劉惠英,王永文,張平倉

(1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌　330099； 2.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢　430010)

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三峽庫區(qū)龍河流域降雨侵蝕力的時空分布特征

劉惠英1,王永文1,張平倉2

(1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌330099； 2.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢430010)

摘要：為詳細(xì)研究三峽庫區(qū)龍河流域降雨侵蝕力的時空分布特征，根據(jù)流域及其周邊共12個雨量站連續(xù)41 a(1970—2010年)的日降雨資料，按照降雨侵蝕力簡易模型，對龍河流域降雨侵蝕力年內(nèi)分配和年際變化規(guī)律進(jìn)行了計算和分析。研究表明：龍河流域多年侵蝕力變化范圍為2 031.47～10 927.57 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值為4 662.00 MJ·mm/(hm2·h)；流域年降雨侵蝕力總體趨勢為由東北向西南遞減，侵蝕力高值區(qū)在黃水和悅來場一帶，低值區(qū)位于廖家壩站附近。流域年降雨和年降雨侵蝕力年內(nèi)分布較集中，汛期降雨、汛期降雨侵蝕力分別占全年比重的78.43%和78.56%；流域侵蝕力分布最集中時段為5—7月份。龍河流域4站M-K統(tǒng)計值Z值均>0，其降雨侵蝕力為增加趨勢；其余3站Z值均<0，其降雨侵蝕力為減小趨勢；但所有站點的Z值都沒有通過α=0.05的顯著性水平檢驗。1970—2010年間，對整個流域而言，降雨侵蝕力減小趨勢不顯著，降雨量增加趨勢不顯著。

關(guān)鍵詞：降雨侵蝕力；日降雨量；時空分布；龍河流域；三峽庫區(qū)

1研究背景

降雨侵蝕力是引起土壤侵蝕的主要動力因素，其量化指標(biāo)為降雨總動能E與其最大30 min的雨強(qiáng)I30的乘積EI30。降雨侵蝕力既是評價水力侵蝕區(qū)土壤侵蝕潛在危險性和程度的理論依據(jù)，也是通用土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)模型應(yīng)用的基本參數(shù)。該因子能夠準(zhǔn)確建立降雨侵蝕力的表述形式及量化關(guān)系，合理計算一個區(qū)域的降雨侵蝕力值是土壤侵蝕定量預(yù)報和風(fēng)險評價的重要內(nèi)容之一。

三峽庫區(qū)是長江上游4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(chǎn)生的泥沙直接入庫，庫區(qū)水土保持治理，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，而且可為庫區(qū)水土流失預(yù)測提供參考，為水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。Wischmeier等[1]在1958年提出的EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，他同時指出，由于該指標(biāo)是通過統(tǒng)計分析得到，應(yīng)至少有20 a以上的降雨資料才能保證計算精度[1-2]。王萬忠等[3]的研究表明EI30也同樣適用于我國，但根據(jù)EI30經(jīng)典算法，很難獲得每次降雨的30 min雨強(qiáng)I30和降雨動能E。國內(nèi)外許多學(xué)者嘗試?yán)脷庀笳菊幍某Ｒ?guī)降雨資料建立降雨侵蝕力的簡易計算模型[4-9]，較常見的是利用氣象站的日降雨量、月降雨量和年降雨量等常規(guī)降雨資料計算降雨侵蝕力，相關(guān)研究表明以日降雨量資料計算的多年平均降雨侵蝕力精度最高[9]。Richardson等[10]的冪函數(shù)結(jié)構(gòu)形式的日雨量侵蝕力模型得到了許多學(xué)者的進(jìn)一步認(rèn)證，章文波等[8]在修正的日降雨侵蝕力模型基礎(chǔ)上提出了我國計算多年降雨侵蝕力的模型并取得了較好的效果。謝云等[4]利用陜北團(tuán)山溝徑流場資料得到了侵蝕性降雨的日雨量標(biāo)準(zhǔn)，對降雨侵蝕力的計算具有重要的意義。

