渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究

柴雪柯, 高 鵬,2, 蔣觀滔, 穆興民,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

?

渭河流域降雨侵蝕力時(shí)空變化研究

柴雪柯1, 高 鵬1,2, 蔣觀滔1, 穆興民1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

降雨侵蝕力是反映流域降雨侵蝕能力的重要指標(biāo)?；谖己恿饔蚣爸苓叺貐^(qū)25站56年的日降雨量，分析了流域降雨侵蝕力及其時(shí)空變化。結(jié)果表明：渭河流域降雨侵蝕力與降雨量的空間分布趨勢基本一致，由東南向西北遞減，變化范圍為1 000～3 600 MJ·mm/(hm2·h·a)；降雨侵蝕力在年內(nèi)呈單峰型分布，8月最大，1月最小，但6—9月占年侵蝕力的70%左右；渭河流域各站降雨侵蝕力年際差異顯著；降雨侵蝕力年際變率為0.40～0.54，尤其20世紀(jì)80年代以來隨機(jī)波動大且表現(xiàn)出一定減小趨勢，但整體并無顯著增加或減少趨勢。

日降雨量; 降雨侵蝕力; 時(shí)空變化; 渭河流域

降雨是水蝕地區(qū)導(dǎo)致土壤侵蝕的主要動力因素。在通用土壤流失方程中，降雨侵蝕力因子反映了降雨因素對土壤侵蝕的潛在作用。Wischmeier等[1]的降雨侵蝕力是基于次降雨過程，資料的摘錄和計(jì)算過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，國內(nèi)外研究者陸續(xù)提出降雨侵蝕力的簡化算法[2-4]。我國利用雨強(qiáng)、日雨量、月雨量、年雨量等資料估算降雨侵蝕力，取得了有意義的成果[5-15]。章文波等[16]根據(jù)我國實(shí)測降雨量值，建立了基于日降雨量的降雨侵蝕力模型，并給出了參數(shù)估算方法，計(jì)算精度較高。穆興民等[17]據(jù)此分析了黃土高原降雨侵蝕力的時(shí)空變化；李良東等[18]運(yùn)用此模型對遼河流域近50年降雨侵蝕力時(shí)空變化進(jìn)行了分析。渭河流域的水土流失相當(dāng)嚴(yán)重，但是對此流域降雨侵蝕力及時(shí)空變化的研究較少。本文基于日降雨資料估算流域降雨侵蝕力，分析渭河流域降雨和降雨侵蝕力年內(nèi)分配和年際變化，繪制降雨侵蝕力空間分布等值線圖，為沒有降雨資料的地區(qū)估算侵蝕力提供參考，為該流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)、防治和綜合治理提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

渭河是黃河最大支流(圖1)，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西3省，在陜西省潼關(guān)縣附近注入黃河。渭河全長818 km，流域總面積134 766 km2，位于東經(jīng)104°00′—110°20′，北緯33°50′—37°18′。渭河流域降水量400～800 mm，多年平均蒸發(fā)量1 000～2 000 mm。流域多年平均徑流量95億m3，多年平均輸沙量4.58億t。渭河流域水土流失面積約10.36萬km2，占流域面積的76.9%。

圖1渭河流域示意圖

2　數(shù)據(jù)與方法

本研究采用1985—2013年渭河流域內(nèi)15站及周邊地區(qū)10站共計(jì)25站的逐日降雨資料。

2.2方 法

降雨侵蝕力采用章文波等[19]提出的日降雨量估算降雨侵蝕力模型，研究認(rèn)為：當(dāng)采用最優(yōu)參數(shù)時(shí)，該模型估算的多年平均侵蝕力與Wischmeier等[1]提出

的方法所求得的降雨侵蝕力近似，它們之間的決定系數(shù)達(dá)0.999。具體計(jì)算模型如下：

(1)

