鄔玉琴, 何太蓉,2, 鐘博星

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶401331; 2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331)

據(jù)《第一次全國水利普查水土保持情況公報》報道[1]，2011年全國土壤侵蝕總面積為2.95×106km2，其中水力侵蝕面積達1.29×106km2，占總侵蝕面積的43.85%，因水土流失引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題較為嚴峻[2]。引發(fā)水土流失的因素較多，如降雨、徑流、坡度、坡長、植被、土壤可蝕性等，而降雨是水土流失產(chǎn)生的主要動力因子，降雨量、降雨歷時和降雨強度也影響著水土流失的強弱程度[3]。因此研究流域降雨特征與輸沙效應(yīng)是水土保持研究工作中的重要內(nèi)容之一，可為流域水土流失防治提供理論依據(jù)。

近年來，基于流域氣象站點長期觀測數(shù)據(jù)，有學者對多個流域降雨特征進行了對比研究。如任國玉等[4]利用降水趨勢系數(shù)和降水傾向率對比分析1951—1996年黃河流域和長江中下游地區(qū)降雨特征，發(fā)現(xiàn)前者夏季降雨量和年均降雨量呈現(xiàn)出微弱下降趨勢，而后者降雨量則顯著增加。陳峪等[5]利用變異系數(shù)和降水傾向率等方法對1956—2000年中國北方流域與南方流域降雨特征進行對比，發(fā)現(xiàn)北方流域降雨量年際變化更大，降雨量更少，因此水資源不僅匱乏而且不穩(wěn)定。也有學者針對特定流域降雨特征的分析。如曾小凡等[6]利用M-K非參數(shù)檢驗、IDW空間插值和EOF(經(jīng)驗正交函數(shù))方法研究了金沙江流域1961—2010年降雨的時空演變特征；唐亦漢等[7]利用Kendall非參數(shù)檢驗和Kriging空間插值揭示了珠江流域1959—2012年不同降雨指數(shù)時空變化及影響。當然，在輸沙效應(yīng)研究方面，也有不少學者對流域輸沙量的影響因素進行了探究。如杜俊等[8]研究了社會經(jīng)濟因子(人口、土地利用、農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、宏觀經(jīng)濟狀況)對長江上游侵蝕產(chǎn)沙格局和強弱的影響。郭小云等[9]分析了呼圖壁河流域降雨、徑流、人類活動對輸沙量的影響。唐麗霞等[10]以遙感影像為數(shù)據(jù)源，研究了清水河流域輸沙量對土地利用變化和降雨量變化的響應(yīng)。綜上，以往關(guān)于輸沙效應(yīng)及其影響因素的分析大多注重于綜合因素的探討，對區(qū)別不同因素的影響強弱研究較少[11]，且將流域降雨特征及輸沙效應(yīng)結(jié)合起來的分析并不多見，二者的關(guān)系研究也相對薄弱。

烏江是長江上游南岸最大的支流，也是三峽水庫最主要的水源補給河流之一[12]。流域內(nèi)喀斯特地貌廣布，加之長年受人為破壞和自然因素的綜合影響，流域內(nèi)水土嚴重流失，生態(tài)環(huán)境脆弱，河流攜沙量較高，部分地區(qū)甚至導致石漠化，這也成為當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的限制性因素[13-15]。目前該流域的相關(guān)研究有植被覆蓋動態(tài)變化[16]、土壤侵蝕現(xiàn)狀及模擬預(yù)測[17-18]、水土流失及防治[19]、水文過程[20]以及流域中上游地區(qū)降雨集中度的變化特征[21]等。但涉及全流域不同時間尺度各降雨要素變化且與輸沙效應(yīng)相結(jié)合的研究尚少見研究報道。鑒于此，本文擬利用烏江流域內(nèi)7個氣象站點(貴陽、遵義、桐梓、安順、畢節(jié)、酉陽、涪陵)的1956—2014年日降雨實測數(shù)據(jù)和流域內(nèi)武隆水文站的輸沙量數(shù)據(jù)，研究烏江流域的降雨特征及其輸沙效應(yīng)，旨在為流域水土保持規(guī)劃、生態(tài)恢復、防災(zāi)減災(zāi)、水資源的合理利用等提供重要理論參考。

