劉惠英，任洪玉，張長偉，張平倉?

(1.南昌工程學院，330099，南昌； 2.長江科學院水土保持研究所，430012，武漢)

三峽庫區(qū)香溪河流域降雨侵蝕力的時空分布特征

劉惠英1，任洪玉2，張長偉2，張平倉2?

(1.南昌工程學院，330099，南昌； 2.長江科學院水土保持研究所，430012，武漢)

為研究流域降雨侵蝕力變化規(guī)律，利用三峽庫區(qū)香溪河流域內10個雨量站1971—2010年的日降雨資料，采用降雨侵蝕力日降雨簡易模型，分析該流域降雨侵蝕力的年內分配和年際變化規(guī)律。在ArcGIS軟件支持下，采用克里格插值研究流域降雨和降雨侵蝕力時空變化特征。結果表明：香溪河流域降雨侵蝕力多年變化范圍為2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年平均均值為4 535.63 MJ·mm/(hm2·h)，降雨侵蝕力R值的年際分配差異明顯，最大年R值為最小年R值的3倍；流域侵蝕力空間變化趨勢為從西向東逐漸遞減；流域近40多年的降雨和降雨侵蝕力系列比較平穩(wěn)，經Mann-kendall檢驗無顯著的變化趨勢。流域降雨量、侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力年內分布較集中，汛期降雨量、汛期侵蝕性降雨量、汛期降雨侵蝕力占全年的比例分別為85.4%、92.4%和94.0%。

降雨侵蝕力； 日降雨量； 時空分布； 香溪河流域

降雨是引起土壤侵蝕的動力因素之一，雨滴擊濺造成土壤顆粒分離、搬運最終導致土壤流失。降雨侵蝕力因子R是降雨能量的定量指標，土壤侵蝕模型USLE、RUSLE及其他眾多流域農業(yè)非點源污染模型均把R值作為主要參數之一，對于R的計算方法和空間分布規(guī)律的研究越來越被人們重視。正確評估降雨侵蝕力，對預測土壤侵蝕及優(yōu)化水土保持措施具有重要意義。降雨侵蝕力的計算方法由W. H. Wischmeier等[1]在1978年提出，定義為一場降雨的降雨總動能E與最大30min降雨強度I30的乘積，該指標已在世界范圍內得到廣泛應用。我國對降雨侵蝕力指標的研究始于20世紀八十年代，王萬忠等[2]通過研究代表性小區(qū)降雨侵蝕資料，證實EI30在我國同樣適用；但實際工作中因較難獲得E和I30資料，許多學者[3-6]嘗試采用氣象站點常規(guī)降雨數據建立侵蝕力簡易算法，構建了多種經驗估算模型，常見的是利用氣象站整編各時間尺度的降雨量等常規(guī)資料來計算降雨侵蝕力。C. W. Richardson等[5]的冪函數結構的日雨量侵蝕力簡易模型，得到許多學者的進一步分析驗證。章文波等[6-7]對冪函數日降雨量侵蝕力模型做了修正并提出了適用我國的參數估算方法，并用其分析我國降雨侵蝕力及其季節(jié)分布。謝云等[8]利用陜北團山溝徑流場數據定量判斷出我國的侵蝕性降雨標準。

