［關(guān)鍵詞］ 日雨量；降雨侵蝕力；變化趨勢(shì)；交叉小波分析；重慶市綦江區(qū)

［摘 要］ 降雨侵蝕力對(duì)土壤侵蝕定量預(yù)測(cè)和評(píng)估具有重要意義。采用日雨量侵蝕力模型、變異系數(shù)、M-K突變檢測(cè)和交叉小波分析等方法，研究重慶市綦江區(qū)三角鎮(zhèn)2016—2022年降雨量和降雨侵蝕力年際和年內(nèi)變化規(guī)律，結(jié)果表明：①年降雨侵蝕力與年降雨量變化趨勢(shì)相同，均屬中等變異；年均降雨量和年均降雨侵蝕力分別為1 133.14 mm和4 416.44MJ·mm/（hm2·h），最大值和最小值均分別發(fā)生在2020年和2022年。②降雨量年內(nèi)變化呈單峰式分布，4—10月降雨量占全年的78.07%，夏季侵蝕性降雨量達(dá)364.93 mm；降雨侵蝕力主要集中在5—8月。③年降雨侵蝕力在2016年、2018年和2021年發(fā)生突變，未通過(guò)置信水平90%顯著性檢驗(yàn)；月降雨侵蝕力M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z為-1.43，通過(guò)置信水平90%顯著性檢驗(yàn)。④月降雨量與月降雨侵蝕力呈顯著正相關(guān)（R2為0.867 1），在2017年2月至2021年1月存在顯著共振。

［中圖分類號(hào)］ S157.1 "［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A "DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.014

［引用格式］ 王宏.重慶市綦江區(qū)北部降雨量及降雨侵蝕力變化特征與趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)水土保持，2024（10）：49-54.

降雨是引起土壤水蝕的關(guān)鍵動(dòng)力因子，降雨侵蝕力可反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，也是土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型的重要指標(biāo)［1-4］。研究降雨與降雨侵蝕力的時(shí)間變化趨勢(shì)和突變情況，有益于定量估算土壤侵蝕量和合理規(guī)劃水土保持措施。

目前有關(guān)降雨侵蝕力的研究主要集中在不同量級(jí)降雨侵蝕力時(shí)空變化、降雨侵蝕力與侵蝕力密度評(píng)估、降雨侵蝕力變化規(guī)律及影響因素等方面［5-9］，研究方法主要包括建立模型、M-K突變分析、變異系數(shù)、熱圖與克里金法等［10］?；谌战涤炅康暮?jiǎn)易算法因其資料獲取容易和計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況準(zhǔn)確性較高，故得到廣泛應(yīng)用。章文波等［4］提出的利用日雨量估算降雨侵蝕力的方法在長(zhǎng)江流域、新疆維吾爾自治區(qū)、香溪河流域、重慶市、成都市等地運(yùn)用效果良好［10-13］。其中：龐延杰等［11］研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江流域降雨侵蝕力與經(jīng)度和年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與緯度和海拔呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。伊力哈木·伊馬木［12］研究發(fā)現(xiàn)，新疆多年平均降雨侵蝕力年內(nèi)分配集中在春夏。鄒玉霞等［5］采用簡(jiǎn)易模型計(jì)算1960—2017年重慶市降雨侵蝕力，結(jié)果表明降雨侵蝕力年內(nèi)分配不均，年均降雨侵蝕力呈東高西低格局。吳明洋［10］研究發(fā)現(xiàn)，成都降雨侵蝕力具有顯著的季節(jié)性特征，集中在夏季。劉惠英等［13］發(fā)現(xiàn)，三峽庫(kù)區(qū)香溪河流域降雨侵蝕力年際分配差異顯著，最大年降雨侵蝕力值為最小年降雨侵蝕力值的3倍，多年平均降雨量和降雨侵蝕力經(jīng)M-K檢驗(yàn)無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

