基于GIS的白洋淀流域降雨侵蝕力時空分布特征分析

王佳歡, 張晨星, 楊新兵, 楊文姬, 米秋菊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.山合林(北京)水土保持技術(shù)有限公司, 水利部沙棘開發(fā)管理中心(水利部 水土保持植物開發(fā)管理中心), 北京 100038; 3.河北金洋環(huán)境科技有限公司, 河北 保定 071000)

土壤侵蝕作為當前我國面臨的眾多生態(tài)問題中最嚴重的一項，其引發(fā)因素包括降雨、地形、土壤、植被等，其中降雨引起的土壤水蝕是誘發(fā)土壤侵蝕的主要驅(qū)動力[1]。降雨侵蝕在于地表產(chǎn)生的點式擊濺以及徑流沖刷產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，除降雨的時間長短、強度大小、次數(shù)多少外，坡面徑流的流速、流量以及流態(tài)也會對降雨侵蝕的綜合效應(yīng)產(chǎn)生影響[2]。關(guān)于土壤侵蝕的研究，國內(nèi)外學(xué)者致力于土壤侵蝕模型的構(gòu)建，1965年國外學(xué)者在通用土壤流失方程(USLE)應(yīng)用中建立以小時為單位降雨強度與動能的數(shù)學(xué)關(guān)系，其結(jié)果可表征降雨的侵蝕強度，因廣泛應(yīng)用于侵蝕計算而被定義為經(jīng)典算法[3]。由于經(jīng)典算法所需數(shù)據(jù)獲取與記錄難度較大，為簡化算法，學(xué)者們開始致力于新模型的研究[4]，就國內(nèi)而言，在空間尺度上，王萬中[5-6]、章文波[7]、劉賦濤[8]等先后研究了中國降雨侵蝕力的計算與分布特征；在時間尺度上，賴成光[9]、Huang[10]等分別對珠江流域和長江流域的降雨侵蝕力時間特征進行了研究。

2017年國家成立雄安新區(qū)，提出“綠色生態(tài)，宜居新城”的生態(tài)定位，在這種情況下，防洪建設(shè)、水土保持、水資源調(diào)節(jié)等一系列生態(tài)工程成為新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重點，由于新區(qū)地處白洋淀流域腹地，上游河流均匯聚于此，生態(tài)工程建設(shè)無一不受制于大環(huán)境，因此，白洋淀流域生態(tài)建設(shè)成為新區(qū)發(fā)展的必要前提。高彥春[11]、溫靜[12]、張晨星[13]等先后對白洋淀流域環(huán)境因子變化規(guī)律、景觀特征及其動態(tài)變化進行了研究，為流域治理提供決策性支持。目前，涉及白洋淀流域的研究多集中于生態(tài)涵養(yǎng)及景觀變化方面，關(guān)于降雨侵蝕的研究鮮有報道，針對白洋淀流域生態(tài)戰(zhàn)略地位以及對于打造雄安新區(qū)所發(fā)揮的重要生態(tài)價值，本文應(yīng)用日雨量模型開展白洋淀流域降雨侵蝕力研究，通過分析降雨侵蝕力空間、時間分布特征，闡明其分布原因，從而揭示其變化規(guī)律，旨在為流域內(nèi)開展土壤水蝕研究、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、水土保持建設(shè)提供科學(xué)參考，為雄安新區(qū)生態(tài)建設(shè)提供有力保障。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域位于中緯度地區(qū)(北緯38°01′—40°04′、東經(jīng)113°40′—116°30′)，地跨京冀晉三地，為海河流域的二級流域，總面積33 877.64 km2。流域自西北向東南傾斜，西部為山地丘陵，區(qū)間山巒起伏，溝深谷遠，東部為平原，地勢平坦，高程跨度0～2 781 m。該流域地處溫帶季風氣候區(qū)，大陸性較強，多年平均氣溫為13.3℃，1月份氣溫較低，平均氣溫達-4.5℃，7月份氣溫較高，平均氣溫達26.7℃，年均降雨量約500 mm，多集中于6—8月份，全年無霜期138～192 d。白洋淀素有“九河下梢”之稱，源于大清河水系的9條河流均經(jīng)淀區(qū)匯入渤海。土壤類型多樣，以潮土、褐土為主，主要植被類型為溫帶落葉闊葉林、針葉林以及針闊混交林等，優(yōu)勢樹種包括側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、油松(PinustabuliformisCarr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、槲樹(QuercusdentataThunb.)等。流域內(nèi)交通發(fā)達、道路完備，其67%地區(qū)屬保定轄區(qū)，人口多分布于京廣線以東地區(qū)，2020年保定市生產(chǎn)總值3.4×103億元。

1.2 研究方法

降雨數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(www.data.cma.cn)，總共涉及流域內(nèi)及周邊氣象站點64個，選取2003—2018年的逐日降雨數(shù)據(jù)。DEM高程數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(www.gscloud.cn)。各站點位置見圖1。

