiàn)利用章文波提出的基于日降雨資料計算降雨侵蝕力的方法對降雨侵蝕力值高的地區(qū)存在高估的現(xiàn)象，并提出了一種修正的Xie模型；Chen等[13]進一步驗證了章文波的日模型存在高估現(xiàn)象，并驗證了Xie模型的合理性。

廣東省降雨量較大，意味著其對應(yīng)的降雨侵蝕力也較大[14]。本研究將繼續(xù)以廣東省為研究對象，采用省內(nèi)86個站點的日降雨資料，應(yīng)用謝云提出的Xie模型計算并研究廣東省1960—2018年的降雨侵蝕力時空變化特征，研究結(jié)果可為廣東省的水土涵養(yǎng)及生態(tài)安全保護提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣東省位于北緯20°13′～25°31′和東經(jīng)109°39′～117°19′，屬于東亞季風區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，是中國光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一。廣東省年平均氣溫約為19℃～24℃，年平均降水量為1 300～2 500 mm。降雨的空間分布基本上呈南高北低的趨勢，降水的年內(nèi)分配以及空間分布十分不均勻，4—9月的汛期降水占全年的80%以上。降水年際間差距較大，全省年降水量最大值是最小值的1.84倍，個別地區(qū)甚至達到3倍。廣東省水資源時空分布不均，夏秋易洪澇，冬春常干旱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用的廣東省86個站點1960―2018年間的逐日降雨數(shù)據(jù)(20時至次日20時降水量)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，站點空間分布見圖1。為保證數(shù)據(jù)的完整連續(xù)性，該中心對得到的數(shù)據(jù)集進行嚴格檢查，對個別缺失數(shù)據(jù)進行插補延長，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 研究區(qū)降雨站點空間分布

1.3 研究方法

1.3.1降雨侵蝕力計算

采取謝云等提出的基于日降雨資料的降雨侵蝕力計算方法計算廣東省1960—2018年的降雨侵蝕力值。該方法計算公式如下[13]：

(1)

式中Ri——第i個半月的降雨侵蝕力的值，(MJ·mm)/(hm2·h)；j——該半月內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)，j=1,2,…,k，一個月的前15天被劃分成一個半月，后面的天數(shù)被劃分成另一個半月；Pd——日侵蝕性日降雨量(日降雨量大于或等于10 mm)；在暖季(5—9月)，α=0.393 7，在冷季(10月至次年4月)，α=0.310 1。

累加各個半月的降雨侵蝕力即可得到月、季和年降雨侵蝕力。

本研究采用一元線性回歸方法分析降雨侵蝕力的變化趨勢[2]，計算公式如下：

(2)

式中b——降雨侵蝕力的斜率趨勢，當b>0，表示降雨侵蝕力呈上升趨勢，反之下降；Ri——第i年的降雨侵蝕力值；ti——第i年；n——時間序列總年數(shù)(n=59)。

1.3.2時空變化分析

為了分析廣東省降雨侵蝕力的突變特征，將采用M-K(Mann-Kendall)突變檢驗的方法。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，可不受少數(shù)異常值的干擾，反映時間序列的突變區(qū)域以及突變開始時間，是一種常用的突變檢測方法[15]。本研究將利用小波分析對廣東省降雨侵蝕力進行周期分析[16]。小波分析也稱為多分辨分析，是建立在經(jīng)典的傅里葉分析和窗口傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種常用的周期分析方法。

為了分析降雨侵蝕力的時空變化特征，采用克里金插值方法將86個站點的多年平均降雨侵蝕力及其變化值進行插值，可得到廣東省降雨侵蝕力的空間分布圖和趨勢變化圖?？死锝鸩逯捣ㄓ址Q空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間特征分析

利用1.3節(jié)中式(1)計算廣東省86個站點1960—2018年各個月份的半月降雨侵蝕力，累加到年降雨侵蝕力后再計算多年平均降雨侵蝕力，再利用克里金空間插值方法將站點侵蝕力插值到全省范圍，得到多年平均降雨侵蝕力空間分布見圖2。廣東省多年平均降雨侵蝕力值的范圍在7 137～14 339 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，全省1960—2018年間的平均值為9 839 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，標準差為1 571 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，表明省內(nèi)降雨侵蝕力分布差異較大。86個站點中，有37個站點的多年平均降雨侵蝕力超過了10 000 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；其中海豐站的多年平均降雨侵蝕力最高，羅定站的多年平均降雨侵蝕力最低。全省降雨侵蝕力分布呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的特征，沿海地區(qū)降雨侵蝕力值較大。

