周 琳, 許武成, 尹義星

(1.西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院, 四川 南充 637009; 2.南京信息工程大學(xué) 水文氣象學(xué)院, 南京 210044)

降雨侵蝕力(簡稱R值)是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是通用土壤流失方程(USLE)及其修正模型(RUSLE)中6大基本因子之一。自Wischmeier等[1]1958年首次明確提出降雨侵蝕力R指標(biāo)EI30后，該指標(biāo)在研究領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用且其他新形式的R指標(biāo)又被其他學(xué)者提出來。我國是從20世紀(jì)80年代開始對降雨侵蝕力進(jìn)行研究，借鑒于國外R指標(biāo)EI的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合我國實(shí)際情況，提出了適合各個地區(qū)的R指標(biāo)，如E60I10[2]、E60I30[3]、EI60[4]等。但以上R指標(biāo)的計(jì)算都需要以連續(xù)長期的降雨過程資料為基礎(chǔ)，但在許多國家和地區(qū)這類資料實(shí)難獲得，并且資料整理異常繁瑣，因此國內(nèi)外學(xué)者開始探尋一種更為簡易的算法，如Yu[5]、Mikhailova[6]、Renard[7]、黃炎和[8]、馬良[9]等先后建立了基于年、月、日降雨資料的R值計(jì)算模型。但月或年降雨資料比較粗略，用來估算R值的精度明顯會受到一定的限制，章文波等[10]利用不同類型的降雨量資料進(jìn)行降雨侵蝕力分析，得出的結(jié)果是日降雨量計(jì)算R值的精度最高，隨后章文波的日降雨量模型被廣泛運(yùn)用于各地R值的估算研究[11-14]。

四川省是我國土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，目前關(guān)于四川省降雨侵蝕力的研究已有不少報(bào)道[11-15]，但以往研究對于四川省降雨侵蝕力的時空分布特征和變化趨勢都沒有一個綜合性的研究和評述。因此本研究基于軟件ArcGIS 10.3和收集到的四川省及其相鄰省份近61 a的日雨量數(shù)據(jù)，全面綜合地對四川省降雨侵蝕力的增減趨勢及時空分布特征進(jìn)行分析探討，以期為四川省的水土保持規(guī)劃和防治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省地理位置處在東經(jīng)97°21′—108°33′和北緯26°03′—34°19′，東鄰重慶，北連青海、甘肅、陜西，南接云南、貴州，西銜西藏，轄區(qū)面積48.4萬km2。地勢西高東低，西部為高原、山地，東部為盆地、丘陵，由于地貌和地理緯度的原因，氣候地帶性和垂直方向變化明顯，高原山地氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候并存，因此四川省降雨時空分布極其不均，四川盆地年降雨量1 000～1 200 mm,川西南山地年降水量900～1 200 mm,川西高原年降水量500～900 mm，年內(nèi)降雨主要集中于夏季，冬季最少。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的降雨數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國194個基本、基準(zhǔn)地面氣象站20時—20時逐日降雨量，為了使研究區(qū)域數(shù)據(jù)有效性更高，進(jìn)行對站點(diǎn)的篩選，最終收集了四川及其相鄰省份云南、青海、陜西、甘肅、重慶5省(市)共22個有效氣象站的20時—20時逐日降雨資料(圖1)。因有4個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)時長并沒有61 a，且各個站點(diǎn)存在局部數(shù)據(jù)缺測的現(xiàn)象，故本文遵循歐洲氣候評估采用的標(biāo)準(zhǔn)[16]：(1) 數(shù)據(jù)大于40 a；(2) 數(shù)據(jù)總?cè)笔什桓哂?0%；(3) 每年數(shù)據(jù)缺失不超過20%或連續(xù)超過3個月。對于缺測數(shù)據(jù)，取缺測前后兩天均值進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1 降雨侵蝕力模型的計(jì)算方法 本研究采用的是章文波等[17]的日雨量估算半月降雨侵蝕力簡易模型。該模型定義如下：

(1)

式中：Ri是第i個半月時段的侵蝕力值[MJ·mm/(hm2·h)]，半月時段以每月前15 d為一個半月時段，月剩余天數(shù)為另一個半月時段，全年劃分為24個時段；k表示半月時段內(nèi)的天數(shù)；Pj表示半月時段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量，要求日雨量≥12 mm，否則以0計(jì)算，閾值12 mm與中國侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)一致[18]，即取日雨量≥12 mm作為侵蝕性降雨。

公式(1)中的α,β為待定模型參數(shù)，通過對研究內(nèi)的每一個氣象站點(diǎn)的日雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，從而得其參數(shù)值，不同氣象站點(diǎn)參數(shù)取值不同，具體計(jì)算如下；