三峽庫區(qū)是長江上游四大重點水土流失片區(qū)之一，我國政府已將三峽庫區(qū)列為全國水土保持重點防治區(qū)。庫區(qū)土壤侵蝕產生的泥沙直接入庫，庫區(qū)水土流失治理對減緩庫區(qū)泥沙淤積，延長水庫使用壽命具有重大的實際意義。庫區(qū)降雨侵蝕力研究不僅對該區(qū)水土流失治理、水土保持效益評價具有重要意義，而且對三峽水庫區(qū)間經過“長治”工程、“天?！惫こ毯屯烁€林(草)工程等治理后流域水沙關系變化原因分析提供一定的理論支持。從庫區(qū)目前研究現狀來看，至少存在采用數據周期過短和采用的測站數量過少2方面問題。W. H. Wischmeier等[1]指出，考慮到氣候變化的周期波動，多年平均降雨侵蝕力的計算一般要求至少有20年以上的降雨過程資料；同時閆業(yè)超等[9]研究表明，降雨資料的時間序列長度對R平均值的估計置信度有顯著影響。目前三峽水庫庫區(qū)侵蝕力研究在這2方面都不盡如人意。吳昌廣等[10]、汪言在等[11]和張照錄等[12]在研究整個三峽庫區(qū)侵蝕力時分別只用了有7、4和5個站的日降雨資料；花利忠等[13]研究庫區(qū)流域大寧河時也只用了8年的資料；史東梅等[14]、繆馳遠等[15]和張革等[16]各分別在研究涪陵、重慶主城區(qū)和香溪河流域時也只用了1個站的資料。單個站點對于分析降雨侵蝕力時空分布，指導流域水土保持措施規(guī)劃遠遠不夠，對流域治理的指導意義有限。

筆者以三峽庫區(qū)支流香溪河流域為例，采用流域內10個雨量站點1971—2010年的日降雨量資料對流域降雨侵蝕力進行系統(tǒng)研究，增加了R值分布密度，提高了其空間插值精度，并分析其時空分布規(guī)律，為定量評價流域水土流失提供了重要背景參數，同時對進一步開展水土流失調查、土壤侵蝕評價、水土保持效益分析和開展生態(tài)恢復工作提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

香溪河流域地處長江流域上游(圖1)，發(fā)源于神農架南麓，系長江三峽大壩壩首的第一大支流，位于湖北省西北部，流域總面積3 183 km2，其中神農架林區(qū)865 km2，興山縣2 106 km2，秭歸縣212 km2，為峽谷型河流。香溪河由北向南縱貫興山縣全境，至游家河入秭歸縣后又匯屈平河之水，于香溪鎮(zhèn)東注入長江，匯長江之水流入西陵峽，下泄至三峽大壩[17]。流域處于亞熱帶大陸性季風氣候區(qū)。三峽工程蓄水后，形成了典型的香溪河庫灣。流域土地資源短缺，因多年盲目墾荒、毀林造田、亂砍濫伐，20世紀80年代末森林植被破壞嚴重，土壤、巖石裸露加劇，造成水土流失，大量泥沙入河。遙感影像顯示，1988年流域水土流失面積2 244.72 km2，占流域總面積的70.5%，其中強烈及以上水土流失程度面積占流域面積的25.97%，占水土流失總面積的36.82%[18]。

圖1 香溪河流域地理位置及雨量站分布圖Fig.1 Location and distribution of rain gauges in the Xiangxi River Watershed

2 資料和方法

2.1 數據來源

本研究采用的1971—2010年各雨量站日降雨數據均來自長江水利委員會編撰的水文年鑒。數據的可靠性和精度滿足計算要求。各站點基本信息見表1。

2.2 侵蝕力計算方法

降雨侵蝕力最初提出是針對一場降雨中的最大30 min降雨強度和降雨動能的乘積EI30而言的；但是很多國家和地區(qū)都缺少場次降雨資料，因此在利用EI30計算降雨侵蝕力時受到很大限制。同時日降雨和次降雨并非一一對應，直接采用日雨量估算日降雨侵蝕力一方面存在困難，另一方面也不準確。

表1 香溪河流域雨量站位置信息和年降雨特征

在土壤侵蝕模型USLE 和RUSLE 中，降雨侵蝕力季節(jié)變化均以半月為步長。本文采用章文波等[8]提出的半月時段模型計算。

(1)

式中：Rk為第k個半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)，k=1，2，3，…，24；Pdk為第k個半月的日侵蝕性降雨量,mm；j為第k個半月的時間，d，j=13，14，15，16；a和b為反映當地降雨特征的模型參數。計算公式如下：

(2)

a=21.586b-7.189 1。

(3)

式中：Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均降雨量，mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均降雨量，mm。

