廣西南流江流域降雨侵蝕力時(shí)空變化特征*

陳國清，趙銀軍**，莫德麗，梁 珊，謝余初，童 凱

(1.南寧師范大學(xué)，北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西地表過程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530001；2.南寧師范大學(xué)，地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧 530001)

0 引言

降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要因素之一[1-2]，降雨侵蝕力(Rainfall Erosivity，簡稱R)是指降雨過程引起地表土壤侵蝕的潛在能力，能客觀表征降雨量大小、降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能和降雨歷時(shí)等對土壤侵蝕的綜合影響程度[1-3]。估算和分析降雨侵蝕力及其時(shí)空分布格局，對區(qū)域水土保持現(xiàn)狀評價(jià)、預(yù)報(bào)、治理和規(guī)劃具有重要意義[4-5]。目前，定量計(jì)算與表征降雨侵蝕力的經(jīng)典方法是Wischmeier 等[2]提出的基于降雨動(dòng)能(E)和降雨強(qiáng)度(I)乘積的算法，但由于長序列的短時(shí)尺度(秒、分或小時(shí))雨量信息等降雨動(dòng)能數(shù)據(jù)難以獲取，且計(jì)算繁瑣費(fèi)時(shí)，使得該方法在一般地區(qū)難以直接應(yīng)用[5-7]。而各氣象站的雨量資料較容易獲取，基于日、月、年尺度雨量資料的降雨侵蝕力簡易算法應(yīng)運(yùn)而生，并得到實(shí)踐與應(yīng)用[6-7]。相對于年或月雨量，日雨量能夠提供更豐富的降雨特征信息，其模型算法估算精度相對較高[7-8]，不僅被全國第一次水利普查采用[9]，而且適用于我國大部分地區(qū)，在各地降雨侵蝕力研究中得到較為廣泛的應(yīng)用，如珠江流域[7]、怒江[10]、四川省[11]、南方紅壤區(qū)[12]、曲靖市[13]等。

南流江流域是我國西部大開發(fā)三大經(jīng)濟(jì)區(qū)之一的廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成區(qū)域，也是廣西典型的紅壤和亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)水土保持重要區(qū)域之一。近年來，隨著全球環(huán)境變化以及北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的不斷發(fā)展、森林轉(zhuǎn)型(林權(quán)改革)等影響，土地覆被變化強(qiáng)烈，流域水土流失防控工作形勢嚴(yán)峻[14-16]。流域內(nèi)降水空間分異大，降雨尤其是臺(tái)風(fēng)帶來的暴雨等是該區(qū)域水土流失的主要外動(dòng)力因素之一[15-17]。為此，本研究利用南流江流域內(nèi)氣象站點(diǎn)1961—2006年間日降雨量資料和下游泥沙觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用日降雨量侵蝕力模型估算和分析流域內(nèi)40多年平均降雨侵蝕力及其時(shí)空變化特征與規(guī)律，并討論研究區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，旨在為廣西沿海紅壤區(qū)土壤侵蝕監(jiān)測與水土流失防治及規(guī)劃工作等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南流江流域(21°34′—22°52′N，108°51′—110°22′E)地處廣西東南沿海，發(fā)源于廣西北流市大容山，干流長約287 km，流域面積約9 337 km2。流域東部、西部和北部地勢相對較高，中部和南部地勢偏低，上游有玉林盆地，中游是博白盆地和丘陵，下游是合浦沖積平原[17-18]。南流江流域多年平均徑流量為166 m3/s，水力資源較為豐富，是廣西沿海紅壤和磚紅壤區(qū)的最大入海河流。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫涼少雨，年平均氣溫21—23℃，雨量豐沛，大雨暴雨多發(fā)，年平均降雨量達(dá)1 400—1 960 mm，豐水期集中在4—10月[14-16]。主要土壤類型為紅壤、磚紅壤、棕壤、赤紅壤、黃棕壤、潮土、褐土、水稻土等，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主[14-16]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

