1960-2014年間淮河流域降雨侵蝕力的時空變化特征

朱 宸, 趙 雯, 葉正偉, 戚晶晶, 朱麗媛, 張璐璐, 李宇航

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

0 引言

降雨侵蝕力反映的是降水對土壤侵蝕的潛在能力,是導(dǎo)致水土流失重要因素之一,分析區(qū)域降雨侵蝕力的時空變化有助于評價水土流失危險性,也有助于水土流失的形成機(jī)制與演替過程的揭示,對維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全與防治措施的制定具有重要意義．

降雨侵蝕力的算法由W. H. Wischmeier等首次提出[1],其后,基于年降水量、月降水量、日降雨量的降雨侵蝕力方法研究廣泛開展[2-4]．Arnoldus、劉斌濤等根據(jù)多年平均年雨量和月雨量資料構(gòu)建了簡易的侵蝕力算法[5-6],但精度相對不高,因而利用日降水量數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力方法得到廣泛應(yīng)用[7-9]．國內(nèi)相關(guān)基于日降水資料的研究也逐漸開展,賴成光等利用1960-2012年逐日降雨資料計算珠江流域降雨時空變化特征[10];劉春利等分析了延河流域降雨侵蝕力的時空分布特征[11];張家其等通過湖北省及周邊26個氣象臺站1957～2008年逐日降雨量數(shù)據(jù),計算了湖北省降雨侵蝕力的變化特征[12]．

淮河位于中國東部,人口密度高,農(nóng)耕歷史悠久,是我國重要的農(nóng)業(yè)基地,但由于受不良自然條件和人類不合理經(jīng)濟(jì)活動的影響,流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境受到破壞,水土流失較嚴(yán)重．目前,關(guān)于淮河流域降雨侵蝕力的研究尚不充分,對認(rèn)識水土流失規(guī)律和水土保持防治具有一定的制約作用．鑒于此,本文擬通過淮河流域各氣象站點(diǎn)1960-2014年間日降雨資料,分析流域降雨侵蝕力變化的時空分布特征和演變規(guī)律．

1 研究區(qū)概況

淮河流域地處中國東部,介于長江和黃河兩流域之間,地理位置為北緯30°55′-36°36′,東經(jīng)111°55′-121°25′,面積為27萬km2(圖1)．淮河流域地處中國南北氣候過渡帶,氣候溫和,年平均氣溫為11-16℃,氣溫變化由北向南,由沿海向內(nèi)陸遞增．淮河流域多年平均降水量約為920 mm,降水分布由南向北遞減,山區(qū)多于平原,沿海大于內(nèi)陸．淮河流域西部、西南部及東北部為山區(qū)、丘陵區(qū),其余為廣闊的平原．

圖1 淮河流域地形與雨量站點(diǎn)分布圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用1960-2014年間淮河流域30個站點(diǎn)的日降雨量資料,數(shù)據(jù)均來自中國氣象局．30個站點(diǎn)較均勻的分布于淮河流域,能夠代表流域總體降雨特征．30個站點(diǎn)分別為:高郵、徐州、淮安、盱眙、東臺、射陽、贛榆、菏澤、莒縣、臨沂、日照、兗州、沂源、寶豐、固始、開封、商丘、西華、駐馬店、信陽、許昌、鄭州、碭山、亳州、蚌埠、阜陽、霍山、六安、壽縣、宿縣．

2.2 研究方法

降雨侵蝕力值是衡量降雨侵蝕力的一個指標(biāo),是美國通用土壤流失方程USLE的一個最基本因子．本研究采用章文波等提出的降雨侵蝕力模型進(jìn)行計算[8],該模型基于日雨量資料,以半月為計算時段來估算降雨侵蝕力,是適用于我國的模型參數(shù)估算方法,在計算多年平均降雨侵蝕力方面具有較好的效果,其具體公式如下:

(1)

式中:Ri表示第i個半月時段的侵蝕力值,單位為MJ·mm/(hm2·h);k表示該半月時段內(nèi)的降雨天數(shù);Pj表示半月時段內(nèi)第j天的日雨量,單位為mm,要求日雨量至少≥12 mm,否則以0計算,12 mm為侵蝕性降雨基本標(biāo)準(zhǔn)．α和β是模型參數(shù),根據(jù)以下公式進(jìn)行估算:

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

式中:Pd12表示日雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12表示日雨量≥12 mm的年雨量．利用式(1)～(3)計算逐年各半月的降雨侵蝕力,經(jīng)累加可得到降雨侵蝕力值．

本文主要分析淮河流域年降雨侵蝕力和汛期降雨量侵蝕力,汛期取6-8月．降雨侵蝕力的時間變化分析采用一元線性回歸分析方法,詳見文獻(xiàn)[13]．周期分析采用小波方法(Wavelet Analysis),具體計算過程詳見文獻(xiàn)[14-15]．降雨侵蝕力的空間特征研究主要采用ArcGIS的地理統(tǒng)計方法進(jìn)行分析．

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨侵蝕力的時間變化特征

淮河流域具有侵蝕能力的多年平均降水量變化范圍較大(圖2)．具有侵蝕力的年降水量略呈減少趨勢(圖2a),多年變動范圍為392-952 mm間,最高值為2003年,最低值為1966年,變幅為560 mm,多年平均值為651 mm．而汛期具有侵蝕力的降水量也略呈減少趨勢(圖2b),多年變動范圍為266-623 mm之間,變幅為357 mm,平均值為416 mm,最大值在2003年,最低值出現(xiàn)在1999年．