2.3 分析方法

2.3.1 氣候傾向率 氣候傾向率在1988年被英國學者P. D. Jones[17]用來研究地球表面溫度變化特征之后，在我國也得到了廣泛的關注和推廣，被用來研究降水、溫度等氣象要素的變化趨勢[19-21]。氣候傾向率指每10年平均變化的絕對值：把氣候要素表示為時間的線性函數，即在計算侵蝕力R變化趨勢時，采用最小二乘法，計算降雨侵蝕力隨時間t的線性回歸系數α，α為降雨侵蝕力變化速率，正值表示增加趨勢，負值表示減小趨勢，要素的變化則可用一次線性方程表示:

R=αt+β。

(4)

式中β為截距。文中以線性回歸系數α的10倍作為降雨侵蝕力的氣候傾向率。

2.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗 Mann-Kendall趨勢檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法。非參數檢驗亦稱為無分布檢驗，其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適合用于類型變量和順序變量，廣泛應用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析中，詳細方法參見文獻[22-23]。

降雨侵蝕力的平均值、方差、變異系數及相關性等描述性統(tǒng)計特征采用統(tǒng)計軟件SPSS計算，在ArcGIS10.2軟件中采用克里格插值方法對年降雨量和年降雨侵蝕力進行插值。

3 結果與分析

3.1 年降雨量和年降雨侵蝕力的空間分布

圖2 香溪河流域1971—2010年多年平均降雨量和多年平均降雨侵蝕力空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual precipitation and annual rainfall erosivity in the Xiangxi River Watershed during 1971—2010

根據香溪河流域10個雨量站的逐日降雨數據，采用簡易算法計算各個站點降雨侵蝕力。計算結果表明：流域年降雨量在688.12～1 318.78 mm之間，多年均值為985.86 mm，降雨量呈現由西北向東南遞減趨勢(圖2(a))，與流域高程變化趨勢基本一致。流域西北部的紅花和九沖站多年平均降雨量均超過1 250 mm，比流域均值多近30%。多年降雨最少區(qū)域為青山站、水月寺、鄭家坪、興山和峽口站附近。

流域降雨侵蝕力的高值區(qū)位于西北部的紅花、九沖河站一帶，年均降雨侵蝕力均超過6 000 MJ·mm/(hm2·h)；侵蝕力低值區(qū)在峽口鎮(zhèn)、水月寺和青山站附近，多年均值均小于4 500 MJ·mm/(hm2·h)，峽口站最小，降雨侵蝕力多年均值僅為3 999.4 MJ·mm/(hm2·h )。10個站點中，降雨侵蝕力年際變化最大的是九沖站，其極值比達到了4.43，中陽埡極值比最小為2.47，其余8個站點的極值比在3～4之間。用克里格插值法對站點多年平均侵蝕力進行空間插值，繪制出流域降雨侵蝕力的等值線圖(圖2(b))。香溪河流域降雨侵蝕力的變化趨勢為從西向東逐漸遞減。流域以興山和鄭家坪所在位置為分界線，其以西區(qū)域年降雨侵蝕力值大且變化劇烈，年侵蝕力值隨高程的降低而顯著減??；以東區(qū)域年降雨侵蝕值小，但侵蝕力變化不大，基本分布在4 000～4 500 MJ·mm/(hm2·h)。本文采用“泰森多邊形法”確定每個雨量站對應的權重，流域內10個雨量站較好地反映了流域降雨侵蝕力空間異質性，根據每個雨量站權重和該雨量站的降雨侵蝕力數據，計算得到香溪河流域多年侵蝕力變化范圍為2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值為4 535.63 MJ·mm/(hm2·h·a)。

流域年降雨量和年降雨侵蝕力分布基本一致，表明該區(qū)域降雨量和降雨侵蝕力之間有較好的協(xié)同性。具體表現為：流域西北部降雨量和降雨侵蝕力最大；流域東南部降雨量和降雨侵蝕力最小。鄭家坪和興山站一帶年降雨量較小，但是降雨侵蝕力卻相對較大，表明流域中部鄭家坪、興山一帶的年降雨中侵蝕性降雨量比例較大。青山站和水月寺站降雨量屬中等降雨程度，但是年降雨侵蝕力卻最小。表明流域東南部青山、水月寺一帶降雨量雖大，但侵蝕性降雨量相對較少；與此相同情況也發(fā)生在流域中北部的水果園區(qū)域：水果園多年平均降雨量比中陽埡多30 mm，但多年降雨侵蝕力均值差異很小。