在三峽庫區(qū)，許多學(xué)者[11-17]對降雨侵蝕力進(jìn)行了一些卓有成效的研究，取得了一些令人滿意的成果。但研究在2方面還需改進(jìn)：計算降雨侵蝕力采用的數(shù)據(jù)周期過短和采用的測站數(shù)量過少。閆業(yè)超等[18]的研究表明，降雨資料的時序長度對侵蝕力R平均值的估計置信度有顯著影響。目前三峽水庫區(qū)間的研究在這2方面都不盡如人意。吳昌廣、汪言在和張家其等[11-13]在研究整個三峽水庫區(qū)間侵蝕力時，分別只用了7,4,5個站日降雨資料；花利忠等[14]研究庫區(qū)支流大寧河時，雖然選擇了流域內(nèi)11個站點，但也只用了8 a的降雨資料；史東梅、繆馳遠(yuǎn)和張革[15-17]分別在研究涪陵、重慶主城區(qū)和香溪河流域時，也各只用了1個站的資料。龍河流域所處的渝東—鄂西地區(qū)是中國17個生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域之一，備受全世界關(guān)注[19-20]。流域因地處三峽庫區(qū)腹心地帶，移民和城鎮(zhèn)的搬遷對土地利用擾動強(qiáng)烈，水土流失受人類活動影響較大[21]。對龍河流域單獨研究未見公開報道，三峽庫區(qū)研究亦未涉及龍河流域任何降雨站點，故對該流域進(jìn)行分析研究，顯得尤為迫切和必要。本文采用章文波等[8-9]建立的半月算法，利用龍河流域及周邊12個雨量站點連續(xù)41 a日降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合克里格插值在ARCGIS軟件支撐下對流域侵蝕力的時空格局進(jìn)行研究，為流域水土流失治理和水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

表1　龍河流域雨量站位置信息和年降雨特征Table l　Location of rain gauging stations in Longhe River watershed and corresponding rainfall characteristics

2研究區(qū)概況

圖1　龍河流域地理位置及雨量站分布

龍河位于三峽庫區(qū)中部(圖1)，是長江右岸的一級支流。流域東靠湖北省利川市，南與彭水縣和武隆縣交界，且與涪陵區(qū)毗鄰，北接萬州區(qū)和忠縣。地勢總體呈西北低東南高，呈起伏式下降。龍河流域順北東、南西相近平行排列的七耀山和方斗山縱貫全流域，形成“兩山夾一槽”的地貌特征。地形多為山地，河谷處較為平坦，是三峽庫區(qū)的重點治理區(qū)之一。全流域包括石柱縣、豐都縣的28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。干流全長140 km，流域面積2 910 km2，其中石柱縣境內(nèi)干流長80.6 km，流域面積1 485 km2。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，時空分布不均；流域支流眾多，為典型的山地冷水急流型河流，小型水庫眾多，因截流和雨季變化造成部分河流部分時段斷流。龍河流域水土流失面積1 863.92 km2(石柱境內(nèi)面積977.63 km2，豐都境內(nèi)面積886.29 km2)。流域坡耕地面積較大，再加上地理條件及河流特性的影響，水土流失十分嚴(yán)重。由于嚴(yán)重的水土流失，植被和土壤對小氣候調(diào)節(jié)的功能被削弱，加劇了自然災(zāi)害的危害。同時大量的水土泥沙通過龍河間接進(jìn)入長江，加劇了局部河段水質(zhì)污染[21]。

3資料和方法

3.1數(shù)據(jù)來源

本研究共涉及1970—2010年12個雨量站：流域內(nèi)7個，流域外5個。本文所用降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自長江水利委員會編撰的水文年鑒。文中所涉及的流域面雨量和流域降雨侵蝕力為流域內(nèi)7個雨量站按泰森多邊形計算所得。流域內(nèi)雨量站基本信息見表1。

3.2降雨侵蝕力的計算

在我國由于研究區(qū)域和尺度不同，侵蝕性降雨有多個標(biāo)準(zhǔn)，普遍采用的日侵蝕性降雨為12 mm/d或10 mm/d。為便于不同數(shù)據(jù)時限及不同數(shù)量站點的研究成果對照，本文將侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)定為≥12 mm/d[4]。算法采用半月時段計算模型[8-9]計算，即

(1)