式中：Ri——第i個(gè)半月的侵蝕力值[MJ·mm/(hm2·h)]；α，β——參數(shù)；m——半月內(nèi)侵蝕性降雨日數(shù)；Pk——半月內(nèi)第k天的侵蝕性日降雨量(即日雨量>12 mm)。侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)為日降雨量≥12 mm，否則以0計(jì)算[20]。半月時(shí)段的劃分以每月第15日為界，每月前15 d作為一個(gè)半月時(shí)段，15 d后作為另一個(gè)半月時(shí)段，全年共24個(gè)時(shí)段。

(2)

α=21.586β-7.1891

US-FANC是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包括患者是選取、標(biāo)本取材、結(jié)果的判定等環(huán)節(jié)，涉及甲狀腺外科、超聲、病理等科室，每個(gè)環(huán)節(jié)的欠缺都影響到US-FANC診斷的準(zhǔn)確率及臨床應(yīng)用價(jià)值。

(3)

式中：Pd12——一年侵蝕性降雨日雨量的平均值；Py12——年侵蝕性降雨量的多年平均值。利用公式(1)—(3)來計(jì)算逐年各半月的降雨侵蝕力，經(jīng)匯總得到月降雨侵蝕力、年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力。

3　結(jié)果與分析

3.1年降雨量和年侵蝕性降雨量特征

如表1所示，渭河流域的年均降雨量及侵蝕性降雨量有自東南向西北遞減趨勢，寶雞、華山一帶年降雨量高達(dá)600～750 mm，西吉、固原一帶年降雨量減至400 mm左右。流域內(nèi)各站侵蝕性降雨量占全年降雨總量的比例不同，最多的華山占66.5%，而最少的西吉占48.5%，平均約為59.5%。

表1　渭河流域各站點(diǎn)侵蝕性降雨特征

3.2降雨侵蝕力年內(nèi)分配

渭河流域降雨侵蝕力年內(nèi)分配呈單峰型(圖2)，最大8月，為482.4 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的22.7%，最小1月，僅占全年的0.2%。在雨季的6—9月累積降雨侵蝕力占全年的70%左右。

3.3降雨侵蝕力年際變化

渭河流域各站降雨侵蝕力年際差異顯著。如表2所示，不同地區(qū)的年降雨侵蝕力差異及波動范圍都比較大，如華山站的最大年降雨侵蝕力為5 508.7 MJ·mm/(hm2·h)，而最小年僅644.1 MJ·mm/(hm2·h)，前者是后者的8.55倍，變異系數(shù)達(dá)0.407。西吉的最大年降雨侵蝕力為1 241.7 MJ·mm/(hm2·h)，而最小年僅140.8 MJ·mm/(hm2·h)，前者是后者的17.9倍，變異系數(shù)達(dá)0.542。不同地區(qū)間，渭河流域西北部西吉一帶降雨侵蝕力年際差異較大，東南部華山一帶降雨侵蝕力年際差異相對較小。

由圖3可以看出，渭河流域降雨侵蝕力年際變化顯著，隨機(jī)波動大。最大值為2 654.9 MJ·mm/(hm2·h)，最小值為938.6 MJ·mm/(hm2·h)。分析距平累積曲線可知，1990—2002年變化明顯，降雨侵蝕力累積距平曲線斜率為負(fù)，說明降雨侵蝕力值逐漸減少，但整體并無顯著增加或減少趨勢。

渭河流域年降雨量及年降雨侵蝕力均無顯著增加或減小的趨勢性變化。采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對渭河流域15站降雨侵蝕力年際變化進(jìn)行趨勢性辨析(表3)，盡管年降雨量的Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)參數(shù)Z均為正，但沒有達(dá)到0.05的信度水平，降雨侵蝕力的Z值有正也有負(fù)，但也均未達(dá)到0.05的信度水平。表明渭河流域各站的年降雨量及侵蝕力的年際變化統(tǒng)計(jì)學(xué)上未表現(xiàn)出顯著的趨勢性增加或減小。

