鄭 哲，鄒 進(jìn)，潘 鋒， 張代清

(昆明理工大學(xué)，電力工程學(xué)院，650504，昆明)

土壤侵蝕的主要因素之一是降雨，降雨侵蝕力作為研究降雨對土壤侵蝕的重要指標(biāo)，是眾多土壤侵蝕模型的重要參數(shù)之一。正確計算降雨侵蝕力，對研究區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕狀況以及水土保持等方面工作具有重要的現(xiàn)實意義。1958年W. H. Wischeier等[1]首次提出以次降雨總動能E與30 min最大降雨強(qiáng)度I30的乘積EI30作為降雨侵蝕能力指標(biāo)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，是國內(nèi)外進(jìn)行降雨侵蝕能力計算的經(jīng)典算法；但由于在許多國家和地區(qū)難以獲得長序列的降雨過程資料,導(dǎo)致該算法不能得到廣泛使用，因此國內(nèi)外許多學(xué)者建立了針對相應(yīng)地區(qū)的降雨侵蝕力簡易算法[2- 6],即利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計資料估算降雨侵蝕力。我國降雨侵蝕力相關(guān)研究從20世紀(jì)80年代開始。章文波等[7]以日降雨資料為基礎(chǔ),建立適用于我國的日雨量侵蝕力模型并給出參數(shù)估算方法。楊軒等[8]基于日降雨信息建立月降雨侵蝕力模型。黃鳳琴等[9]建立基于日降雨量的多年平均降雨侵蝕力估算模型并成功應(yīng)用于四川省涼山州。目前相關(guān)研究多數(shù)是區(qū)域性研究，學(xué)者們采用不同方法研究全國各個地區(qū)的降雨侵蝕力，均已取得比較好的結(jié)果。

怒江是我國西南地區(qū)的大河之一，流域內(nèi)地勢復(fù)雜多樣。以前，怒江流域水土流失情況極其嚴(yán)重，治理力度不夠，自1999年以來，流域水土保持工作受到高度重視，有關(guān)部門相應(yīng)出臺一系列法律法規(guī)和規(guī)范性文件，水土流失治理力度得到加強(qiáng)，流域水土流失情況得到一定程度緩解；但是目前流域水土流失依舊嚴(yán)峻，相關(guān)工作任重而道遠(yuǎn)。降雨侵蝕力作為反映水土流失的重要參數(shù)之一，對于水土保持工作具有重要意義。目前，怒江流域長時期降雨侵蝕力時空分布的研究較少，僅廖凱濤等[10]基于DEM數(shù)據(jù)定量評價2001—2008年怒江上游地區(qū)土壤侵蝕的時空變化，且研究目標(biāo)偏向于土壤。鑒于此，筆者以怒江流域內(nèi)6個氣象站日降雨量為基礎(chǔ)，應(yīng)用日降雨量侵蝕力模型分析流域50年間降雨侵蝕力的變化特征，以期為怒江流域水土保持工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

怒江位于中國西南地區(qū)，地勢西北高、東南低，流域內(nèi)高山、峽谷交錯，地形地貌及其復(fù)雜。怒江深入到青藏高原內(nèi)部，山巒起伏不定，由怒江第一灣西北向東南斜貫入西藏東部的谷地，入云南省轉(zhuǎn)向南流，經(jīng)怒江傈僳族自治州、保山市和德宏傣族景頗族自治州，流入緬甸，最后流入印度洋的安達(dá)曼海。從河源至入?？谌L3 240 km，總流域面積達(dá)到32.5萬km2，徑流總量約700億m3。水量以雨水補(bǔ)給為主，多年變化范圍不大，水力資源較為豐富。怒江水情復(fù)雜，流域上游山勢較為平緩，湖泊眾多，中游處橫斷山區(qū)，山高谷深，水流湍急。兩岸支流大多垂直入江，干支流構(gòu)成羽狀水系。怒江大部河段位于深山峽谷之中，落差大，流勢急，多瀑布險灘，上游河流補(bǔ)給以冰雪融水為主，夏季降雨補(bǔ)給，水量豐沛，多年平均徑流量達(dá)689億m3。目前，由于長期對草地的過度放牧和不合理應(yīng)用，以及氣候變化的影響，導(dǎo)致怒江流域水土流失情況較為嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