3.2 降雨侵蝕力年際變化

通過計算香溪河流域各站點的降雨侵蝕力氣候傾向率，發(fā)現1971—2010年間，流域南陽河、興山和峽口3個站點表現正氣候傾向率，每10年增加量均在200 MJ·mm/(hm2·h)以上，均值為227.3 MJ·mm/(hm2·h)，其中南陽河的正氣候傾向率最大，每10年增加量為354.8 MJ·mm/(hm2·h)；而其余6個站點降雨侵蝕力年際變化表現為不同程度的負趨勢，即降雨引起土壤侵蝕的能力在減小，平均每10年減小313.8 MJ·mm/(hm2·h)；流域侵蝕力總體上為減小趨勢，但不顯著。降雨侵蝕力的這種年際變化特征(圖3)與降雨量和降雨強度密切相關，但在某些年份二者關系并不一致：1979年由于侵蝕性降雨量大而降雨總量較小使得侵蝕力較大；但1980年和1994年降雨總量較大，而降雨侵蝕力較小，原因在于這2年降雨量雖大但侵蝕性降雨量相對較小。

同時還可采用Mann-kendall趨勢檢驗對流域內10個站點降雨和降雨侵蝕力做趨勢分析，結果見表2。Z為Mann-kendall檢驗的統(tǒng)計量，在0.05顯著性水平時，|Z1-0.05/2|=1.96和|Z1-0.10/2|=1.64，可判斷序列的變化趨勢及其顯著性。Mann-kendall對站點侵蝕力趨勢檢驗結果與氣候傾向率結果一致，但所有站點的趨勢變化均沒有通過0.05顯著性水平的檢驗，僅紅花站通過了0.10顯著性水平的檢驗。對流域各站點降雨Mann-kendall檢驗結果發(fā)現：只有南陽河站是微弱上升趨勢，峽口和興山站點都是下降趨勢，這個侵蝕力變化趨勢不一致。九沖站降雨減小趨勢超過了0.05顯著性水平的檢驗，但紅花站沒有發(fā)生顯著的變化趨勢。說明流域年侵蝕力變化存在一定的隨機波動，但無顯著地氣候趨勢。

3.3 降雨侵蝕力年內分布

4—10月為長江流域的汛期，10個站點汛期降雨量占了全年降雨量的84.0%～87.0%，汛期侵蝕性降雨量占了全年侵蝕性降雨量的91.0%～94.2%，汛期降雨侵蝕力占了全年降雨侵蝕力的92.6%～95.5%，三者的均值分別是85.4%、92.4%和94.0%，表明香溪河流域降雨量、侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力在年內分布集中。各雨量站點降雨侵蝕力的年內變化和降雨量年內分配特征一致。因為降雨侵蝕力年內分配的集中程度對于研究土壤侵蝕的季節(jié)變化十分重要，故以連續(xù)6個半月R值和的最大值與年平均R值的比值來表示侵蝕力年內分配的集中程度。香溪河流域10個站集中程度均值為57.8%，表明降雨侵蝕力R值年內分布集中度較大。相對而言鄭家坪站的集中程度最高為61.8%，而峽口站降雨侵蝕力分布最均勻，集中程度為53.9%，其余站點都分布在55%～60%之間。年降雨侵蝕力的分布最集中的時段是從6月下半月到9月上半月(圖4)，該時段的農耕活動和開發(fā)建設要遵循侵蝕力分布規(guī)律，避免侵蝕加劇。

圖3 香溪河流域1971—2010年降雨侵蝕力和年降雨量變化Fig.3 Annual precipitation and annual rainfall erosivity in the Xiangxi River Watershed from 1971 to 2010

表2 香溪河流域各站點降雨量和降雨侵蝕力MK趨勢檢驗結果

圖4 流域各站點半月降雨侵蝕力的年內分布Fig.4 Inter-annual distribution of semi-monthly rainfall erosivity for rain gauges in the Xiangxi River Watershed

