楊文春，谷桂華，朱偉兵，火壽華

(云南省水文水資源局玉溪分局,云南 玉溪 653100)

降雨侵蝕力是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，它是一項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)由降雨引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)，一般是強(qiáng)度較大的暴雨，其強(qiáng)度超過土壤入滲強(qiáng)度而產(chǎn)生地表(超滲)徑流，造成對(duì)地表的沖刷侵蝕。降雨侵蝕是造成流域內(nèi)水土流失的重要形式之一，水土流失會(huì)造成河道與湖庫淤積、土地生產(chǎn)力下降、水質(zhì)被污染和生態(tài)平衡被影響等，研究降雨侵蝕力特征對(duì)區(qū)域水土保持和防治工作具有重要現(xiàn)實(shí)意義。降雨量是造成水土流失的重要?dú)庀笠蜃又?，降雨侵蝕力已經(jīng)成為土壤侵蝕、產(chǎn)沙和水環(huán)境建模的主要參數(shù)之一[1]。降雨侵蝕力的計(jì)算主要利用降雨數(shù)據(jù)資料進(jìn)行，目前基于不同時(shí)間尺度降雨侵蝕力計(jì)算模型均得到普遍運(yùn)用[2-3]。章文波等[4]建立了利用日雨量估算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法模型，并被廣泛用于不同流域降雨侵蝕力的研究。賴成光等[5]將其應(yīng)用于珠江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化特征研究；戴金梅等[6]利用日雨量模型計(jì)算降雨侵蝕力，對(duì)閩西地區(qū)降雨侵蝕力的時(shí)空變化進(jìn)行分析；鄭哲等[7]利用該模型對(duì)怒江流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究；趙平偉等[8]將該模型應(yīng)用于云南不同量級(jí)降雨下的降雨侵蝕力特征研究等。各類降雨侵蝕力研究結(jié)果均可為流域水土保持、生態(tài)修復(fù)等工作提供科學(xué)參考。

玉溪市“三湖”流域水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重。撫仙湖流域土壤流失入湖泥沙系數(shù)平均為0.385[9]，王林等[10]研究認(rèn)為長期年復(fù)輸入加重了湖泊的淤積及入湖污染負(fù)荷量；張秀敏等[11]研究得出星云湖流域年平均土壤侵蝕量高于玉溪市水平；王萬賓等[12]研究認(rèn)為水土流失攜帶各種形態(tài)的營養(yǎng)元素入湖，加重了湖泊的淤積及入湖污染負(fù)荷量，2020年杞麓湖流域入湖河流水環(huán)境承載能力已嚴(yán)重超載。因此，研究玉溪“三湖”流域土壤侵蝕特征，對(duì)湖泊保護(hù)具有重要意義。

本文基于撫仙湖、星云湖、杞麓湖流域(以下簡(jiǎn)稱“三湖”流域)內(nèi)梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴4個(gè)雨量站1992—2020年逐日降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用日雨量侵蝕力模型計(jì)算降雨侵蝕力，深入分析三湖流域降雨量和降雨侵蝕力時(shí)空分布特征。目前，對(duì)于高原湖泊流域降雨侵蝕力變化規(guī)律的研究成果尚少，本次研究成果可為高原湖泊流域水土流失治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供新的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

“三湖”位于云南省玉溪市境內(nèi)，南盤江流域西江水系，屬低緯度、高海拔地帶亞熱帶高原季風(fēng)氣候。撫仙湖屬斷陷型深水湖泊，流域面積674.69 km2，跨澄江市、江川區(qū)和華寧縣，地處長江流域和珠江流域分水嶺地帶，位于滇中湖群五大湖泊(撫仙湖、星云湖、杞麓湖、陽宗海和滇池)的中心部位，南部有2.5 km長的隔河與星云湖相通；星云湖屬高原陷落型淺水湖泊，流域面積378 km2，位于江川區(qū)境內(nèi)；杞麓湖屬典型的新月形斷陷盆地，流域面積354 km2，位于通?？h境內(nèi)。“三湖”流域相對(duì)位置見圖1。

圖1 “ 三湖”流域和代表站點(diǎn)相對(duì)位置示意

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

選取的“三湖”流域梁王河、?？凇⒉锠柹?、沙溝嘴4個(gè)雨量代表站為水文部門的國家基本雨量站，各站1992—2020年逐日降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)資料來源于流域水文年鑒和云南省水文資料整編成果。其中梁王河和?？谡疚挥趽嵯珊饔?，茶爾山站位于星云湖流域，沙溝嘴站位于杞麓湖流域。各代表雨量站基本情況及其在“三湖”流域中的相對(duì)位置分別見表1、圖1。