怒江流域共有13個氣象站點，站點分布如圖1所示。由于歷史原因多數(shù)站點缺測時間較長，插補(bǔ)精度過低，因此排除這些站點數(shù)據(jù)。筆者采用1961—2010年50年間怒江流域內(nèi)均勻分布的6個氣象站點日降雨量數(shù)據(jù)(表1)，數(shù)據(jù)均來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。其中對于丁青站缺測3個月降雨量數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)序列法進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 怒江流域及氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of the Nu river basin and the weather stations

1) 降雨侵蝕力計算：筆者采用章文波等[7]提出的日降雨侵蝕力模型計算流域降雨侵蝕力。模型采用日降雨量估算降雨侵蝕力，適用于降雨量豐富的地區(qū)，對于短歷時、高強(qiáng)度降雨造成的降雨侵蝕，模型估算的精度會有一定程度的下降。侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)采用通用指標(biāo)，即日侵蝕性降雨>12 mm/d，模型如下:

(1)

式中:Ri為第i個半月的降雨侵蝕力,(MJ·mm)/(hm2·h);t為半月內(nèi)侵蝕性降雨時間，d;Pk為半月內(nèi)第k天的侵蝕性日降雨量,mm；α、β為反映降雨特征的模型參數(shù)。半月時段的劃分按每月15 d為界，前15 d為上個半月，后15 d為下個半月。

β=0.836 3+(18.144/Pd12)+(24.455/Py12)，

(2)

α=21.586β-7.189 1。

(3)

式中：Pd12為1年中侵蝕性降雨日雨量的平均值，mm;Py12為1年中侵蝕性降雨量的多年平均值,mm。

2)Mann-Kendall突變檢驗：筆者采用世界氣象組織推薦并已廣泛使用的Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計方法進(jìn)行突變計算，對于非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗具有更加突出的適用性。

設(shè)1組降雨侵蝕力序列為x1,x2,x3,…,xn,ri表示xi>xj(1≤j≤i)的樣本數(shù)。

表1 怒江流域氣象站數(shù)據(jù)

構(gòu)造1個秩序列

(4)

其中：

(5)

定義統(tǒng)計量

(6)

其中：

(7)

(8)

UF表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按照時間序列的順序計算出的統(tǒng)計量序列，UB是UF的逆序列，給定顯著性水平α，若UF>0，則表明序列呈現(xiàn)上升趨勢，若UF>Uα,說明序列呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，反之同理。若UF和UB曲線在顯著性水平之間有交點，則交點就是其突變開始時間。

在ArcGIS 10.2軟件中采用反距離權(quán)重插值法對流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量和降雨侵蝕力空間分布

由式(1)～(3)逐月計算各個站點半月降雨侵蝕力，通過累加得到各站點年降雨侵蝕力，然后計算各站點多年平均降雨侵蝕力，運用泰森多邊形法計算得出流域降雨侵蝕力。應(yīng)用ArcGIS 10.2中的反距離權(quán)重插值法對流域進(jìn)行插值，得到怒江流域多年平均降雨量和降雨侵蝕力空間分布圖。如圖2和圖3所示，怒江流域降雨量和降雨侵蝕力空間分布大體相似，均呈現(xiàn)東南地區(qū)高，西北地區(qū)低的趨勢，貢山和臨滄一帶多年平均降雨量超過1 000 mm，而那曲和索縣地區(qū)減至500 mm左右。降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在貢山站，高達(dá)6 142.52 (MJ·mm)/(hm2·h)，最小值出現(xiàn)在那曲站，為303.76 (MJ·mm)/(hm2·h)。這樊輝等[11]研究結(jié)果基本一致。表2所示流域內(nèi)年侵蝕性雨量占年降雨量比例幅度較大，最多的貢山站占比達(dá)到64.4%，最低的那曲站占比有30.8%，流域平均占比為52.5%。由表2可見，流域內(nèi)不同站點間降雨量和侵蝕性降雨量變化較大，多年平均降雨量最大的貢山站分別是最低的那曲站的4.35倍，多年平均侵蝕性降雨量則達(dá)到9.37倍。