1 流域概況

烏江發(fā)源于貴州西部烏蒙山東麓威寧縣境內(nèi)的香爐山[18]，流經(jīng)貴州、重慶兩地，于重慶涪陵注入長江[22]。流域位于22°07′—30°22′N，104°18′—109°22′E[23]，干流全長1 037 km(三岔河源頭起)，流域面積為87 920 km2[22]，全段落差2 123.50 m，年徑流量5.34×1010m3[12]。流域處于云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡帶，地勢東低西高[24]，地形復雜。烏江流域大部分地區(qū)屬于中亞熱帶季風氣候，氣候季節(jié)性明顯[25]。流域內(nèi)年均氣溫在13～18 ℃之間，多年平均降雨量為1 061 mm。降雨年內(nèi)分配不均，有顯著的旱季和雨季之分，汛期5—9月雨量約占全年的72%，其中5—7月約占全年的49%。流域地帶性植被為常綠闊葉林。土壤類型主要為粗骨土、石灰土、黃壤、石質(zhì)土等，其蓄水保土能力較差，易發(fā)生水土流失。全流域總?cè)丝跒? 666萬人，其中90%以上為農(nóng)業(yè)人口。由于受到自然條件和歷史等限制性因素影響，是社會經(jīng)濟發(fā)展欠發(fā)達的地區(qū)之一[26]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用日降雨數(shù)據(jù)取自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),選取了烏江流域內(nèi)7個氣象站1956—2014年的日降雨數(shù)據(jù)，其中極少日數(shù)霧露霜雪形式的日降雨值以0替代。流域出水口輸沙量數(shù)據(jù)來自于《長江泥沙公報》。為了解烏江流域這59 a降雨特征，本文采用以下降雨指標，具體有：①降雨量均值要素，包括年降雨量、年侵蝕性降雨量、汛期(即5—9月)日降雨量、月降雨量。②降雨天數(shù)，包含年降雨天數(shù)、年侵蝕性降雨天數(shù)、汛期降雨天數(shù)、汛期侵蝕性降雨天數(shù)。③降雨侵蝕力。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力的計算方法 侵蝕性降雨為能導致土壤侵蝕的降雨[27]。謝云等[28]在研究中指出徑流小區(qū)的侵蝕性日降雨量標準為12 mm，小流域為10 mm。目前針對大中流域的侵蝕性雨量標準的實證分析尚鮮見報道?；诖?，本文設(shè)定侵蝕性日降雨量標準為10 mm。由于南方地區(qū)降水充沛，以章文波等[29]修正的Richardson以日降雨量估算半月降雨侵蝕力模型計算的效果較好，精度較高。其公式為：

α=21.586β-7.189 1

(1)

式中：α，β——模型參數(shù)。下同。

(2)

式中：Ri——1 a中第i個半月的降雨侵蝕力值〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；d——第i個半月的天數(shù)(d)；Pk——第i個半月內(nèi)第k天的侵蝕性降雨量；K——第i個半月內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)[29]。下同。

β=0.836 3+18.144/Pd+24.455/Py

(3)

式中：Pd——日降雨量大于10 mm的日均降雨量(mm)；Py——日降雨量大于10 mm的年均降雨量(mm)。

根據(jù)公式(1)—(3)可算出逐年各半月的降雨侵蝕力值、逐月降雨侵蝕力值和逐年降雨侵蝕力值。

2.2.2 雙累積曲線 通過在直角坐標系中繪制烏江流域累積輸沙量值與累積降雨侵蝕力值的關(guān)系線，分析了流域降雨侵蝕力與人類活動對輸沙效應(yīng)的影響。根據(jù)輸沙量突變的年份將研究實測時段分為2段(即分為基準期和變化期)，具體分析方法為：

(1) 對基準期的累積降雨侵蝕力和累積輸沙量進行線性回歸得到方程:

∑S=k∑E+b

(4)

式中：∑S——累積輸沙量(106t); ∑E——累積降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;k，b——常數(shù)項。

(2) 其次將各年累積降雨侵蝕力數(shù)據(jù)代入式(1)，可得到各年累積輸沙量理論值，再累減算出基準期年均輸沙量理論值(S基理)和變化期年均輸沙量理論值(S變理)?；鶞势谂c變化期年均輸沙量值理論值之差為降雨侵蝕力變化減沙量(ΔS降)；變化期年均輸沙量理論值與實測年均輸沙量值(S變實)之差為人類活動減沙量(ΔS人)。即：

ΔS降=S變理-S基理

(5)