表1 “三湖”流域降水侵蝕力研究代表站基本情況

2.2 方法

2.2.1日降雨侵蝕力計(jì)算模型

采用章文波等[13]日雨量估算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法模型計(jì)算降雨侵蝕力，計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

式中RJ——第J個(gè)半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；Pk——半月時(shí)段內(nèi)第k天的侵蝕性雨量(日降雨量大于等于12 mm)，mm；n——半月內(nèi)日降雨量大于等于12 mm的降雨天數(shù)，d。

α和β為模型計(jì)算參數(shù)，計(jì)算公式分別為：

α=21.586β-7.1891

(2)

(3)

式中Pd12——侵蝕性降雨日雨量平均值；Py12——年侵蝕性降雨量的平均值。

2.2.2趨勢(shì)變化與突變分析方法

采用Mann-Kendall(M-K)秩次相關(guān)檢驗(yàn)[14]對(duì)降雨侵蝕力的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。該方法是用來評(píng)估氣候要素時(shí)間序列趨勢(shì)的檢驗(yàn)方法，以適用范圍廣、定量化程度高而著稱[15]，能有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動(dòng)還是存在確定的變化趨勢(shì)，特別是對(duì)于非正態(tài)分布的水文數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)具有較好的適用性，無需對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，對(duì)于極端值也可參與趨勢(shì)檢驗(yàn)；在時(shí)間序列分析中，無需指定是否是線性趨勢(shì)，可以定量地計(jì)算出時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，是水文氣象序列研究中經(jīng)常采用的方法[16-17]。

對(duì)時(shí)間序列x1，x2，…，xn(n為樣本數(shù))，所有對(duì)偶觀測(cè)值(xi，xj，j>i)中xi

(4)

式中τ——Kendall秩統(tǒng)計(jì)量；U——Kendall秩次相關(guān)系數(shù)；P——系列中所有對(duì)偶觀測(cè)值(xi,xj,i

累積距平法是一種常用于判別水文氣象要素變化趨勢(shì)的方法，它可以直觀準(zhǔn)確地確定要素年際變化的階段性特征[18]。對(duì)于時(shí)間序列xi累積距平的計(jì)算方法表示為:

(5)

2.2.3Kriging空間插值法

克里金法(Kriging)是一項(xiàng)實(shí)用的空間估計(jì)技術(shù)，是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的重要組成部分，也是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心[19]，其計(jì)算原理是用空間上所有已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)求和來估計(jì)未知點(diǎn)的值[20]。本文基于ArcGIS 平臺(tái)的Kriging空間插值方法，進(jìn)行降雨量和降雨侵蝕力的空間分布特征分析。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)式(1)—(3)計(jì)算半月侵蝕力累計(jì)得到月降雨侵蝕力和年降雨侵蝕力。代表站降雨侵蝕力算術(shù)平均值為“三湖”流域平均降雨侵蝕力。

3.1 時(shí)間變化特征

3.1.1年際變化

a)多年變化特征?！叭绷饔蚨嗄昶骄涤炅?07.6 mm，多年平均降雨侵蝕力3 475 MJ·mm/(hm2·h)。梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站多年平均降雨量分別為：993.3、888.8、888.7、859.5 mm，多年平均降雨侵蝕力分別為4 172、3 448、3 191、3 088 MJ·mm/(hm2·h)；1992—2020年，“三湖”流域內(nèi)最大年降雨侵蝕力發(fā)生在1994年的梁王河站，為7 815 MJ·mm/(hm2·h)，最小年降雨侵蝕力發(fā)生在2011年的沙溝嘴站，為1 618 MJ·mm/(hm2·h)；流域平均年降雨侵蝕力變異系數(shù)為0.23，其中梁王河、海口、茶爾山、沙溝嘴站依次為0.32、0.30、0.27、0.25，可見流域內(nèi)梁王河站年降雨侵蝕變化較為離散，沙溝嘴站較為均衡。

1992—2020年期間，各站發(fā)生侵蝕性降雨日數(shù)686～759 d，梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站日最大降雨侵蝕力依次為2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般發(fā)生在7、9月。各代表站中，梁王河站侵蝕性降雨發(fā)生日數(shù)最多，日降雨侵蝕力較大；海口站和沙溝嘴站日降雨最大侵蝕力發(fā)生時(shí)間一致，見表2。