南流江流域8個(gè)氣象站點(diǎn)，1961—2006年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和下游常樂水文站輸沙量觀測數(shù)據(jù)，來自于中華人民共和國水文年鑒珠江流域水文資料。流域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布均勻，且各站點(diǎn)降雨量觀測數(shù)據(jù)時(shí)間跨度均大于40 a，同時(shí)單個(gè)站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)均未超過10%。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于歷史原因浦北站在1962—1966年的數(shù)據(jù)記錄不完整，因此在計(jì)算流域1962—1966年降雨侵蝕力時(shí)剔除浦北站。

1.3 方法

1.3.1 降雨侵蝕力模型

采用第一次全國水利普查水土保持專項(xiàng)普查使用的日降雨侵蝕力估算方程，該方法在中國南方降水豐沛的地區(qū)表現(xiàn)較好、計(jì)算精度相對較高[7-8,12-13]。具體計(jì)算公式如下：

(1)

β=0.8363+18.144/Pd12+24.455/Py12，

(2)

α=21.586β-7.1891，

(3)

式中：Mi為第i個(gè)半月的降雨侵蝕力，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；k為半月的天數(shù)，Dj為半月內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量；α、β為模型參數(shù)，根據(jù)區(qū)域的降水量確定。本文中，半月時(shí)段的劃分方法是以每月的1—15天作為第一個(gè)半月，余下的天數(shù)作為第二個(gè)半月。Pd12是日雨量大于12 mm的日平均雨量，Py12是日雨量大于12 mm的年平均雨量，根據(jù)南流江流域特征選取我國南方較常用的日降雨量≥20 mm 作為閾值[4,19-20]。

1.3.2 降雨侵蝕力時(shí)空特征

南流江流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化主要采取趨勢分析、周期分析和克里金(Kriging) 插值法。即利用線性回歸方程分析流域降雨侵蝕力的時(shí)間趨勢變化[21]；然后，采用小波分析(Wavelet Analysis)方法計(jì)算分析降雨侵蝕力的時(shí)間序列周期變化特征，具體方法原理與步驟詳見文獻(xiàn)[22]。同時(shí)，利用ArcGIS空間分析克里金插值方法對流域降雨量和降雨侵蝕力進(jìn)行空間內(nèi)插，得到連續(xù)分布的流域內(nèi)多年平均降雨侵蝕力空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南流江流域降雨侵蝕力的時(shí)間變化

2.1.1 降雨侵蝕力年際變化

首先，1961—2006年間南流江流域平均降雨侵蝕力為13 935.5 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，年降雨侵蝕力呈現(xiàn)波動(dòng)變化、輕微增加的趨勢。其中，南流江流域年降雨侵蝕力在1961—1964年間表現(xiàn)為不明顯的上升趨勢；在1965—1978年間則表現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢；之后在1979—1991年間也呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢。在1992—2006年間，南流江流域降雨侵蝕力則表現(xiàn)出較大的波動(dòng)變化，振幅高達(dá)7 802 .2 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，年際變化大(圖1a)。其次，南流江流域年降雨侵蝕力(圖1a)與年降雨量(圖1b)變化趨勢基本相似。其中，流域內(nèi)年降雨侵蝕力和年降雨量較低的峰值出現(xiàn)年份相一致，兩者均出現(xiàn)在1962年、1989年；而年降雨侵蝕力和年降雨量最高峰值出現(xiàn)年份略有輕微差異，年降雨侵蝕力較高的峰值出現(xiàn)在1981年和2006年，分別為22 856.0 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1和21 737.8 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，年降雨量的最大值出現(xiàn)的年份則是1981年(2 423.6 mm)和2002年(2 320.2 mm)。

圖1 1961—2006年南流江流域年降雨侵蝕力(a)和年降雨量(b)的變化Fig.1 Changes of annual rainfall erosivity (a) and annual rainfall (b) in Nanliujiang River Basin during 1961—2006

運(yùn)用小波分析對南流江流域46 a降雨侵蝕力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖2a)，流域年降雨侵蝕力存在3個(gè)時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，第1主周期為23 a，第2主周期為7 a，第3主周期為12 a，其中第3主周期在小波方差曲線的峰值不明顯，降雨侵蝕力變化周期約14 a (圖2b)。