圖2　渭河流域各站降雨侵蝕力年內(nèi)分布

圖3渭河流域平均降雨侵蝕力年際變化及距平累積變化

3.4降雨侵蝕力空間分布

通過日降雨量計(jì)算求得渭河流域及周邊地區(qū)25站的降雨侵蝕力值。25站平均為2 081 MJ·mm/(hm2·h)，渭河流域15站平均為2 045 MJ·mm/(hm2·h)。從圖4中可知，渭河流域多年平均降雨侵蝕力呈從東南到西北逐漸遞減趨勢。在空間上形成兩個(gè)明顯的高值區(qū)和一個(gè)低值區(qū)，其中在流域東南部地區(qū)形成以華山為中心的高值區(qū)，南部形成以佛坪為中心的高值區(qū)，西北地區(qū)形成以會寧為中心的低值區(qū)。降雨侵蝕力多年平均值變化范圍是1 241.7～3 583.9 MJ·mm/(hm2·h)。在佛坪與武功之間等值線密度較大，說明此地區(qū)降雨侵蝕力變化梯度大。

表3　渭河流域降雨量及年降雨侵蝕力變化趨勢的M-K檢驗(yàn)

注：統(tǒng)計(jì)量為正值表示增加趨勢，為負(fù)值表示減少趨勢。顯著性水平0.05時(shí)，檢驗(yàn)臨界值為±1.96；顯著性水平0.01時(shí)，檢驗(yàn)臨界值為±2.58。

圖4渭河流域1958-2013年平均降雨侵蝕力等值線

圖5渭河流域不同年代平均降雨侵蝕力等值線

采用克里金插值分別作出20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初5個(gè)階段的降雨侵蝕力空間分布圖。由圖5可見，5個(gè)年代的降雨侵蝕力空間分布是動態(tài)變化的，R的高值區(qū)處于不斷變化中且無顯著規(guī)律。多年平均降雨侵蝕力均有從東南到西北遞減的趨勢。20世紀(jì)60年代(1960—1969年)，降雨侵蝕力的高值區(qū)在渭河流域南部、以華山為中心的地區(qū)，低值區(qū)在渭河流域西北部；70年代(1970—1979年)，降雨侵蝕力高值區(qū)在渭河流域南部，華山和長武一帶降雨侵蝕力值也較高，低值區(qū)偏向西吉地區(qū)；80年代(1980—1989年)沒有明顯的低值區(qū)，高值區(qū)是渭河流域南部、以華山為中心的高值區(qū)；90年代(1990—1999年)，出現(xiàn)了一個(gè)小范圍的高值區(qū)——平?jīng)?，渭河流域南部、華山仍是兩個(gè)明顯的高值區(qū)，低值區(qū)呈向西移動的趨勢；21世紀(jì)00年代(2000—2009年)，等值線密集，洛川也是一個(gè)小范圍的高值區(qū)，低值區(qū)在渭河流域西北部。

綜上所述，渭河流域不同年代降雨侵蝕力的空間分布是動態(tài)變化的，高值區(qū)變化較明顯，低值區(qū)變化不大，每一年代渭河流域降雨侵蝕力的空間差異也不同，有的年代分布較均勻，有的年代相差較大。

4　結(jié) 論

(1) 渭河流域內(nèi)年均降雨侵蝕力為1 000～3 600 MJ·mm/(hm2·h)，其空間變化趨勢從東南向西北遞減，不同年代降雨侵蝕力空間分布、等值線疏密度等也有顯著差異。

(2) 渭河流域降雨侵蝕力年內(nèi)分配呈單峰型，最大8月為482.4 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的22.7%，最小1月僅占全年的0.2%。在雨季的6—9月累積降雨侵蝕力占全年的70%左右。

(3) 渭河流域各站降雨侵蝕力年際差異顯著。渭河流域各站的年降雨量及侵蝕力的年際變化統(tǒng)計(jì)學(xué)上未表現(xiàn)出顯著的趨勢性增加或減小。

[1]Wischmeier W H, Smith D D. Rainfall energy and its relationship to soil loss[J]. Transactions American Geophysical Union,1958,39(2):285-291.

[2]王萬中,張憲奎.中國降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(Ⅱ)[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1996,2(1):29-39.