本研究選擇重慶市綦江區(qū)三角鎮(zhèn)為研究對(duì)象，利用降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析年際、年內(nèi)、季節(jié)降雨及降雨侵蝕力狀況，研究降雨量及降雨侵蝕力突變趨勢(shì)，探明降雨與降雨侵蝕力的關(guān)系，以期為該區(qū)域和綦江流域水土流失調(diào)查、水土流失防治和土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三角鎮(zhèn)位于重慶市綦江區(qū)東北部，是一個(gè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，位于四川盆地東南邊緣，地形以山地、丘陵為主。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降水量達(dá)1 060 mm，全年無(wú)霜期250～300 d。三角鎮(zhèn)境內(nèi)主要河流為三角鎮(zhèn)河，全長(zhǎng)37.6 km，年均流量3.2 m3/s。區(qū)域內(nèi)坡耕地面積較大，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。據(jù)2016—2022年資料統(tǒng)計(jì)，年平均降雨量1 133.14 mm，最大年降雨量1 580.50 mm（2020年），最小年降雨量790.50 mm（2022年）［14］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

利用三角鎮(zhèn)的魚欄咀庫(kù)區(qū)中小河流簡(jiǎn)易雨量站獲取2016—2022年的逐日降雨資料，基于日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算三角鎮(zhèn)半月降雨侵蝕力，匯總獲得月降雨侵蝕力、年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力。春、夏、秋、冬分別指3—5月、6—8月、9—11月和12月到翌年2月。降雨量、年降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010軟件，M-K突變檢測(cè)和交叉小波分析使用MATLAB軟件，繪圖使用Origin 2021軟件。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨侵蝕力計(jì)算

采用章文波等［4］提出的日降雨量侵蝕力模型計(jì)算三角鎮(zhèn)降雨侵蝕力，該模型廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)江流域和三峽庫(kù)區(qū)的降雨侵蝕力計(jì)算［13］。計(jì)算公式為

Ri=α∑kj=1（Pj）β（1）

α=21.586β－7.189 1（2）

β=0.836 3+18.144Pd12+24.455Py12（3）

式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段內(nèi)降雨侵蝕力，單位MJ·mm/（hm2·h）；Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天侵蝕性日降雨量（≥12 mm的降雨量），單位mm；k為第i個(gè)半月內(nèi)日降雨量≥12mm的降雨日數(shù)，單位d，半月時(shí)段以每月前15 d為一個(gè)半月時(shí)段，剩下為另一個(gè)半月時(shí)段［3］；α、β為模型計(jì)算參數(shù)；Pd12為≥12 mm日降雨量，單位mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年均降雨量，單位mm。

1.3.2 M-K突變檢測(cè)

Mann和Kendall提出的M-K檢驗(yàn)法具有不需要樣本服從正態(tài)分布和不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點(diǎn)，適用于氣候變化趨勢(shì)分析［15-16］。

本研究采用其檢驗(yàn)?zāi)?、月降雨量和年、月降雨侵蝕力變化趨勢(shì)和時(shí)間突變。

1.3.3 變異系數(shù)分析

采用SPSS進(jìn)行變異系數(shù)（CV）分析，其大小能反映要素的離散程度。CV≤10%為弱變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV≥100%為強(qiáng)變異［17］。

1.3.4 交叉小波分析

交叉小波可揭示兩序列在高能量區(qū)的位相關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩時(shí)間序列的變化特征和耦合波動(dòng)，本研究在MATLAB軟件中采用交叉小波分析降雨侵蝕力與降雨量的關(guān)系［18-19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與降雨侵蝕力年際變化

三角鎮(zhèn)2016—2022年平均降雨量為1 133.14 mm，年均降雨侵蝕力為4 416.44 MJ·mm/（hm2·h）。年降雨侵蝕力與年降雨量7 a間變化趨勢(shì)基本相同（見(jiàn)圖1），最大值均發(fā)生在2020年，分別為7 824.45 MJ·mm/（hm2·h）和1 580.50 mm，最小值均在2022年，分別為1 722.79 MJ·mm/（hm2·h）和790.50 mm。最大年降雨量分別是年均降雨量和最小年降雨量的1.39倍和2.00倍，年際差異較大。多年平均侵蝕性降雨量為712.79 mm。年均降雨侵蝕力和年均降雨量極值比分別為1∶4.54和1∶2.00，說(shuō)明年均降雨侵蝕力變化幅度較大。年均降雨量和年均降雨侵蝕力變異系數(shù)分別是21.69%和41.33%，均屬于中等變異，但年均降雨侵蝕力變異系數(shù)接近年均降雨量的2倍，進(jìn)一步表明降雨侵蝕力年際變化劇烈。