圖2 廣東省1960—2018年多年平均降雨侵蝕力空間分布

利用式(2)計算省內(nèi)每個站點的降雨侵蝕力趨勢，給定顯著水平α=0.05。結(jié)果顯示，86個站點中有63個站點呈上升趨勢，23個站點呈下降趨勢；其中，有10個站點上升趨勢顯著，其余趨勢均不顯著。將站點趨勢結(jié)果插值到整個廣東省，結(jié)果見圖3，可見省內(nèi)大多數(shù)區(qū)域降雨侵蝕力都呈上升趨勢，僅潮州市、汕頭市、揭陽市、汕尾市東部、梅州市南部呈下降趨勢。其中，中山市、珠海市、東莞市、深圳市、廣州市南部以及江門市南部上升趨勢均超過了30 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，表明上述地區(qū)存在土壤侵蝕的潛在危機。

圖3 廣東省1960—2018年間降雨侵蝕力變化趨勢空間分布

根據(jù)降雨侵蝕力計算公式可知，降雨是造成廣東省1960—2018年多年平均降雨侵蝕力空間分布及其變化趨勢格局核心因素。根據(jù)廖義善等[17]對近50年廣東省降雨時空變化及趨勢研究可知，發(fā)現(xiàn)二者在空間分布和變化趨勢是一致的，表明本文的研究結(jié)果是合理的。

2.2 降雨侵蝕力時間特征分析

利用線性回歸方法，分析整個廣東省在1960—2018年年均降雨侵蝕力的變化趨勢，見圖4。結(jié)果表明1960—2018年間，廣東省降雨侵蝕力變化率為16.81 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，未通過顯著性檢驗(置信水平95%)。最小值出現(xiàn)在1963年，僅為5 338 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；最大值出現(xiàn)在2008年，為15 228 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，年均降雨侵蝕力呈整體波動上升趨勢。此外，研究發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕力的年內(nèi)分布差異明顯，其中春季多年平均降雨侵蝕力(3—5月)為2 906 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，夏季多年平均降雨侵蝕力(6—8月)為5 092 (MJ·mm)/(hm2·h·a) ，秋季多年平均降雨侵蝕力(9—11月)為1 630 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，冬季多年平均降雨侵蝕力(12月至次年2月)僅為353 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；春夏兩季降雨侵蝕力占到全年80.1%，而該結(jié)果與廣東省年內(nèi)降雨時間分布規(guī)律基本一致。1960—2018年春、夏、秋、冬季降雨侵蝕力的變化趨勢分別為0.21、17.28、-5.34、4.60 (MJ·mm)/(hm2·h·a2)，均未通過顯著性檢驗。在86個站點中，春季有42個站點呈上升趨勢，其中僅韶關(guān)站通過顯著性檢驗；夏季有64個站點呈上升趨勢，7個通過了顯著性檢驗；秋季僅34個站點呈上升趨勢，均通過顯著性檢驗；冬季所有站點呈上升趨勢，其中有9個站點呈顯著上升趨勢；這一結(jié)果與冬季降雨量增加的趨勢相吻合[17]。綜上可知，廣東省降雨侵蝕力總體上升的趨勢很大程度是由夏季降雨侵蝕力上升決定的。

圖4 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力時間變化趨勢

采用M-K法分析廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力突變情況，圖5表明無顯著的突變。此外，從UF線也可以看出1960—2018年廣東省降雨侵蝕力呈現(xiàn)一種波動的趨勢，并在1993年后呈穩(wěn)定上升的趨勢，這與20世紀90年代以來暴雨增加的規(guī)律相一致[19]，也間接驗證上述趨勢分析的結(jié)果。