式中:Rk表示第k個半月的降雨侵蝕力(MJmm/(hm2h))；Pdi表示第k個半月的日侵蝕性降雨(mm)；j表示第k個半月的日數(shù)，j=13,14,15,16；a和b是反映當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯哪Ｐ蛥?shù)，計算公式如下：

(2)

(3)

式中Pd12和Py12分別表示日雨量≥12 mm的日平均雨量及年平均雨量。

3.3分析方法

3.3.1氣候傾向率

氣候傾向率在1988年被英國學(xué)者Jones[22]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(guān)注和推廣，被用來研究降水、溫度等氣象要素的變化趨勢。氣候傾向率指每10 a氣候要素平均變化的絕對值：把氣候要素表示為時間的線性函數(shù)，即在計算侵蝕力變化趨勢時，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(shù)α(α為降雨侵蝕力變化速率)，正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減小趨勢，要素的變化則可用一次線性方程表示，即

(4)

文中以線性回歸系數(shù)α的10倍作為降雨侵蝕力的氣候傾向率，β為回歸系數(shù)。

3.3.2Mann-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(shù)檢驗方法。非參數(shù)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(shù)異常值的干擾，更適合用于類型變量和順序變量，廣泛應(yīng)用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析中，詳細(xì)方法參見文獻(xiàn)[23]。

降雨侵蝕力的平均值、方差、變異系數(shù)及相關(guān)性等描述性統(tǒng)計特征采用統(tǒng)計軟件SPSS計算，在軟件ARCGIS10.2中采用克里格插值方法對年降雨量和年侵蝕力進(jìn)行空間插值。

4結(jié)果和分析

4.1年降雨量和年降雨侵蝕力的時間變化特征

4.1.1降雨侵蝕力年內(nèi)變化

1970—2010年間，龍河流域7個雨量站半月侵蝕力值年內(nèi)分布曲線呈雙峰型(圖2)，峰值分別在6月份下半月和7月份下半月，占全年比例分別為13.32%和13.38%。4—9月份為長江流域的汛期，7個站點的汛期降雨占了全年降雨的78.14%～80.28%，汛期降雨侵蝕力占了全年侵蝕力的87.20%～90.99%，表明龍河流域降雨、降雨侵蝕力年內(nèi)分布較集中，各站點降雨侵蝕力的年內(nèi)變化和降雨年內(nèi)分配特征一致(圖3)。降雨侵蝕力的年內(nèi)分配對于分析侵蝕力的季節(jié)性變化非常重要，通常以連續(xù)6個半月的最大R值與年平均R值的百分比來表示降雨侵蝕力年內(nèi)分配的集中程度。年侵蝕力分布最集中的時段是從5—7月份(半月編號9-14)(圖2)，7個站降雨侵蝕力集中度均值為55.52%，降雨侵蝕力R值年內(nèi)分配集中度較大。悅來場站的集中度相對最高為57.13%，石柱站集中度相對最低為54.33%，其余各站集中度都分布在54.5%～57.5%。5—9月份降雨侵蝕力均高于相應(yīng)降雨量(圖3)。流域內(nèi)7個站點中悅來場的降雨侵蝕力年際變化最大，其極值比高達(dá)13.11；其次為橋頭站極值比為10.52；廖家壩極值比最小為3.86；其余4站除橋頭外極值比在3～7。

圖2　流域各站點半月降雨侵蝕力的年內(nèi)分布

圖3　多年平均各月降雨及降雨侵蝕力百分比

4.1.2流域侵蝕力的年際變化

流域年降雨量在734.25～1 594.25 mm，多年均值為1 101.07 mm。由圖4可以看出，龍河流域降雨量與侵蝕性降雨量年際變化曲線的峰值和谷值出現(xiàn)年份均吻合，且曲線變化一致，即降雨侵蝕力和降雨量的年際變化趨勢基本一致。1982年降雨出現(xiàn)最大值為1 594.25 mm，比均值多42.78%；2001年出現(xiàn)最小值，僅為734.25 mm，為均值的66.76%。全流域侵蝕性降雨量均值為771.13 mm，占流域年降雨總量的69%。但在1973和2010年年降雨量較大而年侵蝕力相對減小，這是由于降雨較大但多為非侵蝕性降雨量；1978年降雨總量較小而降雨侵蝕力變化不大，是因為1978年降雨多以>12 mm 的侵蝕性降雨形式出現(xiàn)導(dǎo)致。