圖2 淮河流域具有侵蝕力的年降雨(a)、汛期降雨(b)多年變化

年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力的變化過程較為類似(圖3),主要由于具有侵蝕能力的降水主要出現(xiàn)在汛期．年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力總體波動較大,但無明顯變化趨勢．年降雨侵蝕力上,其多年變化范圍為9 218-3 902 MJ mm/(hm2·h)(圖3a),變幅較大,為5 316 MJ mm/(hm2·h);最高值與最低值分別出現(xiàn)在2003年和1966年,多年均值為6 536 MJ mm/(hm2·h)．汛期降雨侵蝕力的變化范圍為2 268-5 794 MJ mm/(hm2·h)(圖3b),幅度相對較小,為3 526 MJ mm/(hm2·h)．

圖3 淮河流域年降雨侵蝕力(a)、汛期降雨侵蝕力(b)的變化

3.2 降雨侵蝕力的周期變化

采用小波方法分析的淮河流域降雨侵蝕力周期變化見圖4．可以看出,年降雨侵蝕力和汛期降雨侵蝕力在2000年前后存在約2a左右通過0.5水平置信度檢驗的變化周期(圖4a),而汛期降雨侵蝕力在20世紀(jì)60年代中期也存在約2a的變化周期(圖4b),其余年份無明顯周期變化,這也印證了前述降雨侵蝕力變化波動較大但總體變化趨勢不明顯的特征．

圖4 淮河流域年降雨侵蝕力(a)、汛期降雨侵蝕力(b)的小波周期變化

3.3 降雨侵蝕力的空間變化

3.3.1 降雨侵蝕力的空間分布

由淮河流域年均降雨侵蝕力和汛期侵蝕力的空間分布可知(圖5),流域年降雨侵蝕力總體上呈現(xiàn)由南向北的遞減變化(圖5a),南北向過渡變化的特征明顯;其中,流域西南山區(qū)降雨侵蝕力值較大,流域中北部則是年降雨侵蝕力最小的區(qū)域．

而在淮河流域汛期降雨量侵蝕力的空間變化上,其總體也表現(xiàn)為南部高于北部的特征,其中流域西南部淮河干流上游區(qū)域為侵蝕力高值,而中北部為汛期降雨侵蝕力低值區(qū)域,但在流域西部,寶豐站點(diǎn)區(qū)域也為低值區(qū)．總體上看,汛期降雨侵蝕力值較之于年降雨侵蝕力數(shù)值明顯偏小,這與流域具有侵蝕能力降水分布的年內(nèi)分布差異有關(guān)．同時,汛期降雨侵蝕力內(nèi)向差異更大,過渡性特征不如年降雨侵蝕力突出．

圖5 淮河流域年降雨侵蝕力(a)、汛期降雨侵蝕力(b)的空間分布

3.3.2 降雨侵蝕力的變化趨勢

淮河流域降雨侵蝕力多年變化趨勢的空間分布特征如圖6所示,可以看出,年降雨侵蝕力總體上以減小趨勢為主(圖6a),空間分布上表現(xiàn)為大部分地區(qū)降雨侵蝕力呈下降趨勢,僅在流域南部、西南部地區(qū)呈上升趨勢,其中六安站點(diǎn)、霍山站點(diǎn)年降雨量侵蝕力上升趨勢最大．

汛期流域降雨侵蝕力變化趨勢的空間分布與年降雨侵蝕力變化趨勢的空間分布高度相似,也表現(xiàn)為總體的減少趨勢,僅在南部及西南部地區(qū)存在上升趨勢(圖6b)．這一相似的空間變化特征與淮河流域降水主要集中于汛期有關(guān)．

圖6 淮河流域年降雨侵蝕力(a)、汛期降雨侵蝕力(b)的變化趨勢

同時,結(jié)合前述降雨侵蝕力在流域空間分布上南部高而北部低的特征可以發(fā)現(xiàn),在降雨侵蝕力偏高區(qū)域的流域南部及西南部地區(qū),其降雨侵蝕力多年變化趨勢呈上升趨勢,而在北部的侵蝕力偏低的大部分區(qū)域,其降雨侵蝕力多年變化為減小趨勢．這也意味著,未來在淮河流域南部及淮河干流上游西南地區(qū)的水土流失保護(hù)與治理仍然屬于重點(diǎn)區(qū)域．

4 結(jié)論

基于淮河流域30個站點(diǎn)1960-2014年間的逐日降雨資料,分析了流域年、汛期降雨量及降雨侵蝕力值的時空變化特征,主要結(jié)論如下:

1) 淮河流域具有侵蝕力的年降雨與汛期降水總體變化幅度較大,但無明顯變化趨勢．流域年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力的波動類似,也無明顯變化趨勢．

2) 年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力除在2000年左右存在約2a的變化周期外,其余年無明顯周期性,但汛期降雨侵蝕力在20世紀(jì)60年代中期也存在約2a左右的周期．

3) 年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力表現(xiàn)為南部偏高而北部偏低的空間格局,均呈由南向北逐漸減少的空間分布特征,尤其以西南部上游地區(qū)為最高．年降雨侵蝕力與汛期降雨侵蝕力的多年變化以減少趨勢為主,僅在流域南部及西南部地區(qū)存在上升趨勢．