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

式中：Pd12和Py12分別為日雨量≥12 mm的日平均雨量和年平均雨量。

利用公式(1)—(3)便可計(jì)算出逐年各半月的降雨侵蝕力，經(jīng)匯總、平均得到年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力。然后采用Kriging插值法進(jìn)行空間插值。據(jù)陳東東等[11]研究表明，四川省地區(qū)利用普通Kriging插值方法，選取球狀模型，得到的年R值結(jié)果最優(yōu)。

1.3.2 分析方法 本文對降雨侵蝕力的時空分析主要采取變異系數(shù)Cv[19]、距平百分率和滑動平均[20]，對降雨侵蝕力的變化趨勢分析主要采取趨勢系數(shù)[21]和氣候傾向率[22]等分析方法。

2 R值估算精度驗(yàn)證

針對R值估算精度的驗(yàn)證，本研究借鑒于文獻(xiàn)[12]中的對比方法來進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)楸狙芯窟x取的是章文波的日降雨量簡易模型，故選取的對比研究結(jié)果也是基于該模型計(jì)算出的R值，具體詳見表1。從表1中可看出，共選出四川省研究區(qū)域內(nèi)5個氣象站來進(jìn)行驗(yàn)證，每個站點(diǎn)的本文R值與前人R值相差不大，甚至西昌[23]、九龍[23]和萬源[24]3個氣象站的對比值結(jié)果異常接近?？梢姳狙芯坑?jì)算出的R值結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)果與分析

3.1 年均降雨侵蝕力空間分布分析

圖2分別展示了四川省近61 a來的平均R值、平均降雨量、平均侵蝕性降雨量的空間分布特征，值變化范圍R值主要在201～8 650 MJ·mm/(hm2·h·a)，侵蝕性降雨量主要在86～951 mm，降雨量主要在344～1 235 mm。表2統(tǒng)計(jì)了四川省內(nèi)研究站點(diǎn)降雨信息及R值，通過線性回歸擬合R值與降雨天數(shù)、侵蝕性降雨日數(shù)以及降雨強(qiáng)度(總降水量/總降雨天數(shù))的相關(guān)性，得出降雨天數(shù)(r=0.503)<侵蝕性降雨天數(shù)(r=0.751)<降雨強(qiáng)度(r=0.886)，足見R值與降雨強(qiáng)度和侵蝕性降雨天數(shù)呈顯著相關(guān)，與降雨天數(shù)相關(guān)性并不強(qiáng)。因此對R值空間分布特征主要通過降雨強(qiáng)度和侵蝕性降雨天數(shù)來分析。

表1 四川省R值估算精度對比

從圖2可以看出，三者的空間分布特征總體上都是從東南向西北呈階梯狀逐漸降低，三者的高、低值區(qū)分布也大致相似，不難發(fā)現(xiàn)三者的空間值分布特征呈現(xiàn)出四川盆地>川西南山地>川西高原，同時在表2中，侵蝕性降雨日數(shù)區(qū)域站點(diǎn)均值也呈四川盆地(23 d)>川西南山地(20 d)>川西高原(16.7 d)，降雨強(qiáng)度區(qū)域站點(diǎn)均值同樣呈四川盆地(7.3 mm/d)>川西南山地(5.8 mm/d)>川西高原(4.7 mm/d)，足見四川盆地和川西南山地是R值高值區(qū)，低值區(qū)主要在川西高原，尤其是川西高原西北區(qū)域。圖2中三者空間分布范圍呈現(xiàn)出明顯的差異特征，這從表2中可得出解釋，降雨天數(shù)多的站點(diǎn)，其侵蝕性降雨天數(shù)和降雨強(qiáng)度值并不高，例如松潘降雨天數(shù)高達(dá)167.4 d，但其侵蝕性降雨天數(shù)僅14.9 d，降雨強(qiáng)度4.28 mm/d，R值778.67 MJ·mm/(hm2·h·a)；侵蝕性降雨天數(shù)和降雨強(qiáng)度值最高站點(diǎn)，其R值也不一定是最高值，例如，站點(diǎn)中侵蝕性降雨天數(shù)、降雨強(qiáng)度均為最大值的會理(29.2 d，9.38 mm/d)，R值6 249.93 MJ·mm/(hm2·h·a)，對比R值最高的萬源站點(diǎn)[8 666.45 MJ·mm/(hm2·h·a)]，其侵蝕性降雨天數(shù)(27.9 d)、降雨強(qiáng)度(9.31 mm/d)均次于會理。以上說明降雨侵蝕力不僅受降雨量、侵蝕性降雨天數(shù)、降雨強(qiáng)度等的影響，還受其他因素制約，例如地理位置、地表形態(tài)、地表植被覆蓋、土壤狀況、土地利用以及當(dāng)?shù)氐乃帘３执胧┑取?/p>