圖4　龍河流域1970—2010年降雨侵蝕力 和年降雨量變化曲線

流域各站點的降雨侵蝕力氣候傾向率均表現(xiàn)為負(fù)氣候傾向率，即隨時間降雨引起土壤侵蝕的能力在減小，其中以悅來場的減小速率最大，每10 a減小量為1 453.3 MJmm/(hm2h)；橋頭站氣候傾向率每10 a減小量為652.67 MJmm/(hm2h)。流域年降雨和年降雨侵蝕力Mann-kendall趨勢檢驗參數(shù)統(tǒng)計值Z[23]在顯著性水平α=0.05下的(|u1-0.05/2|=1.96)統(tǒng)計值分別為1.63和-0.53，即兩者的變化趨勢均不顯著，和氣候傾向率結(jié)果一致，但是降雨和降雨侵蝕力的變化趨勢都一致。以上結(jié)果表明流域年降雨和年侵蝕力變化存在一定的隨機(jī)波動，但無顯著性地區(qū)域氣候趨勢。

4.2年降雨量和年降雨侵蝕力的空間變化特征

4.2.1空間分布

在龍河流域，降雨量自東北向西南逐漸減小(圖5(a))，降雨低值中心出現(xiàn)在廖家壩一帶，其多年平均降雨量為920 mm左右；高值中心出現(xiàn)在黃水站和悅來場站,多年降雨量均值分別達(dá)到1 290 mm和1 200 mm。流域中部橋頭、蠶溪和石柱站之間降雨量等值線稀疏,相鄰區(qū)域降雨量差異較小，較大范圍內(nèi)降雨量分布在1 100～1 120 mm。流域北部的黃水到橋頭、流域中南部的石柱到廖家壩等值線相對密集，相鄰區(qū)域間降雨量差異較大。

龍河流域降雨侵蝕力R值空間分布特征與流域降雨量分布相似，同樣自東北向西南逐漸減小(圖5(b))，其低值中心出現(xiàn)在廖家壩站，R值僅為3 340.29 MJ·mm/(hm2·h·a)，高值中心出現(xiàn)在黃水站和悅來場站中間偏北部位，R值超過6 300 MJ·mm/ (hm2·h·a)。R值等值線自東北向西南逐漸變得稀疏，以蠶溪站為界越到西南部R值差異變小。

圖5　龍河流域多年(1970—2010)平均降雨侵蝕力

4.2.2侵蝕力的空間變化

1970—2010年，流域各站點降雨侵蝕力R均值分布范圍3 340.29～6 570.09 MJ·mm/ (hm2·h·a)，最大值在悅來場站取得，最小值在廖家壩站取得；各站點多年降雨侵蝕力R的最大值分布在5 522.78～18 309.52 MJ·mm/ (hm2·h)之間，最小值分布在1 432.46～2 962.63 MJ·mm/ (hm2·h)之間，最大值于1982年在悅來場站取得，最小值于2001 年在廖家壩站取得。整個流域的降雨侵蝕力變異系數(shù)為0.76，屬中等程度變異。流域各站降雨侵蝕力R值變差系數(shù)在0.60～2.64之間, 悅來站最大為2.64。其中悅來、橋頭和石柱3站變差系數(shù)均超過1，為強(qiáng)變異，其余4站變異系數(shù)在0.60～1.00之間，為中等程度變異。

流域內(nèi)各站點降雨侵蝕力的變化趨勢不一致：黃水、悅來、蠶溪和廖家壩站Z值均>0，其降雨侵蝕力為增加趨勢；沙子、石柱和橋頭站Z值均<0，其降雨侵蝕力為減小趨勢；但所有站點的Z值都沒有通過α=0.05的顯著性水平檢驗。橋頭、蠶溪、石柱和廖家壩站降雨侵蝕力的變化趨勢和降雨一致，但在黃水站和悅來站年降雨為減小趨勢，而侵蝕力呈為增加趨勢，沙子站則表現(xiàn)為年降雨增加而侵蝕力減小(見表2)。