圖5 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力序列突變情況

采用小波分析的方法對廣東省1960—2018年間年均降雨侵蝕力進行變化周期分析，結(jié)果見圖6?？芍獜V東省在1960—2018年的年均降雨侵蝕力序列存在2.6、3.7、7.0、11.3 a的周期。除11.3 a周期外，其他周期均通過95%紅噪聲檢驗；其中，7.0 a周期的小波方差峰值最高，可認為7.0 a為該序列主周期。連續(xù)小波變換圖顯示2005—2010年間存在2.0～2.8 a的變化周期，1961—1967年存在3.2～4.6 a的變化周期，1992—2010年存在4～8 a的變化周期；以上變化周期均通過了紅噪聲檢驗。此外，1977—1994年存在9.8～12.1 a的變化周期，但沒通過紅噪聲檢驗。綜上分析，廣東省在1960—2018年的年均降雨侵蝕力序列存在2～8 a的振蕩周期。

圖6 廣東省1960—2018年年均降雨侵蝕力小波分析

2.3 結(jié)果驗證

本研究的分析結(jié)果與羅健等[11]利用25個站點計算的1960—2007年多年降雨侵蝕力時空變化特征基本一致：如時間趨勢變化上同樣呈波動上升的趨勢；空間分布上同樣呈現(xiàn)由南向北遞減的規(guī)律。而對于多年均值，本研究計算的結(jié)果較羅健等計算的值低，符合章文波等[8]提出的日降雨模型在降雨侵蝕力高的地區(qū)存在高估的結(jié)論。降雨侵蝕力的年內(nèi)分布也與羅健等的研究結(jié)果相符：其計算的汛期(4—9月)降雨侵蝕力占到全年85.4%，而本研究的春夏兩季(3—8月)降雨侵蝕力亦占到了80.1%。而趨勢分布上的差異主要在集中粵東地區(qū)，羅健等得出的結(jié)論是不顯著的上升，而本文得出的結(jié)論是不顯著的下降；導(dǎo)致這一差異的主要原因有2點：一是本研究的降雨序列更長；二是沿海地區(qū)降水極易受季風影響，且粵東部分站點的年降雨侵蝕力均呈振蕩的形式。蔣秋玲等[19]與劉平等[20]也分析了廣東省降雨侵蝕力時空變化特征，其降雨侵蝕力的空間分布格局與本文的基本一致，但其平均值總體比本文的結(jié)果大，主要原因是其序列較短，且采取了章文波等所提出的日模型，而該模型存在高估的現(xiàn)象。此外，吳潔玲等[21]分析了1951—2018年韶關(guān)不同量級降雨侵蝕力變化，得到其年降雨侵蝕力平均值為9 314 (MJ·mm)/(hm2·h·a)；而本文的所計算的韶關(guān)片區(qū)降雨侵蝕力在8 000～10 000 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，平均值與吳潔玲等的結(jié)果較為接近。以上驗證表明本文所獲得的降雨侵蝕力時空變化特征結(jié)果是合理的。

3 結(jié)論

以廣東省86個站點1960—2018年的日降雨資料為基礎(chǔ)，采用Xie模型計算了該地區(qū)的降雨侵蝕力，并對其時空變化特征進行了系統(tǒng)性分析，結(jié)論如下。

a)廣東省1960—2018年間年平均降雨侵蝕力為9 839 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，侵蝕力值序列的年際波動較大但無明顯突變；周期分析表明，在1960—2018年的變化主周期為7 a，且存在2～8 a的振蕩周期。

b)多年平均降雨侵蝕力呈現(xiàn)由北向南逐漸遞增的特征，其中沿海地區(qū)降雨侵蝕力值較大；除粵東小部分地區(qū)外，降雨侵蝕力均呈上升趨勢，其中中山市、珠海市、東莞市、深圳市、廣州市南部以及江門市南部上升趨勢尤為明顯。

c)降雨侵蝕力年內(nèi)分布不均，夏季降雨侵蝕力占到全年降雨侵蝕力的51.0%，春夏兩季占到全年降雨侵蝕力的80.1%。

總體而言，廣東省年均降雨侵蝕力值較大且呈上升趨勢，近幾十年降雨的增加是造成侵蝕力上升的主要原因；因此全省大部分地區(qū)特別是珠三角地區(qū)以及陽江沿海地區(qū)存在土壤侵蝕的潛在危機，需要采取相應(yīng)的生物措施、工程措施、小流域綜合治理等措施以減輕土壤侵蝕的程度，從而降低水土的流失。