3.2 降雨侵蝕力時間變化分析

3.2.1 降雨侵蝕力年際變化特征 圖3分析了四川省1955—2015年R值和降雨量的年際變化。采用線性回歸法對R值和降雨量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明二者呈極顯著正相關(guān)(r=0.893，p<0.01)。從圖3可看出，四川省的年R值和年降雨量整體變化規(guī)律幾乎一致且年際波動幅度都較大，其中1974年的R值高至5 087.88 MJ·mm/(hm2·h·a)，降雨量高至1 097.09 mm,是研究期內(nèi)年降雨侵蝕力和年降雨量最高的年份，而降雨侵蝕力和降雨最低年值并不在同一年，分別在1977年[2 470.53 MJ·mm/(hm2·h·a)]和1972年(760.09 mm)，但也有異常年份,從圖3中可看出：(1) 在1970年、1988年、2004年、2014年，降雨量呈上升趨勢，其降雨侵蝕力卻呈下降趨勢；(2) 在1991年、2002年、2013年出現(xiàn)降雨量減少，降雨侵蝕力增加的現(xiàn)象。以上異常其原因可歸結(jié)于不同時期的降雨特性和降雨侵蝕力動能構(gòu)成因素[25]。通過繪制R值5 a滑動平均曲線，發(fā)現(xiàn)近61 a來R值變化呈顯著性增加趨勢(r=0.337,p<0.01)，每年增值為53.64 MJ·mm/(hm2·h·a)。

表2 省內(nèi)研究站點(diǎn)降雨信息及R值統(tǒng)計(jì)

圖2 四川省R值、降雨量、侵蝕性降雨量分布

圖3 四川省1955-2015年降雨侵蝕力和降雨量年際變化

為了進(jìn)一步分析四川省降雨侵蝕力地域性的年際變化特征，采用變異系數(shù)通過Kriging插值成圖來展示分析。從圖4中可看出，四川省R值變異系數(shù)變化范圍主要在0.278～0.686，均值為0.34，屬于中等變異，與劉斌濤[12]、段文明[24]等研究結(jié)論具有較好的一致性；其分布特征總體上從北向南逐漸降低；甘孜州西北部的石渠縣是變異系數(shù)高達(dá)0.6以上的高值區(qū)，說明該地降雨侵蝕力年際波動幅度大，需要注意該地區(qū)的土壤侵蝕防護(hù)工作；川西南山地是變異系數(shù)0.3以下的低值區(qū)，同理該區(qū)域降雨侵蝕力年際變化小，年際波動平穩(wěn)。變異系數(shù)南北地域差異如此明顯，這可能與地形和氣候相關(guān)，前者地處川西高原，地勢高，降雨量少，后者處于山地，地勢起伏小，降雨量充沛。

3.2.2 降雨侵蝕力年內(nèi)分布特征 由圖5可看出，四川省月R值、月降雨量和月侵蝕性降雨量的年內(nèi)分布規(guī)律較相似，呈單峰型，主峰均集中在6—9月份，最大值也都出現(xiàn)在7月，并以7月為峰頂向兩側(cè)逐漸降低。其中6—9月的R值、侵蝕性降雨、降雨量分別占全年值的81.7%，79%，68.9%，最大7月R值、侵蝕性降雨量、降雨量分別占全年的27.7%，24.7%，20.4%。降雨侵蝕力是由侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)以上的降雨引起的[26]，因此出現(xiàn)了6—9月降雨侵蝕力占比高于相應(yīng)月降雨量占比，而其對應(yīng)月的侵蝕性降雨占比也明顯高于降雨量占比。反觀其余月份，降雨量占比>侵蝕性降雨占比>R值占比。有研究指出[27]，各月內(nèi)侵蝕性降雨量及雨強(qiáng)不同，造成月R值差異較大，且與降雨量之間的差異不一致。四川省夏季多暴雨天氣，次降雨的雨強(qiáng)大，雨滴動能也相應(yīng)的增大，故所產(chǎn)生的侵蝕力在全年來說明顯偏高。