2.2 降雨量與降雨侵蝕力年內(nèi)變化

由表1可知，三角鎮(zhèn)降雨集中在4—10月，降雨量年內(nèi)變化呈單峰式分布，該時(shí)段降雨量占全年的78.07%；年內(nèi)侵蝕性降雨主要集中在5—9月，占年總侵蝕性降雨量的79.43%；夏季侵蝕性降雨量達(dá)364.93 mm，占年總侵蝕性降雨量的51.20%，春季和秋季侵蝕性降雨量分別為210.85、126.50 mm，占年總侵蝕性降雨量的29.58%、17.75%，冬季基本不發(fā)生侵蝕性降雨。

由表2可知，三角鎮(zhèn)降雨侵蝕力主要集中在夏季，占全年的59.23%，其次是春季，占25.90%，冬季的降雨侵蝕力最小，占全年的1.16%，表明降雨侵蝕力季節(jié)分布不均。春季5月及夏季（6—8月）降雨侵蝕力較大，達(dá)3 292.74 MJ·mm/（hm2·h），占全年的74.56%，說(shuō)明該時(shí)期是三角鎮(zhèn)水土流失最嚴(yán)重的時(shí)候，應(yīng)加強(qiáng)水土流失治理和減少開發(fā)建設(shè)。春季的3—4月和秋季的9—10月降雨侵蝕力占全年的23.17%。低值期為秋季的11月、冬季的12月和次年的1月，占全年的2.27%，無(wú)侵蝕期主要發(fā)生在次年的2月，表明該時(shí)期可開展坡改梯工程、基本農(nóng)田建設(shè)等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)。另外，1月、3月、11月和12月的降雨侵蝕力變異系數(shù)均大于100%，屬?gòu)?qiáng)變異。

2.3 降雨量與降雨侵蝕力突變分析

年降雨量與年降雨侵蝕力變化的M-K檢驗(yàn)Uf（正序列統(tǒng)計(jì)量）、Ub（反序列統(tǒng)計(jì)量）均存在3個(gè)較明顯交點(diǎn)，見(jiàn)圖2（a）和圖2（b）。年降雨量突變點(diǎn)主要在2016年、2017年和2021年，年降雨侵蝕力突變點(diǎn)主要是在2016年、2018年和2021年。年降雨量和年降雨侵蝕力M-K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值Z分別為-0.90和-1.20，說(shuō)明三角鎮(zhèn)年降雨量和年降雨侵蝕力隨著時(shí)間推移均呈減小趨勢(shì)。|Z|≥1.28或|Z|≥1.64時(shí)，分別表示通過(guò)置信水平90%和95%的顯著性檢驗(yàn)，因此年降雨量和年降雨侵蝕力沒(méi)有通過(guò)置信水平90%的顯著性檢驗(yàn)，減小趨勢(shì)不明顯［17］。對(duì)2016年1月至2022年12月共計(jì)84個(gè)月的月降雨量、月降雨侵蝕力進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖2（c）、圖2（d），由圖2（c）、圖2（d）可知，Uf、Ub曲線在2016年12月、2017年5月、2017年11月、2018年2月、2021年12月、2022年8月和2022年10月存在7個(gè)突變點(diǎn)，但月降雨侵蝕力僅2016年3月和10月存在突變點(diǎn)，這說(shuō)明降雨侵蝕力不僅僅受降雨影響，還受其他因素影響。月降雨量和月降雨侵蝕力M-K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值Z分別為-1.19和-1.43，表明月降雨量和月降雨侵蝕力隨時(shí)間推移而減小，月降雨侵蝕力通過(guò)置信水平90%的顯著性檢驗(yàn)。

2.4 降雨量與降雨侵蝕力相關(guān)性分析

對(duì)三角鎮(zhèn)2016—2022年月降雨量及月降雨侵蝕力進(jìn)行線性擬合分析（見(jiàn)圖3）可知，擬合方程為y=6.313 9x-228.17，降雨侵蝕力與降雨量呈顯著正相關(guān)