ΔS人=S變理-S變實

(6)

(3) 為了定量降雨侵蝕力和人類活動對輸沙變化的影響程度，采用貢獻度來表示，其式為：

(7)

式中：V——降雨侵蝕力和人類活動對輸沙變化的貢獻率(%); ΔS——基準期和變化期實測年均輸沙量值之差(t)。

3 結(jié)果與分析

3.1 1956-2014年烏江流域降雨特征

3.1.1 降雨的年際變化特征 經(jīng)計算，烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量的變異系數(shù)分別是0.13，0.15，均屬中等程度變異，且后者的年際變化較前者相比更為劇烈(圖1)。

圖1 烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量的年際變化

由圖1可知，1956—2014年烏江流域年降雨量和年侵蝕性降雨量均呈現(xiàn)波動減少趨勢。59 a間，烏江流域年降雨量在701.76～1 325.48 mm變化，多年平均降雨量為1 060.90 mm。年降雨量最大值出現(xiàn)在1977年，達1 325.48 mm，比均值多25.13%。年降雨量最小值出現(xiàn)在2011年，僅為701.76 mm，比均值少33.85%。全流域年侵蝕性降雨量在479.16～985.87 mm波動，多年均值為759.56 mm，占年降雨量均值的71.60%。年侵蝕性降雨量最大值出現(xiàn)在1977年，比均值多29.80%。但是其最小值比均值少36.91%，且出現(xiàn)年份為2013年，與年降雨量最小值出現(xiàn)年份并不相同?？梢娫?011年降雨量最小，但是侵蝕性降雨并不是最低。另外在1986年，年降雨量較少，但是年侵蝕性降雨量卻相對增加，其原因是該年降雨量雖小，但多以侵蝕性降雨為主。還有在1976和2000年，年降雨量較大，但年侵蝕性降雨量相對較小，這是因為當年降雨多為非侵蝕性降雨。

研究時段內(nèi)，烏江流域年降雨量、年侵蝕性降雨量各年距平值及累積距平值均呈現(xiàn)一定變化規(guī)律(圖2—3)。由圖2可見，年降雨量距平值在-359.14～266.58 mm波動，累積距平值在-138.91～1 699.94 mm波動。烏江流域1956—2014年這59 a年際變化階段(持續(xù)期5 a以上)為：兩個顯著多雨期即1963—1977和1996—2000年。研究時段內(nèi)共有5 a年降雨量偏多160 mm以上，均出現(xiàn)在這2個時期，分別是1964，1967，1977，1996和2000年，其中1977年出現(xiàn)最大距平值，為266.58 mm。且據(jù)資料記載，烏江流域1996年特大洪水年就發(fā)生在1996—2000年時期。3個顯著少雨期即1957—1962，1984—1990和2008—2014年。研究時段內(nèi)共有3 a年降雨量偏少340 mm以上，分別是2009，2011和2013年，均發(fā)生在2008—2014年這一時段。其中烏江流域在2010年3月發(fā)生旱災(zāi)，導致烏江源頭幾乎斷流，烏江重慶段基本斷航。一個顯著降雨穩(wěn)定期即1991—1995年，流域在這個時期降雨變化波動不明顯。且在每個時期都有若干個較小的升降波動。綜上可得，烏江流域在研究時段內(nèi)大致經(jīng)過了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5個時期。

圖2 烏江流域年降雨量距平值及累積距平值年際變化

1956—2014年年侵蝕性降雨量距平值波動與年降雨量非常相似。由圖3可見，年侵蝕性降雨量距平值在-280.37～226.31 mm之間波動，累積距平值在-235.44～1 078.41 mm波動，其年際變化階段與年降雨量距平值和累積距平值年際變化階段一致。即在1963—1977和1996—2000年為累積距平值的上升期。研究時段內(nèi)共有5 a侵蝕性降雨量偏多140 mm以上，均出現(xiàn)在這2個時期，分別是1967，1972，1977，1996和1999年，其中1977年出現(xiàn)最大距平值，為226.31 mm。在1957—1962，1984—1990，2008—2014年為累積距平值的下降期，研究時段內(nèi)共有2 a降雨量偏少250 mm以上，分別是2011，2013年，其中2013年年均侵蝕性降雨距平最低，為-280.37 mm。在1991—1995年為累積距平值的穩(wěn)定期。