[3]王萬中,張憲奎.中國降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(I)[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(4):7-18.

[4]謝云,章文波,劉寶元.用日雨量和雨強(qiáng)計(jì)算降雨侵蝕力[J].水土保持通報(bào),2001,21(6):53-56.[5]何錫君,呂振平,楊軒,等.浙江省降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律分析[J].水土保持研究,2010,17(6):31-34.

[6]劉正佳,劉占仁,王絲絲,等.基于日降雨的沂蒙山區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空變化研究[J].水土保持研究,2012,19(2):34-38.

[7]張黎明,林金石,于東升,等.我國南方地區(qū)降雨侵蝕力指標(biāo)R的建立研究:以江西鷹潭地區(qū)為例[J].水土保持研究,2011,18(5):1-4.

[8]段文明,穆興民,王飛,等.嘉陵江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化分析[J].水土保持通報(bào),2012,32(5):182-185.

[9]劉春利,楊勤科,謝紅霞.延河流域降雨侵蝕力時(shí)空分布特征[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(4):850-857.

[10]馬良,姜廣輝,左長清,等.江西省50余年來降雨侵蝕力變化的時(shí)空分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009(10):61-68.

[11]吳昌廣,林德生,肖文發(fā),等.三峽庫區(qū)降雨侵蝕力時(shí)空分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(1):151-158.

[12]劉斌濤,陶和平,宋春風(fēng),等.1960—2009年中國降雨侵蝕力的時(shí)空變化趨勢[J].地理研究,2013,32(2):245-256.

[13]賴成光,陳曉宏,王兆禮,等.珠江流域1960—2012年降雨侵蝕力時(shí)空變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(8):159-167.

[14]劉斌濤,陶和平,宋春風(fēng),等.基于重心模型的西南山區(qū)降雨侵蝕力年內(nèi)變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(21):113-121.

[15]朱強(qiáng),陳秀萬,樊啟祥,等.基于TRMM的降雨侵蝕力計(jì)算方法[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2011,41(11):1483-1492.

[16]章文波,付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學(xué),2003,25(1):35-41.

[17]穆興民,戴海倫,高鵬,等.陜北黃土高原降雨侵蝕力時(shí)空變化研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(3):37-43.

[18]李良東,高鵬,穆興民,等.遼河流域降雨侵蝕力時(shí)空變化分析[J].中國水土保持科學(xué),2009,7(2):69-73.

[19]章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學(xué),2002,22(6):705-711.

[20]謝云,劉寶元,章文波.侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(4):6-11.

Spatiotemporal Variability of Rainfall Erosivity in Weihe River Basin

CHAI Xueke1, GAO Peng1,2, JIANG Guantao1, MU Xingmin1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

Rainfall erosivity is an index of erosion ability of rain water. Using the daily rainfall data of twenty-five meteorological sites in Weihe River, we estimated the rainfall erosivity and analyzed its spatiotemporal variability. The results showed that the spatial characteristic of rainfall erosivity was consistent with the spatial distribution of rainfall, declining from southeast to northwest and varying from 1 000 to 3 600 MJ·mm/(hm2·h·a). The distribution of rainfall erosivity is unimodal，the max value occurred in August, the minimum was observed in January and rainfall erosivity from June to September occupied about 70% of the whole year. The inter-annual variation was significant and coefficient of variation was between 0.4 and 0.54. Especially random fluctuations and a decreasing trend had been showed since the 1980s, but there was no significant trends of variation totally.

daily rainfall; rainfall erosivity; spatiotemporal variability; Weihe River Basin

2015-01-18

2015-06-18

國家自然基金(41371277);中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-04-03);中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2011289)

柴雪柯(1993—),女,山西運(yùn)城人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)水文和水土保持。E-mail:chaixueke@163.com

高鵬(1976—),男,陜西寶雞人,博士,副研究員,碩士生導(dǎo)師,主要從事水土保持和流域生態(tài)水文研究。E-mail:gaopeng@ms.iswc.ac.cn

S157.1

A

1005-3409(2016)03-0025-04