表2 1992—2020年各站及流域降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)

b)降雨量與降雨侵蝕力關(guān)系。建立流域內(nèi)各代表站年降雨量與年降雨侵蝕力相關(guān)關(guān)系，可知流域內(nèi)年降雨量與年降雨侵蝕力關(guān)系呈指數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)在0.79～0.89，其中梁王河站和?？谡镜南嚓P(guān)系數(shù)為0.88和0.89，相關(guān)性較好，見圖2。

a)梁王河站

b)?？谡?/p>

c)茶爾山站

d)沙溝嘴站

c)變化趨勢(shì)。1992—2020年，“三湖”流域年降雨侵蝕力總體呈波動(dòng)變化，基本隨年降雨量的增大而增大，兩者變化高低值基本對(duì)應(yīng)。最大年降雨侵蝕力年份與最大年降雨年份一致(1994年)，年降雨侵蝕力在3 000 MJ·mm/(hm2·h)以下對(duì)應(yīng)的年降雨量基本在660～880 mm，見圖3。

圖3 “三湖”流域年降雨量和年降雨侵蝕力變化過程

表3 1992—2020年“三湖”流域降雨侵蝕力變化趨勢(shì)與突變

1992年以來，“三湖”流域年降雨侵蝕力總體變化為不顯著增加趨勢(shì)，序列無顯著跳躍。其中梁王河站和沙溝嘴站變化為不顯著增加趨勢(shì)，序列在2013年前后發(fā)生突變；?？谡咀兓癁椴伙@著增加趨勢(shì)，序列無顯著跳躍；茶爾山站變化為不顯著減少趨勢(shì)，序列無顯著跳躍。

3.1.2降雨侵蝕力年內(nèi)變化

根據(jù)“三湖”流域氣候及降雨特征，春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至次年2月；汛期為5—10月，主汛期為6—9月，非汛期為11月至次年4月。各站降雨侵蝕力年內(nèi)變化差異較大。多年平均年內(nèi)最大降雨侵蝕力除了?？谡境霈F(xiàn)在6月外，其余站均出現(xiàn)在7月，年內(nèi)最小值各站均出現(xiàn)在2月，見圖4。

圖4 各站多年平均年內(nèi)降雨侵蝕力變化

從圖5看出，“三湖”流域降雨侵蝕力具有明顯的季節(jié)性變化特點(diǎn)，各季節(jié)降雨侵蝕力主要集中在夏季，占全年的61.4%；其次是秋季，占全年的23.4%；第三是春季，占全年的11.2%；最少是冬季，僅占全年的4.0%。年內(nèi)四季降雨侵蝕力變化表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。

圖 5 “三湖”流域多年平均季節(jié)降雨侵蝕力組成

從圖6可以看出，相比季節(jié)變化，“三湖”流域降雨侵蝕力在汛期和非汛期存在更加明顯的變化差異。多年平均降雨侵蝕力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%，非汛期占全年不到10%。年內(nèi)枯汛期降雨侵蝕力變化表現(xiàn)為汛期>主汛期>(枯季)非汛期。

圖6 “三湖”流域枯季和汛期降雨侵蝕力變化

3.2 空間分布特征

建立流域內(nèi)各代表站年內(nèi)不同時(shí)段降雨侵蝕力分布圖，根據(jù)各站點(diǎn)在流域內(nèi)的位置(梁王河、?？?、茶爾山、沙溝嘴站點(diǎn)方位依次為北、東中、中西、南)，可直觀地看出，年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蝕力基本呈從北向南逐漸遞減的趨勢(shì)；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蝕力基本呈東北向西南遞減的趨勢(shì)，見圖7。

圖7 各站年內(nèi)不同時(shí)段降雨侵蝕力分布

3.2.1年降雨與年降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域多年平均降雨量在空間上基本呈北多南少的分布趨勢(shì)，撫仙湖流域北部為降雨高值區(qū)，年降雨量超過980 mm；杞麓湖流域?yàn)榻涤炅康椭祬^(qū)，年降雨量低于860 mm；星云湖流域在“三湖”中位，年降雨量在860～900 mm。多年平均降雨侵蝕力空間分布趨勢(shì)基本與年降雨量分布趨勢(shì)一致，為北大南小，撫仙湖流域北部為降雨侵蝕力高值區(qū)，年降雨侵蝕力超過4 000 MJ·mm/(hm2·h)；南部的杞麓湖流域?yàn)榻涤昵治g力低值區(qū)，年降雨侵蝕力為3 000 MJ·mm/(hm2·h)左右；“三湖”流域中部的星云湖流域年降雨侵蝕力在3 000～3 200 MJ·mm/(hm2·h)，見圖8。