圖3 烏江流域年侵蝕性降雨量距平值及累積距平值年際變化

3.1.2 降雨的年代變化特征 從年代尺度上統(tǒng)計的降雨距平百分比結(jié)果看，年均降雨量和年均侵蝕性降雨量均不存在變化顯著時期，距平百分比絕對值均在9.00%以內(nèi)(表1)。由表1可見，烏江流域在1970—1979年，1990—1999年為多雨時期，距平百分比均值分別為6.99%和3.75%，而1956—1959和2000—2014年為少雨時期，其距平百分比均值分別為-0.86%和-8.97%。侵蝕性降雨量的變幅小于年降雨量的變幅。

表1 烏江流域各年代降雨量和侵蝕性降雨量特征

從各年代降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)(表2)結(jié)果看，年均降雨總天數(shù)的變異系數(shù)為0.05，為弱變異，年均侵蝕性降雨總天數(shù)的變異系數(shù)為0.12，為中等變異，說明前者比后者變化更為和緩。據(jù)表2可得，1956—2014年共觀測到降雨總天數(shù)為17 127 d，侵蝕性降雨總天數(shù)為5 579 d，59 a中該流域共有32.57%的降雨為侵蝕性降雨。從年均降雨天數(shù)均值來看，除1990—1999和2000—2014年這2個時期降雨均值低于均值，其余年代均比均值要高。從侵蝕性降雨角度來看，1960s和1970s年均侵蝕性降雨天數(shù)均值分別為100和101 d，且侵蝕性降雨頻率明顯高于其他年代，反之1956—1959和2000—2014年2個時期年侵蝕性降雨天數(shù)均值較少，當然侵蝕性降雨頻率也較低?？傊?，全流域59 a來降雨總天數(shù)年代差異不大，而侵蝕性降雨事件多發(fā)生于1960—1969年和1970—1979年。

表2 烏江流域各年代降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)特征

3.1.3 汛期降雨特征 烏江流域的降雨侵蝕產(chǎn)沙更多地發(fā)生在多雨季即汛期。經(jīng)計算，烏江流域汛期5—9月降雨量約占全年的71.97%，表明在5—9月烏江流域降雨事件頻發(fā)，即主要集中于流域的汛期(表3)。根據(jù)表3分析可知，5—9月，侵蝕性總量為595.32 mm，占總降雨量的80.05%。從5月開始，流域月均降雨量和月均侵蝕性降雨量開始增加，6月達到峰值，其值分別為188.21 mm和154.70 mm，其中月均侵蝕性降雨量占比達82.20%。之后，月均降雨量和月均侵蝕性降雨量開始逐漸減少，9月時降到最低，其值分別為102.20和74.86 mm。

據(jù)統(tǒng)計，5—9月，侵蝕性降雨天數(shù)為64 d，占總降雨天數(shù)的51.76%，說明烏江流域內(nèi)5—9月的降雨多為侵蝕性降雨。由表3可知，6—7月侵蝕性降雨天數(shù)明顯高于其他月份，說明侵蝕性降雨多發(fā)生于6—7月，且6月侵蝕性降雨天數(shù)在總降雨天數(shù)中占比最高，達58.22%，說明6月的降雨大部分為侵蝕性降雨。8和9月降雨天數(shù)都較少，其中9月的降雨天數(shù)和侵蝕性降雨天數(shù)最低，分別為23和9 d，侵蝕性降雨頻率為39.94%，8月次之，分別為25和13 d，侵蝕性降雨頻率為51.21%。

表3 烏江流域年汛期各月降雨特征

綜上，烏江流域汛期降雨以侵蝕性降雨為主，且從5月開始，侵蝕性降雨頻率逐漸增加，6月達到峰值，7月后逐漸下降。這類侵蝕性降雨強度大，除了易誘發(fā)洪澇災(zāi)害之外，由于水分入滲到土壤深層，加劇土壤侵蝕，造成流域內(nèi)的水土流失。