圖4 降雨侵蝕力變異系數(shù)分布

通過距平百分率來反映年內(nèi)R值的穩(wěn)定性和可靠性(表3)。從表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得出，R月均值為308.74 MJ·mm/(hm2·h)，R值距平百分率主要集中在±1%以內(nèi)穩(wěn)定變化，春、秋、冬三季的距平率幾乎都為負(fù)，距平率值呈“大(秋)—小(冬)—大(春)”逐漸變化，冬季距平率值達(dá)到最低，R月均值和(12月—翌年2月)僅為8.8 MJ·mm/(hm2·h)；整個夏季距平率超過年內(nèi)±1%的穩(wěn)定變化，6月距平率值(1.15%)突然增大，比上月5月距平率值(-0.05%)多20倍余，7月距平率值(2.32%)達(dá)到最大，其R月均值為1 039.15 MJ·mm/(hm2·h)，是冬季R月均值和的近118倍；8月距平率值(1.53%)開始變小，到秋季9月距平率值(0.92%)進(jìn)入穩(wěn)定期。足見，四川省年內(nèi)土壤侵蝕危害夏季偏高，冬季偏低，春秋兩季較為穩(wěn)定，這與年內(nèi)降雨分布特征極相似[28]。

圖5 月降雨量、月侵蝕性降雨量、月R值占其年值之比

項(xiàng)目冬季1212春季345夏季678秋季91011R值月平均/(MJ·mm·hm-2·h-1)3.361.983.4622.58103.17294.35668.731039.15793.31597.85182.0630.91R距平百分率/%-0.99-0.99-0.99-0.93-0.67-0.051.152.321.530.92-0.41-0.90

3.3 降雨侵蝕力變化趨勢分析

通過趨勢系數(shù)和氣候傾向率來進(jìn)一步分析四川省降雨侵蝕力的變化趨勢(圖6—7)。如圖6所示，四川大部分地域降雨侵蝕力的年際變化趨勢是呈正趨勢，即由降雨引起的土壤侵蝕在增長，且其大致走勢是由東西兩側(cè)向中南部降低，其中盆東和川西高原是趨勢系數(shù)高值區(qū)，而盆南和盆西地區(qū)是趨勢系數(shù)小于0的低值區(qū)，尤其是宜賓、樂山、自貢地區(qū)，其趨勢系數(shù)低至-0.109。如圖7所示，四川省氣候傾向率從東往西整體呈“高—低—高”的變化趨勢，其中盆東是10 a氣候傾向率大于100 MJ·mm/(hm2·h·a)的高值區(qū)，而整個省中部從北向南是氣候傾向率小于0的低值區(qū)，尤其是盆地西、南大部分區(qū)域10 a氣候傾向率低至-46 MJ·mm/(hm2·h·a)。結(jié)合圖6—7可看出：(1) 川西高原地區(qū)氣候傾向率雖不高，但其趨勢系數(shù)卻是高值區(qū)，說明該地區(qū)的降雨侵蝕力上升趨勢較為明顯，土壤侵蝕風(fēng)險在增加；(2) 達(dá)州市處在趨勢系數(shù)和氣候傾向率的高值區(qū)，說明其上升趨勢尤為明顯，需高度重視該地區(qū)的水土保持工作；(3) 盆地西、南大部分區(qū)域，趨勢系數(shù)低于-0.004，10 a氣候傾向率低于-11 MJ·mm/(hm2·h·a)，該區(qū)域成為四川省降雨侵蝕力下降的中心區(qū)，并向其東西兩側(cè)逐漸增加。四川相關(guān)降雨研究結(jié)論顯示[29-31]，川西高原、盆地東部降雨量呈增加趨勢，盆地西部降雨量呈減少趨勢。

表4是對四川省內(nèi)11個研究站點(diǎn)近61 a的R值進(jìn)行相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果，以此來分析每個站點(diǎn)R值的變化趨勢。從表4可看出，四川省內(nèi)11個站點(diǎn)有8個其降雨侵蝕力是呈上升趨勢，但僅萬源氣象站通過了95%的信度水平檢驗(yàn)(印證了圖6—7對達(dá)州市的分析結(jié)果)，說明四川省大部分區(qū)域R值變化趨勢主要呈不顯著上升趨勢；剩余3個降雨侵蝕力呈下降趨勢的站點(diǎn)中，宜賓氣象站通過了95%的信度水平檢驗(yàn)，表明該區(qū)域降雨侵蝕力下降趨勢顯著，這與趨勢系數(shù)和氣候傾向率低值區(qū)域的分析結(jié)果有了很好的印證。

圖6 年降雨侵蝕力趨勢系數(shù)空間分布

圖7 年降雨侵蝕力氣候傾向率空間分布

項(xiàng)目甘孜馬爾康松潘溫江理塘九龍宜賓?西昌會理萬源?高坪區(qū)相關(guān)系數(shù)0.2010.1600.192-0.2130.2050.231-0.3220.211-0.0280.2730.133變化趨勢上升上升上升下降上升上升下降上升下降上升上升