圖2 小波分析的年降雨侵蝕力動(dòng)態(tài)變化(a)和年降雨侵蝕力第1主周期的更替情況(b)Fig.2 Dynamic change of annual rainfall erosivity by wavelet analysis (a) and replacement of the first main period of annual rainfall erosivity (b)

2.1.2 降雨侵蝕力季節(jié)變化

南流江流域降雨侵蝕力在各季節(jié)變化趨勢略有不同，春季呈現(xiàn)不顯著的降低趨勢，夏季、秋季和冬季呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢(圖3)，上升幅度依次為夏季>冬季>秋季。1961—2006年流域內(nèi)春季的平均降雨侵蝕力為3 092.1 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，占年均降雨侵蝕力的24.1%(圖3a)。夏季降雨侵蝕力變化趨勢與流域年際降雨侵蝕力變化最相似，平均降雨侵蝕力為7 326.1 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，占年均降雨侵蝕力的57.0%(圖3b)。秋季和冬季的平均降雨侵蝕力則分別占年均降雨侵蝕力的15.1% 和3.8%。

圖3 1961—2006年南流江流域不同季節(jié)降雨侵蝕力的變化曲線Fig.3 Change curve of rainfall erosivity in different seasons in Nanliujiang River Basin during 1961—2006

2.2 南流江流域年均降雨侵蝕力的空間分布

在空間上，南流江流域降雨侵蝕力呈現(xiàn)南高北低的格局，沿流域下游到上游逐漸減弱。降雨侵蝕力高值區(qū)(≥17 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)主要分布在沿海地區(qū)；低值區(qū)(≤12 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)則分布在上游內(nèi)陸等區(qū)域。分縣區(qū)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，欽南區(qū)和合浦縣降雨侵蝕力及年均侵蝕性降雨最高，博白縣和浦北縣次之，北流市、興業(yè)縣和玉州區(qū)最小。從流域降雨侵蝕力等值線與降雨量等值分布的情況上發(fā)現(xiàn)，南流江流域年均降雨侵蝕力在10 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1等值線上，與年均降雨量為1 000 mm等值線相鄰近；在14 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1等值線上與年均降雨量為1 600 mm等值線相鄰近；在19 000 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1等值線上，與年均降雨量為2 500 mm等值線相鄰近(圖4)。同時(shí)，降雨侵蝕力隨著降雨量的增大而增大，但降雨侵蝕力的增長速率比降雨量的增長速率高。

圖4 1961-2006年南流江流域年均降雨侵蝕力(a)和年均降雨量(b)的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of annual rainfall erosivity (a) and annual rainfall (b) in Nanliujiang River Basin during 1961-2006

從年代尺度上來看(表1)，近46年來，流域內(nèi)降雨侵蝕力在不同年代間略有差異,在偏中高值區(qū)占的流域面積呈現(xiàn)上升趨勢。1981—1990年流域內(nèi)降雨侵蝕力數(shù)值最高，達(dá)22 856.0 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，1971—1980年的降雨侵蝕力數(shù)值最低，為16 837.1 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1。從年均值上看，2001—2006年的流域年均降雨侵蝕力最大(16 381.3 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)，1971—1980年的年均降雨侵蝕力最小(13 132.3 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)。從降雨侵蝕力中高值區(qū)(≥15 000.0 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)所占的面積上來看，1981—1990年的中高值區(qū)的面積最大，約占流域總面積的36.7%；1961—1970年的最少，約占22.0%。在整個(gè)研究期間，中高值區(qū)以上的降雨侵蝕力所在的流域面積比重超過22.1%以上，且呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，表明南流江流域中高值段降雨侵蝕力的區(qū)域可能存在較嚴(yán)重的水土流失發(fā)展態(tài)勢。

表1 1961—2006年各時(shí)間段的降雨侵蝕力差異比較Table 1 Comparison of rainfall erosivity in different periods during 1961—2006

