劉宇林，趙廣舉，穆興民，高 鵬，孫文義

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 712100, 陜西楊凌; 2.中國科學院大學, 100049, 北京; 3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所, 712100, 陜西楊凌)

降雨侵蝕力是通用土壤流失方程[1](universal soil loss equation, USLE)的一個最基本構(gòu)成因子，其定義是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，可以用來很好地表征土壤侵蝕。受氣候變化(如氣溫、降水、蒸散發(fā))和人類活動(如退耕還林還草、水土保持措施、農(nóng)業(yè)開墾耕作、大型水利工程建設(shè)等)的影響，中國許多河流的徑流量和輸沙量發(fā)生了顯著變化[2-5]，降雨侵蝕力和輸沙量的研究引發(fā)越來越廣泛的關(guān)注。

黃河是世界上著名的多沙河流，經(jīng)過近50年來大規(guī)模的水土保持生態(tài)修復和流域綜合治理，黃河流域下墊面產(chǎn)沙和輸沙條件已發(fā)生顯著變化，其干支流的徑流量和輸沙量均呈現(xiàn)大幅度減小的趨勢[6]。黃河輸沙量由上世紀(1958—1979)年均13億t減少至近10年的不足3億t，近5年不足1億t[7]。渭河[8-10]作為黃河第1大支流，是黃河流域水土流失較為嚴重的地區(qū)，是黃河泥沙主要來源區(qū)。Zhao Guangju等[11]研究了渭河流域1950—2008年徑流量的變化，發(fā)現(xiàn)在不同的水土保持措施實施階段，氣候變化與人類活動對徑流量減少的貢獻不同，總體上，人類活動占主導地位。Wang Houjie等[12]分析了黃河干流水沙時空演變特征及其對氣候變化和水土保持措施的響應(yīng)，指出黃河流域是氣候變化和人類活動背景下，流域—沿海地區(qū)相互作用的示例。研究中多以降雨總量指代氣候變化，而實際上，侵蝕性降雨是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要動力，以降雨侵蝕力為指標評估河流輸沙變化的研究仍比較有限。章文波等[13]根據(jù)區(qū)域性降雨侵蝕特點，建立了基于降雨侵蝕力R值的簡易計算模型，即利用雨量站常規(guī)降雨統(tǒng)計資料如日降雨量、月降雨量、年降雨量等雨量參數(shù)來估算降雨侵蝕力。鐘科元等[14]分析了1960—2014年松花江流域R值的分布特征，得出：其R值在806.70～3 504.3 MJ·mm/(hm2·h·a)范圍內(nèi)變化，整體上呈現(xiàn)出自西北向東南遞增的趨勢；在西北地區(qū)R值呈現(xiàn)增長趨勢，而在中部平原區(qū)的東北部和西南部呈現(xiàn)下降趨勢；R值在地形上呈現(xiàn)為東部丘陵山地區(qū)>中部平原區(qū)>西部山地區(qū)。

以上研究都對各自研究區(qū)域降雨侵蝕力的時空分布規(guī)律做了詳細的研究，但定量分析降雨侵蝕力和人類活動對輸沙量變化的貢獻研究不多。筆者基于渭河流域23個雨量站點1960—2015年日降雨量數(shù)據(jù)及年輸沙量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendell非參數(shù)檢驗、雙累積曲線、克里金插值等方法，分析了渭河流域近55年的降雨侵蝕力和輸沙量的動態(tài)變化，同時定量計算降雨侵蝕力和人類活動對輸沙量變化的貢獻率，為今后渭河流域的水土保持工作提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

渭河作為黃河第1大支流，其源頭位于甘肅省渭源縣烏鼠山北側(cè)，流經(jīng)陜甘寧3省區(qū)(圖1)。干流全長818 km,流域面積13萬4 800 km2。渭河流域?qū)俚湫偷拇箨懶约撅L氣候，多年平均降水量400～800 mm，年平均氣溫7～14 ℃，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。北部為黃土高原，南部為秦嶺，地勢西高東低，流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)超過5 000 t/(km2·a)的水蝕面積超過4.8萬km2，流域內(nèi)水土流失面積超過10萬km2，占到渭河流域面積的77%[15-16]。