3.2 烏江流域輸沙效應(yīng)分析及其影響因素分析

3.2.1 輸沙效應(yīng)分析 從烏江流域輸沙量累積距平曲線可得流域59 a來的輸沙動態(tài)(圖4)。由圖4可知，烏江流域在1956—1983年為累積輸沙量距平值上升段，在1983—1999，2000—2014年為累積輸沙量距平值下降段。曲線在1956—1983年處于快速上升階段，之后在1983年出現(xiàn)了較顯著的轉(zhuǎn)折點，是累積距平曲線由增加趨勢向減小趨勢轉(zhuǎn)折的拐點，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，烏江流域干流上第一座大型水電站烏江渡在1982年完建，水電站攔沙作用效果明顯，流域輸沙量開始減少。在1988年后，國家在長江中上游地區(qū)相繼實施大規(guī)模水土流失綜合治理、天然林資源保護工程和修建壩庫工程等措施，且國家在1999年開始實施退耕還林還草，受此影響，在2000年后累積輸沙量加速減少。綜上所述，本文明確1983年是烏江流域輸沙量發(fā)生突變的年份。

圖4 烏江流域輸沙量累積距平值變化

3.2.2 烏江流域降雨侵蝕力對輸沙量的影響 通過建立烏江流域輸沙量—降雨侵蝕力雙累積曲線和突變年份前后線性回歸方程(圖5)，估算了降雨侵蝕力對烏江流域輸沙量變化的影響。

根據(jù)穆興民等[30]提到的雙累積曲線方法，經(jīng)計算，得出各年代降雨侵蝕力變化對烏江流域輸沙量變化的影響(表4)。表4表明，1984—1989年，1990—1999年降雨侵蝕力的貢獻率為為15.55%，2.84%和12.49%，1990—1999年降雨侵蝕力對輸沙變化的影響程度最低。

表4 各年代降雨侵蝕力對烏江流域輸沙量變化的影響

圖5 烏江流域輸沙量-降雨侵蝕力雙累積

3.2.3 烏江流域人類活動對輸沙量的影響 流域的侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸移除受流域降雨影響外，還受到諸如水利工程建設(shè)、水土保持、河道采砂、開發(fā)項目建設(shè)等人為因素的影響。根據(jù)研究時段內(nèi)相關(guān)政策變化(表5)，在1956—1983年期間烏江流域內(nèi)一些如道路交通、工礦等國家基礎(chǔ)工程的建設(shè)，由于人口數(shù)量增加所帶來的土地利用和開發(fā)活動將越來越多，由此導致流域輸沙量增多[31]，但此時期的輸沙量變化主要由流域降雨侵蝕力引起。

而1984—2014年烏江流域輸沙量主要受人類活動影響，1984—1989，1990—1999和2000—2013年人類活動對輸沙變化的貢獻率為84.45%，97.16%，87.54%，1990s人類活動對輸沙變化的影響程度最大，原因在于后期流域內(nèi)水土保持工作的有序開展和大型水利工程的修建，如1988年長江上游水土保持工程，1999年國家退耕還林等工程的實施，且烏江流域是國家確定的十三大水電基地之一，流域內(nèi)修建了大量水利水電工程，并于2013年流域水電梯級開發(fā)全面完工，這些水利水電工程有力攔蓄了烏江流域的絕大部分來沙，對減少武隆站輸沙量起到顯著的控制作用，這些都導致1984—2014年河流輸沙量較之前年份大幅下降。

表5 烏江流域1956-2014年相關(guān)政策變化

4 結(jié) 論

(1) 在1956—2014年，年侵蝕性降雨量的年際變化較年降雨量的年際變化相比更為劇烈。研究時段內(nèi)烏江流域大致經(jīng)歷了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5個階段，其中侵蝕性降雨年際變化階段跟年降雨年際變化階段一致。

(2) 從降雨年代變化上看，在1956—2014年，烏江流域在1970—1979，1990—1999年為多雨時期。流域內(nèi)59 a中約有32.57%的降雨為侵蝕性降雨，且多發(fā)生于1960—1979年。

(3) 烏江流域的年內(nèi)降雨主要發(fā)生流域汛期，其中5—7月降雨最為集中，在6月達到峰值，且多為侵蝕性降雨，之后開始減少。因此在汛期應(yīng)注意防洪減災(zāi)和由于土壤入滲加劇造成的水土流失問題。

(4) 在整個研究時段，根據(jù)烏江流域輸沙量和降雨侵蝕力雙累積曲線方程計算所得，1984—1989年，1990—2013年降雨侵蝕力的貢獻率為15.55%，2.84%，12.46%，人類活動的貢獻率為84.45%，97.16%，87.54%，1990—1999年人類活動對輸沙變化的影響程度最大。1990—1999年降雨侵蝕力對輸沙變化的影響程度最低。

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