（決定系數(shù)R2為0.867 1），說(shuō)明降雨侵蝕力隨著降雨增大而增大?；诮徊嫘〔ǚ治龅玫皆陆涤昵治g力與月降雨量相關(guān)關(guān)系結(jié)果，見(jiàn)圖4。由圖4可知，粗實(shí)線包圍區(qū)域通過(guò)95%置信水平紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)，細(xì)弧包圍區(qū)域?yàn)樾〔ㄓ绊戝F內(nèi)的有效譜值，色條右側(cè)的數(shù)字為相對(duì)功率譜值，箭頭為降雨與降雨侵蝕力間相位關(guān)系。箭頭基本指向右下方，說(shuō)明降雨侵蝕力與降雨同相位且存在正相關(guān)關(guān)系，降雨侵蝕力滯后于降雨。降雨對(duì)月尺度的降雨侵蝕力有較強(qiáng)影響，降雨侵蝕力與降雨量在2017年2月至2021年1月（以10～14個(gè)月為周期）存在顯著共振，高能量區(qū)對(duì)應(yīng)頻段相關(guān)性均呈正相關(guān)，主要原因是作為水土流失動(dòng)力之一的降雨變化幅度大，故對(duì)降雨侵蝕力變化的影響較大。

3 討論

重慶市綦江區(qū)北部年降雨侵蝕力與年降雨量變化趨勢(shì)一致，均隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)。本研究區(qū)域年均降雨量與年均降雨侵蝕力均屬中等變異，同時(shí)重慶年均降雨侵蝕力也屬中等變異［5］，與本研究結(jié)果一致。齊斐等［20］研究也發(fā)現(xiàn)沂蒙山國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)降雨侵蝕力年際波動(dòng)屬中等變異。降雨侵蝕力集中在夏季，四季差異明顯，表明夏季發(fā)生土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)最高，需重點(diǎn)關(guān)注夏季降雨侵蝕力監(jiān)測(cè)、模擬與評(píng)估。本研究年內(nèi)降雨量和降雨侵蝕力集中在5—8月，最大月為6月，與魏興萍等［6］發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相同，該月應(yīng)避免實(shí)施較大強(qiáng)度開挖、擾動(dòng)和堆棄土體的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，加強(qiáng)水土流失防護(hù)措施［21］。另外，5—9月也是三峽庫(kù)區(qū)陳家溝小流域降雨集中期［22］。本研究中年降雨侵蝕力與年降雨量均未通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，但月降雨侵蝕力通過(guò)檢驗(yàn)。本研究中降雨侵蝕力與降雨量呈顯著正相關(guān)，這與姬興杰等［9］的研究結(jié)果一致，表明降雨是導(dǎo)致降雨侵蝕力變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。本研究對(duì)三角鎮(zhèn)的降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行了時(shí)間分布研究，今后應(yīng)關(guān)注三角鎮(zhèn)降雨侵蝕力與侵蝕性降雨之間的關(guān)系、降雨量和降雨侵蝕力空間變化規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因素等研究。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)2016—2022年的年均降雨量和年均降雨侵蝕力分別為1 133.14 mm和4 416.44 MJ·mm/（hm2·h），年均降雨侵蝕力與年均降雨量最大值均發(fā)生在2020年，年際差異較大；年均降雨量和年均降雨侵蝕力均屬中等變異。

2）研究區(qū)年內(nèi)侵蝕性降雨主要集中在5—9月，夏季侵蝕性降雨量達(dá)364.93 mm；降雨侵蝕力主要集中在夏季（占全年的59.23%），其均值為2 616.05 MJ·mm/（hm2·h）；5—8月為降雨侵蝕力高值期，達(dá)3 292.74 MJ·mm/（hm2·h）。

3）年降雨量和年降雨侵蝕力的突變點(diǎn)均包括2016年和2021年，且均未通過(guò)信度90%的顯著性檢驗(yàn)；月降雨量與月降雨侵蝕力突變點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間差異較大，降雨侵蝕力通過(guò)了信度90%的顯著性檢驗(yàn)（Z=-1.43）。

4）月降雨侵蝕力與月降雨量呈顯著正相關(guān)（R2為0.867 1），降雨對(duì)月尺度的降雨侵蝕力有較強(qiáng)影響。降雨侵蝕力與降雨量在2017年2月至2021年1月（以10～14個(gè)月為周期）存在顯著共振。

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收稿日期： 2024-02-03

第一作者： 王宏（1981—），男，重慶綦江人，高級(jí)工程師，主要從事水土保持預(yù)防監(jiān)督管理、水土流失治理和水土保持監(jiān)測(cè)工作。

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（責(zé)任編輯 楊傲秋）