流域內(nèi)各雨量觀測站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)顯示(未作圖表)，1961—2006年間，玉林站、北流站和靈山站的年降雨侵蝕力呈現(xiàn)輕微下降趨勢，陸川站、浦北站的年降雨侵蝕力變化不大，趨于平穩(wěn)水平狀態(tài)。常樂站的年降雨侵蝕力則呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這可能與南流江上中游暴雨發(fā)生頻數(shù)相對下游較少以及2000年以后退耕還林有關(guān)。博白站年降雨侵蝕力呈現(xiàn)輕微上升趨勢，合浦站年降雨侵蝕力呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，這可能是合浦位于南流江下游臨海口易受臺(tái)風(fēng)、暴雨和海潮等降雨事件的影響，且來水量大，尤其是在洪水暴雨頻發(fā)的6—9月。由此可見，地形和強(qiáng)降雨事件等對區(qū)域降雨侵蝕力及其水土流失影響較大。

同時(shí)，由于2007—2009年間個(gè)別月份逐日降雨數(shù)據(jù)的缺失，本文主要分析過去1961—2006年南流江流域年降雨侵蝕力，但通過將1961—2006年與2010-2016年年均降雨侵蝕力對比分析(圖4a和圖5)，研究結(jié)果能較客觀地反映流域降雨侵蝕力的變化情況。由圖4a和圖5可知，1961—2006年流域年均降雨侵蝕力在空間分布與2010—2016年的相似，兩者均呈現(xiàn)自上游到下游遞增的趨勢。1961—2006年間流域平均降雨侵蝕力為13 945.5 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，年降雨侵蝕力呈現(xiàn)波動(dòng)變化及輕微增加的趨勢，這與2010—2016年南流江流域平均降雨侵蝕力為15 491.1 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢相似?？梢?，盡管本研究資料偏舊，但仍較好地反映流域降雨侵蝕力的時(shí)空變化特征，對當(dāng)前南流江流域降雨侵蝕及水土流失防治工作也具有一定的科學(xué)意義。

圖5 2010—2016年南流江流域年均降雨侵蝕力空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of annual rainfall erosivity in Nanliujiang River Basin during 2010—2016

2.3 南流江流域降雨侵蝕力與下游輸沙量的相關(guān)性

以南流江流域日降雨量≥10 mm，≥12 mm，≥15 mm，≥20 mm，≥25 mm，≥30 mm，≥35 mm，≥40 mm,≥50 mm分別作為9種不同級(jí)別雨量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合下游常樂水文站1961—2006年觀測的輸沙量，計(jì)算分析不同級(jí)別雨量下降雨侵蝕力與流域輸沙量的相關(guān)性。研究表明，侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)為10—20 mm/d 時(shí)，日雨量越大，降雨侵蝕力與河流輸沙量的相關(guān)系數(shù)越強(qiáng)；當(dāng)侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)為20—50 mm時(shí)，其相關(guān)系數(shù)隨日雨量的增加而呈下降減弱趨勢。選取日降雨量≥20 mm作為侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，南流江流域降雨侵蝕力與下游輸沙量的相關(guān)系數(shù)相對較高，R2約為0.773；選取日降雨量≥25 mm時(shí)，兩者相關(guān)性系數(shù)次之(約為0.752)。當(dāng)選取日降雨量≥12 mm(全國侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn))計(jì)算時(shí)，流域降雨侵蝕力與下游輸沙量的相關(guān)系數(shù)為0.741(圖6)。其次，從南流江流域降雨侵蝕力(采用日降雨量≥20 mm作為侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)與常樂水文站輸沙量的變化曲線對比來看(圖7)，降雨侵蝕力的變化與常樂站輸沙量的變化曲線的趨勢基本保持一致，土壤侵蝕除受降雨量、降水強(qiáng)度、降雨時(shí)間等因素關(guān)系密切外，還受植被覆蓋度變化及坡度坡長等因素影響，降雨直接擊濺侵蝕地面，雨量達(dá)到一定程度后形成地表徑流沖刷，降雨侵蝕力的變化在一定程度上影響著水土流失，造成流域的輸沙量的變化。因此，選取日降雨量≥20 mm/d作為南流江流域侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)是比較合理的。

圖6 不同侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)下降雨侵蝕力與河流輸沙量的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficient between rainfall erosivity and river sediment transport under different erosive rainfall standards