圖2 多年平均降雨量分布圖Fig.2 Multiyear average rainfall distribution

圖3 多年平均降雨侵蝕力分布Fig.3 Multiyear average rainfall erosivity distribution

將6個氣象站點多年平均降雨量、多年平均侵蝕性降雨量和多年平均降雨侵蝕力繪制成圖4，可見怒江流域6個站點降雨量，侵蝕性降雨量與多年平均降雨侵蝕力之間具有較好的一致性。運用SPSS統(tǒng)計分析軟件對氣象站降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示，多年平均降雨量與多年平均降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)R=0.987，多年平均侵蝕性降雨量與多年平均降雨侵蝕力的相關(guān)系數(shù)R=0.997，這說明流域內(nèi)侵蝕性降雨量相比降雨量對降雨侵蝕力的影響更大。

表2 怒江流域各站點降雨特征

圖4 各站點多年平均降雨量，侵蝕性降雨量和降雨侵蝕力變化Fig.4 Variations in average annual rainfall, erosive rainfall, and rainfall erosivity at each station

圖5 怒江流域降雨量和降雨侵蝕力年際變化Fig.5 Annual changes in rainfall and rainfall erosivity in the Nu river basin

3.2 降雨量和降雨侵蝕力年際變化

怒江流域年際雨量和降雨侵蝕力變化趨勢如圖5所示，可見二者均成增加趨勢，其中降雨量的最大值出現(xiàn)在2000年，為968.40 mm，最小值出現(xiàn)在1967年，為601.14 mm。多年平均值為774.93 mm，降雨侵蝕力年際差相差較大，最大值出現(xiàn)在2010年，高達(dá)3 126.08 (MJ·mm)/(hm2·h)，最小值出現(xiàn)在1967年，僅為1 133.02 (MJ·mm)/(hm2·h)，最大值是最小值的2.76倍，多年平均值為1 842.45 (MJ·mm)/(hm2·h)。由圖5可見，近50年來怒江流域降雨量與降雨侵蝕力年際變化趨勢大體一致，但也有一些年份降雨量與降雨侵蝕力的關(guān)系不一致。如2003年降雨侵蝕力已達(dá)統(tǒng)計年份歷史第2低，但降雨量值依舊較高。說明這1年侵蝕性降雨量小，而1990—1991年雖然降雨量在減小，但降雨侵蝕力不減反增。說明此時段侵蝕性降雨量大，這更進(jìn)一步證明了相較于降雨量來說，侵蝕性雨量對降雨侵蝕力的影響更大。

對流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行Mann-Kendall突變分析。由圖6可見：降雨量正向序列(UF)曲線從20世紀(jì)60年代至70年代末呈現(xiàn)不穩(wěn)定的連續(xù)增減趨勢，但都在0.05顯著性水平線之間，表示降雨增減的幅度不大；1980年以后呈現(xiàn)連續(xù)的上升趨勢，其中1985年以后超過0.05顯著性水平線，表明降雨量上升趨勢顯著。由圖6可見UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)有1個交點，位于1979年，這表明在1979年流域降雨量發(fā)生突變。

由圖7可見降雨侵蝕力正向序列(UF)曲線在1978年以前變化較為劇烈但都在0.05顯著性水平線之間。1978年之后呈現(xiàn)連續(xù)增加趨勢，1985年之后超過0.05顯著性水平線，說明降雨侵蝕力上升趨勢明顯。UF和UB曲線有3個交點，分別位于1966、1973和1976年，這表明在這3年降雨侵蝕力發(fā)生了突變。