表2　龍河流域各站點年降雨及降雨侵蝕力 Mann-Kendall統(tǒng)計值ZTable 2　Mann-Kendall statistical value Z of annual precipitation and rainfall erosivity at each gauging station in Longhe River watershed

5結(jié)論

本文采用日降雨侵蝕力簡易模型對三峽庫區(qū)龍河流域降雨侵蝕力的空間分布進(jìn)行了分析，重點闡述了流域侵蝕力的年內(nèi)、年際變化特征及空間分布，主要結(jié)論如下：

(1) 龍河流域多年降雨侵蝕力在2 031.47～10 927.57 MJmm/( hm2h )，多年均值為4 660.93 MJmm/( hm2h)。流域降雨增加趨勢和流域降雨侵蝕力(α=0.05)的減小趨勢均不顯著。流域降雨侵蝕力年內(nèi)分布較集中，汛期降雨占了全年降雨的78.14%～80.28%，汛期降雨侵蝕力占了全年侵蝕力的87.20%～90.99%，侵蝕力分布最集中的時段為5—7月份，在該時段應(yīng)注意農(nóng)耕活動和開發(fā)建設(shè)，避免侵蝕加劇。

(2) 龍河流域降雨侵蝕力值空間分布與降雨量空間分布相似,R值自東北向西南逐漸遞減, 侵蝕力等值線自東北向西南逐漸稀疏,越到流域西南部值差異越小。低值中心出現(xiàn)在廖家壩,為3 340.29 MJ·mm/(hm2·h·a),高值區(qū)分布在悅來站附近，為6 570.09 MJ·mm/(hm2·h·a)。

(3) 1970—2010年,龍河流域的7個站點中: 黃水、悅來、蠶溪和廖家壩站Z值均<0，其降雨侵蝕力為增加趨勢；沙子、石柱和橋頭站Z值均<0，其降雨侵蝕力為減小趨勢；但所有站點的Z值都沒有通過α=0.05的顯著性水平檢驗。整個流域的降雨侵蝕力呈減小趨勢，但是流域降雨為增加趨勢。

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(編輯：曾小漢)

收稿日期：2015-01-04；修回日期：2015-02-15

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201201048)；長江科學(xué)院開放基金項目(CKWW2013218)；江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室開放基金項目(JXSB201303)

作者簡介：劉惠英(1973-)，女，陜西鳳翔人，講師，博士研究生，主要從事坡面土壤侵蝕和流域水體監(jiān)測方面研究，(電話)18022384520(電子信箱)huiyingliu@nit.edu.cn。 通訊作者：張平倉(1961-)，男，陜西渭南人，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕研究，(電話)13907174727(電子信箱)zhangpc@mail.crsri.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150005

中圖分類號：S157.1；TV79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0022-05

Temporal-spatial Variations of Rainfall Erosivity of Longhe RiverWatershed in Three Gorges Reservoir Region

LIU Hui-ying1，WANG Yong-wen1， ZHANG Ping-cang2

(1.School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology,Nanchang330099, China; 2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:According to daily rainfall records in 41 consecutive years (1970-2010) at twelve stations of Longhe River watershed in the Three Gorges Reservoir Region, we calculated and analysed the intra-annual distribution and inter-annual variation of rainfall erosivity by using a simplified model of rainfall erosivity. During 1970-2010, the annual rainfall erosivity (R-factor) of Longhe river watershed varied from 2031.47 to 10 927.5 MJ·mm/(hm2·h), with an average of 4 662.00 MJ·mm/(hm2·h). The spatial distribution of erosive rainfall and rainfall erosivity were in accordance with the elevation, decreasing from northeast to southwest. The rainfall and rainfall erosivity of wet season were highly concentrated, accounting for 78.43% and 78.56%, respectively. Erosive rainfall concentrated in May-July. The Mann-Kendall statistical value Z of annual rainfall erosivity at all stations were inconsistent and insignificant (α=0.05) over 41 years, only at three stations such trend was deceasing, at the other four stations the trend was increasing at the same time. For the whole watershed, the change of R value was incompatible with the variation of rainfall, and showed an insignificant trend of decreasing over 41 years.

Key words:rainfall erosivity；daily rainfall；spatio-temporal distribution；Longhe River watershed；Three Gorges Reservoir Region

2016,33(04):22-26,38