圖1 渭河流域水系、水文站及氣象站點分布Fig.1 Distribution of river network, hydrological stations and climate stations in the Weihe River Basin

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者選取渭河流域臨洮、天水、華家?guī)X、西峰、岷縣、平?jīng)?、靖遠、臨夏、榆中、西安、長武、武功、商州、華山、佛坪、銅川、吳旗、寶雞、鎮(zhèn)安、延安、洛川、固原、西吉等23個氣象站點(圖1)1961—2015年近55年的日降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。渭河流域年輸沙數(shù)據(jù)源于《中國河流泥沙公報》《黃河泥沙公報》《黃河水資源公報》。

2.2 降雨侵蝕力計算

降雨侵蝕力的計算采用章文波等[17]改進的理查德森日降雨侵蝕力計算方法。該模型主要利用日雨量資料對降雨侵蝕力進行計算， 適合應(yīng)用于黃土高原[18]，其具體計算式如下：

(1)

α=21.586β-7.189 1；

(2)

(3)

式中:k為半月內(nèi)侵蝕性降雨時間，d;m為半月時段內(nèi)的時間，d;Pk為半月內(nèi)第k天≥12 mm的日降雨量,mm;R為半月內(nèi)降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)；α，β為模型參數(shù)；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。將每個半月的降雨侵蝕力R累加即可得到年降雨侵蝕力。

2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法

Mann-Kendall檢驗已被廣泛應(yīng)用于氣候、水文時間序列的趨勢變化分析[19]。筆者利用該方法檢測降雨侵蝕力及渭河流域輸沙量數(shù)據(jù)的序列變化趨勢。該方法的主要優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，且樣本總體不受部分異常值的擾動，便于計算。

(4)

(5)

Vαr(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(6)

當n>10時，標準的正態(tài)系統(tǒng)變量通過下式計算：

(7)

式中：Xj、Xk為趨勢檢驗序列的統(tǒng)計值；n為檢驗序列統(tǒng)計值的個數(shù)；S為正態(tài)分布，其均值為0；Vαr為方差；Z為Mann-Kendall統(tǒng)計結(jié)果。

在雙邊趨勢檢驗中，給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計量Z，>0時是上升趨勢；<0時是下降趨勢。Z的絕對值在≥1.28、1.64和2.32時，分別表示通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

2.4 雙累積曲線法

雙累積曲線法[20]是一種簡單而實用的確定水文氣象序列數(shù)據(jù)一致性的方法，廣泛應(yīng)用于水文氣象數(shù)據(jù)的一致性和長期趨勢預(yù)測研究。雙累積曲線的理論基于以下事實：2個時間序列之間的比例保持不變，同一時期的二者累積量的曲線呈直線比例。該方法可以平滑時間序列，抑制系列中的隨機元素，從而顯示時間序列的主要趨勢。目前，已有大量研究顯示雙累積曲線法可用于評估徑流/輸沙與降雨量數(shù)據(jù)序列的關(guān)系變化。

2.5 克里金插值法

克里金插值法[21]是以空間自相關(guān)性為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對區(qū)域化變量的未知采樣點進行無偏估值的插值方法?？死锝鸱ㄊ亲畛Ｓ玫目臻g插值算法，被廣泛應(yīng)用于地理科學、環(huán)境科學、大氣科學等。由于克里金法在應(yīng)用中使用擬合經(jīng)驗變異函數(shù)的方式估計隨機場的協(xié)方差，而變異函數(shù)模型除塊金(原點)外都是連續(xù)函數(shù)，因此克里金法對隨機場的估計是平滑的。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力的時空分布