a)多年平均降雨量

b)多年平均降雨侵蝕力

3.2.2汛期和非汛期降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域汛期和非汛期降雨侵蝕力在空間分布上有較大差異。汛期降雨侵蝕力在2 600～4 000 MJ·mm/(hm2·h)，分布趨勢(shì)為北大南小；非汛期降雨侵蝕力在300～360 MJ·mm/(hm2·h)，流域東部?？谡靖浇鼮楦咧祬^(qū)，中部茶爾山站附近為低值區(qū)，其他大部分區(qū)域在320～330 MJ·mm/(hm2·h)，見圖9。

a)汛期

b)非汛期

3.2.3季節(jié)降雨侵蝕力空間分布

1992—2020年，“三湖”流域不同季節(jié)降雨侵蝕力在空間分布上也有較大差異。春季在340～440 MJ·mm/(hm2·h)，北部撫仙湖流域?yàn)楦咧祬^(qū)，中部星云湖流域和南部杞麓湖流域?yàn)榈椭祬^(qū)；夏季在1 800～2 800 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域北部為高值區(qū)，南部杞麓湖流域?yàn)榈椭祬^(qū)；秋季在700～950 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域東北部為高值區(qū)，南部杞麓湖流域?yàn)榈椭祬^(qū)；冬季僅在120～150 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域東部和杞麓湖流域中部為高值區(qū)，中部星云湖流域?yàn)榈椭祬^(qū)，見圖10。

a)春季

b)夏季

c)秋季

d)冬季

4 結(jié)論與討論

a)“三湖”流域多年平均降雨量907.6 mm，多年平均降雨侵蝕力3 475 MJ·mm/(hm2·h)，年降雨侵蝕力變異系數(shù)各站在0.25～0.32，北部梁王河站年降雨侵蝕變化較為離散，南部沙溝嘴站較為均衡。

b)各站發(fā)生侵蝕性降雨日數(shù)686～759 d，梁王河、?？凇⒉锠柹?、沙溝嘴站最大日降雨侵蝕力依次為2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般發(fā)生在7、9月。撫仙湖流域的梁王河站侵蝕性降雨發(fā)生日數(shù)最多，日降雨侵蝕力最大。各站年降雨量與年降雨侵蝕力關(guān)系呈指數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)在0.79～0.89，流域年降雨侵蝕力總體呈波動(dòng)變化，系列總體為不顯著增加趨勢(shì)，無突變。

c)降雨侵蝕力年內(nèi)變化差異較大。降雨侵蝕力夏季最為集中，占全年的61.4%；冬季最小，僅占全年的4.0%，四季降雨侵蝕力變化表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。降雨侵蝕力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%。

d)流域多年平均降雨侵蝕力空間分布趨勢(shì)基本與年降雨量分布趨勢(shì)一致，為北大南小，在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，撫仙湖流域北部為高值區(qū)，南部的杞麓湖流域?yàn)榈椭祬^(qū)。年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蝕力基本呈從北向南逐漸遞減的趨勢(shì)；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蝕力基本呈從東北向西南遞減的趨勢(shì)。

珠江流域多年平均降雨侵蝕力值分布范圍為1 858.0～14 656.6 MJ·mm/(hm2·h)[5]，本文分析結(jié)果“三湖”流域多年平均降雨侵蝕力在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，在珠江流域?qū)儆诘椭祬^(qū)，主要是因?yàn)榈嶂小叭绷饔驅(qū)儆谥榻搭^年降雨量低值區(qū)。降雨侵蝕力僅為反映降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力，其大小并不能直接表征流域水土流失潛力的大小，需結(jié)合下墊面和人類活動(dòng)情況具體而定。“三湖”流域大部分地區(qū)屬于巖溶地貌，存在一定程度石漠化問題，地面土層薄且容易遭強(qiáng)降雨沖刷，再加上人類活動(dòng)影響，容易引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題。建議參考降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律，并結(jié)合流域下墊面及人類活動(dòng)實(shí)際情況，有針對(duì)性地做好“三湖”流域水土保持措施，為保護(hù)治理“三湖”做好基礎(chǔ)性工作。