4 結論

1)香溪河流域多年降雨侵蝕力變化范圍為2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值為4 535.63 MJ·mm/(hm2·h)。流域降雨侵蝕力最大值位于其西北部，降雨侵蝕力總的變化趨勢從西北向東南逐漸遞減，流域以興山和鄭家坪所在位置為分界線，以西區(qū)域年降雨侵蝕力大，年降雨侵蝕力值隨高程的降低而顯著減?。灰詵|區(qū)域年降雨侵蝕力小，且變化緩慢。

2)各站點年降雨量和年降雨侵蝕力年際變化分別以氣候傾向率和Mann-kendall 2種方法表示時，除了九沖站降雨量有顯著性減小趨勢(α=0.05)、紅花站降雨侵蝕力有明顯減小趨勢(α=0.10)以外，其余站點均沒有顯著的變化趨勢。表明香溪河流域近40多年的降雨量和降雨侵蝕力比較平穩(wěn)，無大的波動。

3)汛期降雨量占全年降雨總量的84%～87%，汛期侵蝕性降雨量占全年侵蝕性降雨總量的 91%～94.2%，汛期降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力的92.6%～95.5%，三者的均值分別是85.4%、92.4%和94%，表明香溪河流域侵蝕性降雨和降雨侵蝕力年內分布較集中。年降雨侵蝕力分布最集中的時段是從6月下半月到9月上半月，此時段的農耕活動和開發(fā)建設要遵循侵蝕力分布規(guī)律，避免侵蝕加劇。

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(責任編輯：程 云)

Temporal and spatial variations of rainfall erosivity in the Xiangxi River watershed of the Three Gorges Reservoir region

Liu Huiying1，Ren Hongyu2，Zhang Changwei2，Zhang Pingcang2

(1. Nanchang Institute of Technology，330099， Nanchang，China; 2.Yangtze River Scientific Research Institute，430012，Wuhan，China)

Based on the daily rainfall data of ten rain gauging stations from 1971 to 2010 in the Xiangxi River watershed of the Three Gorges Reservoir region，we studied the spatio-temporal distribution characteristics of rainfall erosivity estimated with our focus on the annual and inter-annual trends of the rainfall erosivity (R-factor) for the watershed through Mann Kendall nonparametric tests and Kriging space interpolation of Arcgis software. The results are shown as follows. 1) From 1971 to 2010, the annual rainfall erosivity of the watershed changed from 2 465.26 to 7 419.29 MJ·mm/(hm2·h), with an average annual rainfall erosivity of 4 535.63 MJ·mm/(hm2·h). 2) There was a great variation of inter-annual R-factor with the maximum three times greater than the minimum. The intra-annual distribution of rainfall，erosive rainfall and rainfall erosivity were highly concentrated with a single peak, mainly during the period from April to October，accounting for 85.4%, 92.4% and 94% of whole year values, respectively. 3) For the whole Xiangxi River watershed, annual precipitation and rainfall erosivity had no significant tendencies of change over 40 years. 4) The results also showed that the spatial distribution of R in the Xiangxi River Watershed decreased rapidly from the west to the east.

rainfall erosivity； daily rainfall； spatio-temporal distribution； Xiangxi river watershed

2014-09-22

2015-04-07

劉惠英(1973—)，女，講師，博士研究生。主要研究方向：坡面土壤侵蝕和流域水體監(jiān)測。E-mail：jlfx7401@163.com

?通信作者簡介： 張平倉(1961—)，男，教授，博士生導師。主要研究方向：土壤侵蝕。E-mail：zhangpc@mail.crsri.cn

S157.1； TP79

A

1672-3007(2015)03-0001-07

項目名稱： 水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目“長江流域山洪災害區(qū)域特征及防御體系研究”(201301059)；江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室開放基金“贛江上游水沙時空演變及其植被恢復的響應”(JXSB201303)；江西省自然科學基金“贛江流域產匯流參數及水沙變化對LUCC的響應研究”(20132BAB203032)