圖7 1961—2006年南流江流域降雨侵蝕力與常樂站輸沙量的變化曲線Fig.7 Change curve of rainfall erosivity and sediment discharge of Changle station in Nanliujiang River Basin during 1961—2006

3 討論

1)1961—2006年間南流江流域降雨侵蝕力空間分布格局變化不大，總體呈現(xiàn)由下游臨海向上游玉林市和北流市等區(qū)域逐漸減弱的格局，且合浦和常樂站點(diǎn)年降雨侵蝕力變化較大。時(shí)間上，流域年降雨侵蝕力總體呈輕微增大的趨勢，這與其他學(xué)者研究廣西[15-16]或涉及廣西區(qū)域的(如珠江流域[7])降雨侵蝕力的結(jié)果相似。劉斌濤等[4]在對中國大陸1960—2009年降雨侵蝕力的分析中，也指出廣西沿海地區(qū)的降雨侵蝕力呈桂東南-桂南向桂西北-桂西不顯著變化的遞減趨勢，與本文研究結(jié)果相似。其次，流域內(nèi)年降雨侵蝕力與降雨量空間格局相似，但年降雨侵蝕力年際變化比年降雨量更劇烈[23]，這可能與我國南方降雨量變化特征及夏秋時(shí)節(jié)強(qiáng)降水事件密切相關(guān)[24]。同時(shí)，南流江流域?qū)儆趶V西人工速生桉樹種植集中區(qū)，其采伐周期為5—6 a，在桉樹采伐期和種植幼苗期，強(qiáng)降雨事件更容易沖刷地表土壤，不僅使該地區(qū)可能存在較大的水土流失潛在風(fēng)險(xiǎn)[16]，而且增大了區(qū)域降雨侵蝕力觀測的不確定性。因此，把握好侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)并精準(zhǔn)計(jì)算降雨侵蝕力對區(qū)域土壤侵蝕防治工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2)目前，我國學(xué)者在應(yīng)用日降雨量方法計(jì)算降雨侵蝕力時(shí)，通常采用全國性的12 mm作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，然而由于我國地形地貌復(fù)雜，不同區(qū)域間土壤、植被、降雨及其降雨歷時(shí)和強(qiáng)度的不同，各不同地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)也存在區(qū)域的差異性或者不同程度上的不一致性[25-26]。在我國南方地區(qū)，劉斌濤等[4]和王萬中等[20]認(rèn)為與全國通用的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)12 mm/d相比較，日降雨量≥20 mm/d 對南方地區(qū)年降雨侵蝕力影響較大。盧程隆等[19]在福建東南地區(qū)實(shí)驗(yàn)分析也指出侵蝕性降雨約為次降雨量≥20 mm；林春蕾等[27]指出云南玉溪紅壤區(qū)侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)約為15—25 mm。黃俊等[28]在廣東五華縣做土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)指出人工林灌草地侵蝕性雨量標(biāo)準(zhǔn)為19.9—27.8 mm?？梢姡谌狈搅髟囼?yàn)小區(qū)和水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，選取日降雨量≥20 mm/d 可能更符合廣西南流江流域?qū)嶋H特征[29]。本文通過計(jì)算分析河流輸沙量與流域降雨侵蝕力的相關(guān)性，進(jìn)一步支持了這一判斷。

4 結(jié)論

1961—2006年南流江流域平均降雨侵蝕力為13 935.5 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，年降雨侵蝕力變化周期約為14 a，最大值出現(xiàn)在1981年，為22 856.0 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，最小值出現(xiàn)在1962年，為6 104.0 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，各年際和年代間變化差異不大。在各時(shí)間段尺度上，2001—2006年的年均降雨侵蝕力最大(16 381.3 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)，1971—1980年的降雨侵蝕力平均值最小(13 132.3 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)。降雨侵蝕力在各季節(jié)上也略有差異，表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季。空間分布格局上，降雨侵蝕力與年降雨量空間分布變化趨勢相似，呈現(xiàn)從下游西南沿海向東北內(nèi)陸遞減，降雨侵蝕力最大的區(qū)域是合浦縣。同時(shí)，通過討論發(fā)現(xiàn)，選取日降雨量≥20 mm/d作為南流江流域侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)是合理的。