總體來看，50年間怒江流域降雨量和降雨侵蝕力變化趨勢基本一致，80年代之前兩者均呈現(xiàn)一定的波動趨勢，1985年之后產(chǎn)生明顯增加趨勢，80年代初期可以看作是降雨量和降雨侵蝕力的共同突變時期。

3.3 降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)變化

對于季節(jié)劃分作如下規(guī)定：春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月—翌年2月)。

怒江流域四季降雨量和降雨侵蝕力變化趨勢如表3所示，除夏季外，春秋冬季降雨量均成上升趨勢，其中春季上升趨勢最大，傾斜度達(dá)到2.081 0，冬季上升趨勢最小，傾斜度只有0.526 6，夏季則呈現(xiàn)下降趨勢。降雨侵蝕力也只有夏季呈現(xiàn)下降趨勢，其余3季都呈現(xiàn)上升趨勢，和降雨量變化趨勢相同。但計算得到多年夏季平均降雨侵蝕力為897.65 (MJ·mm)/(hm2·h)，占全年比例達(dá)到48.71%，春季和秋季占比均為21.73%，冬季占比最低，只有5.9%，這表明降雨侵蝕主要發(fā)生在夏季，冬季降雨侵蝕最低。特別的是，丁青、那曲和索縣3站點冬季均無侵蝕性降雨產(chǎn)生。

UF為正序列統(tǒng)計量，UB為反序列統(tǒng)計量。下同。UF represents the statistics of forward sequence, UB the statistics of backward sequence. The same below.圖6 怒江流域年降雨量突變分析圖Fig.6 Analysis of abrupt change on rainfall in the Nu river basin

圖7 怒江流域降雨侵蝕力突變分析圖Fig.7 Analysis of abrupt change on rainfall erosivity in the Nu river basin

表3 怒江流域各站點降雨量及降雨侵蝕力趨勢檢驗

4 結(jié)論

1)怒江流域降雨量和降雨侵蝕力表現(xiàn)出東南高，西北低的變化趨勢。流域多年降雨量變化范圍為601.14～968.40 mm，平均值為774.93 mm，多年批降雨侵蝕力變化范圍為1 133.02～3 126.08 mm，平均值為1 842.45 (MJ·mm)/(hm2·h)，流域內(nèi)降雨侵蝕力主要受侵蝕性降雨量影響。

2)近50年來降雨量和降雨侵蝕力均成增加趨勢，其中降雨量的最大值出現(xiàn)在2000年，為968.40 mm，最小值出現(xiàn)在1967年，為601.14 mm。降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在2010年，高達(dá)3 126.08 (MJ·mm)/(hm2·h)，1967年達(dá)到最小值，為1 133.02 (MJ·mm)/(hm2·h)，Mann-Kendall分析顯示降雨量和降雨侵蝕力在80年代之前呈現(xiàn)一定的波動趨勢，1985年之后產(chǎn)生明顯增加趨勢，降雨量在1978年發(fā)生突變，降雨侵蝕力在1966、1973和1976年產(chǎn)生突變。

3)流域內(nèi)降雨量和降雨侵蝕力除夏季外均呈現(xiàn)上升趨勢。降雨侵蝕力年內(nèi)分布主要集中在夏季，占比達(dá)到48.71%，冬季最小，占比為5.9%，春季和秋季占比均為21.73%。

4)由降雨量和降雨侵蝕力分析可知，流域內(nèi)降雨造成的土壤侵蝕主要集中在夏季，冬季造成的土壤侵蝕情況最?。灰虼?，相關(guān)水土保持工作應(yīng)主要針對夏季展開。

5)此外，本研究所采用的日降雨侵蝕力模型在降雨量豐富地區(qū)表現(xiàn)較好，由于怒江流域地勢極其復(fù)雜，流域內(nèi)降雨分布不均勻，降雨量最大值與最小值相差較大，因此此模型應(yīng)用于怒江流域的精確性還有待更深入研究。