注：*為通過95%的信度水平檢驗(yàn)。

4 討論與結(jié)論

(1) 四川省降雨侵蝕力的變化范圍主要在202～8 650 MJ·mm/(hm2·h·a)，其總體變化規(guī)律是從東南向西北呈階梯狀逐漸降低，這與章文波[32]、陳學(xué)兄[19]、劉斌濤[12,22]、陳東東[11]等研究較相似，但在雅安—樂山一帶稍有差異，文中研究結(jié)論在該區(qū)并未出現(xiàn)R值高值區(qū)，僅在盆西區(qū)域出現(xiàn)一個明顯的突值區(qū)，這可能與選取站點(diǎn)、數(shù)據(jù)年限不同有關(guān)，但相關(guān)降雨研究表示盆地西部降水日數(shù)呈加快減少趨勢[33]，降水量也呈減少趨勢[29-31]，那么降雨侵蝕力也隨之降低也是合理的。R值與降雨量、侵蝕性降雨量的空間分布較為一致，但R值更接近侵蝕性降雨量的空間分布特征，并其高低值空間分布表現(xiàn)出四川盆地>川西南山地>川西高原的特征。

(2) 1955—2015年整個研究期內(nèi)，四川省降雨侵蝕力與降雨量年際變化波動規(guī)律幾乎一致，二者呈極顯著相關(guān)(r=0.893,p<0.01)，并且近61年來R值呈顯著增加趨勢，每年增值53.64 MJ·mm/(hm2·h·a)；在地域性年際變化中，四川省屬于中等變異(0.278

(3) 降雨侵蝕力年內(nèi)分布與降雨量、侵蝕性降雨量的年內(nèi)分布規(guī)律較相似，呈單峰型，年內(nèi)分布極不均勻，主要集中在6—9月份，且最大月R值出現(xiàn)在夏季的7月[1 039.15 MJ·mm/(hm2·h)]；R月均值為311.74 MJ·mm/(hm2·h)，且年內(nèi)季節(jié)動態(tài)變化明顯，夏季降雨侵蝕力危害嚴(yán)重，冬季危害偏低，春、秋兩季較平穩(wěn)。因此，在夏季應(yīng)加強(qiáng)對降雨量大區(qū)域的水土保持綜合治理措施，尤其是四川盆地東部和川西南山地南部地區(qū)，夏季頻發(fā)暴雨洪災(zāi)，易造成耕作物受損、道路癱瘓、城市水澇等現(xiàn)象，并對生命財(cái)產(chǎn)安全、社會秩序穩(wěn)定等產(chǎn)生極大的連鎖災(zāi)害反應(yīng)，故而進(jìn)行水利工程措施改革和維護(hù)，加強(qiáng)生物措施實(shí)施和監(jiān)管以及耕作治理和改良措施等是政府相關(guān)部門需高度重視的。

(4) 四川省最大趨勢系數(shù)和10 a傾向率分別高至0.125，202 MJ·mm/(hm2·h·a)，其大部分區(qū)域R值變化趨勢呈不顯著上升趨勢，主要集中在川西高原和川東北地區(qū)，但存在一個明顯的上升區(qū)域(達(dá)州萬源，r=0.237，p<0.05)；成都平原是四川省降雨侵蝕力的下降中心區(qū)域，且宜賓區(qū)域呈顯著下降趨勢(宜賓，r=-0.322，p<0.05)。針對四川省未來大部分區(qū)域土壤侵蝕危害增加的風(fēng)險，相關(guān)研究學(xué)者和政府相關(guān)部門應(yīng)更細(xì)致化地進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)研究、重點(diǎn)防治，避免由于監(jiān)護(hù)、防治不當(dāng)，給當(dāng)?shù)厝藗儙砣松戆踩：蜕鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)損失，尤其是川西地區(qū)，由于其地理位置，地勢陡峭、地表植被覆蓋度少，再加上地廣人稀，水土保持監(jiān)管措施等難以全面覆蓋，近年來該區(qū)域常發(fā)生大型泥石流、滑坡等自然災(zāi)害。

(5) 此外，有相關(guān)研究表示，R值的變化趨勢也受海拔高度和地理緯度的影響，在文中3.1空間分布特征分析中，R值的變化也明顯表示出與地理海拔具有相關(guān)性，后續(xù)還需再做相關(guān)研究來進(jìn)行驗(yàn)證。

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