圖2為采用克里金插值法得到的流域多年平均降雨侵蝕力空間分布圖。分析可得:渭河流域多年平均降雨侵蝕力的分布范圍為292.9～4 098.9 MJ·mm/(hm2·h·a)。流域多年平均降雨侵蝕力空間差異較大，從東向西，從南向北呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，其中華山與佛坪兩地形成高值區(qū)，分別為2 980、4 098.9 MJ·mm/(hm2·h·a)，渭北黃土高原地區(qū)降雨侵蝕力值在2 000 MJ·mm/(hm2·h·a)以下。

圖2 1961—2015年渭河流域降雨侵蝕力空間分布Fig.2 Spatial distribution of rainfall erosivity in the Weihe River Basin during 1961—2015

3.1.1 降雨侵蝕力年際變化 圖3示出渭河流域1961—2015年年降雨侵蝕力變化過程。統(tǒng)計顯示，近55年的平均降雨侵蝕力為1 685.67 MJ·mm/(hm2·h·a)，最大值為2 708.29 MJ·mm/(hm2·h·a)，出現(xiàn)在1983年，最小值為988.12 MJ·mm/(hm2·h·a),出現(xiàn)在1995年。最大值與最小值的比值為2.74，為中等程度變異。Mann-Kendell檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，渭河流域降雨侵蝕力統(tǒng)計值為0.51，表明增加趨勢不顯著(P<95%)。

圖3 渭河流域降雨侵蝕力年際變化Fig.3 Interannual variation of rainfall erosivity in the Weihe River Basin

3.1.2 降雨侵蝕力年代變化 圖4示出渭河流域1961—2015年不同年代降雨侵蝕力。分析1961—2015年不同年代降雨侵蝕力的變化特征可知，20世紀90年代的降雨侵蝕力均值最低，僅為1 507.23 MJ·mm/(hm2·h·a)，低于均值10.58%，可推知渭河流域90年代屬于相對干旱時期。20世紀60年代的降雨侵蝕力為1 685.67 MJ·mm/(hm2·h·a)，與近55年的降雨侵蝕力均值線相等；20世紀70年代降雨侵蝕力均值略低于平均值；20世紀80年代與21世紀開頭的15年的年均降雨侵蝕力近乎相當，較55年降雨侵蝕力均值線均高出6%。

圖4 渭河流域降雨侵蝕力年代變化Fig.4 Rainfall erosivity in different decades of the Weihe River Basin

圖5 渭河流域輸沙量年際變化與雙累積曲線分析Fig.5 Interannual variation and double cumulative curve analysis of sediment load in the Weihe River Basin

3.2 輸沙量變化特征

3.2.1 輸沙量變化線性趨勢 由3個水文站點的年輸沙量變化趨勢(圖5)可知：渭河流域輸沙量整體呈減少趨勢。20世紀60—70年代初，渭河流域的輸沙量處于自然波動狀態(tài)，受人類活動影響相對較小。3個水文站的輸沙量在20世紀70和90年代減少均非常顯著。20世紀70年代，流域內(nèi)修建了大量的淤地壩、水庫等，大規(guī)模的水土保持措施改變了地表的徑流輸沙過程，其中2000—2015年，咸陽站、張家山站、狀頭站實測輸沙量分別較各自基準期減沙29億t、30億t、17億t。進入20世紀90年代，實施大規(guī)模的退耕還林(草)工程，植被蓋度顯著增加，渭河流域的生態(tài)環(huán)境以及下墊面狀況得到很大改善，這些水土保持措施使地表侵蝕量發(fā)生顯著變化，因此流域輸沙量急劇減少。資料[9]顯示渭河流域梯田面積從1970年至1998年，梯田面積增加了1萬7 300 km2，還林(草)3 200 km2，大量泥沙被攔蓄。

3.2.2 降雨侵蝕力與輸沙量的雙累積曲線 通過繪制輸沙量和降雨侵蝕力的雙累積曲線(圖5)并建立回歸方程(表3)，計算降雨侵蝕力變化和人類活動對渭河流域輸沙量變化的影響。由圖5可知，渭河流域狀頭站、張家山站和咸陽站的輸沙量-降雨侵蝕力累積曲線均在20世紀80年代左右(1979、1978和1981)和90年代中期(1994、1996和1995)出現(xiàn)了較為明顯的偏移。80年代的偏移是由于該時期大規(guī)模的水土保持措施引起的輸沙量減少，90年代中期的偏移是由于大規(guī)模退耕還林(草)工程的實施，流域植被覆蓋度增加，從而引起了輸沙量銳減。在過去的10多年里，一系列退耕還林(草)，水土保持等生態(tài)修復工程的實施，使區(qū)域植被狀況和生態(tài)環(huán)境發(fā)生明顯改善。

表3 渭河流域累積年輸沙量與累積年降雨侵蝕力的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between cumulative annual sediment load and cumulative annual rainfall erosivity in the Weihe River Basin

注：y為累積年輸沙量，106t；x為累積年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)。Notes:yrepresents cumulative annual sediment load, unit is 106t;xrepresents cumulative annual rainfall erosivity, the unit is MJ·mm/(hm2·h·a).

3.2.3 降雨侵蝕力變化和人類活動對輸沙量變化的影響 由表4可知，張家山站和咸陽站在20世紀90年代以后，人類活動對輸沙量的影響較大，貢獻率均大于1，這是由于該時期降雨侵蝕力較前期有所增加，而輸沙量減少，計算出的降雨侵蝕力的貢獻率為負值。狀頭站在1980—1994年期間，人類活動的貢獻率達到58%，人類活動貢獻率總體在增長，進入21世紀初，人類活動貢獻率達到67%。

表4 不同時段降雨侵蝕力變化與人類活動對渭河流域輸沙量變化的影響Tab.4 Effects of rainfall erosivity variations and human activities on sediment load in the Weihe River Basin

Notes：MST: Measured sediment transport. CST: Calculated sediment transport. MSR: Measured sediment reduction. MSRR: Measured sediment reduction rate.

4 結(jié)論與討論

筆者采用渭河流域23個雨量站點1960―2015年日降雨數(shù)據(jù)及3個水文站點同期年輸沙量資料，分析流域的降雨侵蝕力和輸沙量變化，結(jié)論如下：

1)渭河流域1961—2015年的降雨侵蝕力均值為1 685.67 MJ·mm/(hm2·h·a)。近55年降雨侵蝕力呈非顯著增加趨勢(1.94 MJ·mm/(hm2·h·a))。

2)降雨侵蝕力的空間差異較大，多年平均降雨侵蝕力從東南向西北逐漸減小。

3)渭河流域輸沙量的變化受降雨侵蝕力和人類活動二者共同影響：張家山站和咸陽站在20世紀90年代以后，降雨侵蝕力增加，輸沙量減少，其對輸沙變化的貢獻為負值，人類活動對輸沙量的貢獻率>100%。狀頭站在1980―1994年期間，人類活動的貢獻率達到58%；之后，人類活動貢獻率增加，在21世紀初，人類活動貢獻率達到67%。

筆者定量分析了渭河流域降雨侵蝕力與人類活動對輸沙量變化的貢獻，然而河流輸沙變化不僅受降雨影響，其他氣候因子如氣溫、蒸發(fā)等變化也是導致河流輸沙變化潛在因素;同時也不能明確地表植被變化、梯田建設(shè)、壩庫工程、灌溉等對輸沙變化的影響，未來可以從梯田，壩庫等水土保持措施對流域侵蝕產(chǎn)沙的影響做進一步深入研究分析。該研究定量計算了渭河流域降雨侵蝕力和人類活動對輸沙量變化的貢獻率，為今后該流域水土保持工作的開展提供了指導。