1.2.1 降雨侵蝕力計算 降雨侵蝕力計算方法源于日雨量模型[7]，具體計算方法如下：

(1)

式中:R半月為侵蝕力半月值;m為半月;Pk為半月內(nèi)第k天12.0 mm以上的日雨量;m為半月內(nèi)日雨量12.0 mm以上的天數(shù);a與β均為日雨量模型參數(shù)。

α= 21.586β-7.1891

(2)

β= 0.836 3 + 18.144/Pd12+ 24.455+Py12

(3)

式中:Pd12為12 mm以上的日雨量平均值;Py12為日雨量12 mm以上的年降雨平均值,根據(jù)公式(1—3)可計算得到年降雨侵蝕力值。

1.2.2 降雨侵蝕力空間分布 基于DEM數(shù)據(jù)和《河北省水利志》，采用ArcGIS 10.2軟件中Spatial Analyst模塊的填洼、流向、流量、流域出水口、分水嶺、提取邊界線等水文分析工具，提取白洋淀流域邊界。通過對64個站點降雨侵蝕力插值分析得到空間上連續(xù)分布的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)生成的白洋淀流域邊界進行掩膜提取(柵格輸出分辨率30 m×30 m)，生成降雨侵蝕力空間分布圖。計算得到的氣象站點降雨侵蝕力采用SPSS 24.0進行線性逐步回歸分析，輸入因素包括緯度、經(jīng)度、海拔。

1.2.3 降雨侵蝕力時間分布 時間分布包括年內(nèi)分布和年際分布，年內(nèi)分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(1月、2月和12月)，有研究表示，白洋淀流域存在周期為2～6年的降水變化規(guī)律[14]，結(jié)合前人研究成果，年際變化以4年為一周期，即2003—2006年、2007—2010年、2011—2014年、2015—2018年，通過傾向率[15]表示16年的年內(nèi)變化和年際變化(具體計算方法如下)，采用ArcGIS克里金插值功能將分析結(jié)果反映到圖層上。

(4)

式中:yi為降雨侵蝕力值；xi為時間；a為降雨侵蝕力傾向率；b為計算所得回歸系數(shù)。

1.2.4 Mann-Kendall突變檢驗 Mann-Kendall法常用于檢驗時間序列下降雨突變特征顯著情況，具體計算方法如下：

x1，x2，…，xn為氣候序列，Sk為樣本i的xi>xj累計數(shù)(i≥j≥1)，定義統(tǒng)計量：

(5)

Sk均值與方差(假定隨機時間序列獨立)：

E(Sk)=k(k-1)/4

(6)

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72， 1≤k≤n

(7)

Sk標準化：

(8)

式中:UF1=0,反序列中UBk=-UFk(k=xn,xn-1,…，x1),UB1=0。

根據(jù)UF和UB繪制趨勢圖，氣候序列上升時UF或UB大于0，氣候序列下降時UF或UB小于0，UF與UB交點表示氣候序列發(fā)生突變的時間，交點值越過1.96水平線則上升趨勢顯著，交點前后所在區(qū)間表示突變區(qū)域，突變區(qū)域越過1.96水平線則突變顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間分布特征

由圖2可知，2003—2018年白洋淀流域年降雨侵蝕力范圍為909.62～3 358.38 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 284.54 (MJ·mm)/(hm2·h)，空間分布上呈東南和西北偏低、西南和東北偏高趨勢，從東南向西北延伸形成一條廊道分割兩個降雨極點(西南極點為阜平縣；東北極點為霞云嶺)，廊道上降雨侵蝕力呈先增后降趨勢，降雨侵蝕力極點位于望都縣、唐縣和定州市范圍內(nèi)，其中，西南地區(qū)降雨侵蝕力大于2 800 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區(qū)降雨侵蝕力大于3 000 (MJ·mm)/(hm2·h)，而東南—西北方向上降雨侵蝕力范圍為909.62～2 800 (MJ·mm)/(hm2·h)。結(jié)合圖3分析，白洋淀流域高程范圍為0～2 781 m，東南地區(qū)地勢平坦，高程跨度0～100 m，西北地區(qū)峰巒疊嶂，高程跨度400～2 781 m，東南平原與西北山地交界的海拔起伏帶多為低山丘陵，高程跨度100～400 m，降雨極點多分布于低山丘陵地帶及其緊鄰的平原區(qū)，東南地區(qū)平原地帶高于西北地區(qū)山岳地帶，降雨侵蝕力在東南—西北高程變化梯度上先增后降。

圖2 研究區(qū)降雨侵蝕力空間分布

圖3 研究區(qū)DEM分布

2.2 降雨侵蝕力空間變化特征

由表1可知，單因子輸入中經(jīng)度和海拔的降雨侵蝕力回歸方程均存在極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，而緯度與降雨侵蝕力沒有明顯顯著關(guān)系(p>0.05)，雙因子輸入中緯度、經(jīng)度、海拔任意雙因子的降雨侵蝕力回歸方程都達極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，三因子輸入中因子與降雨侵蝕力同樣具有極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.001)。根據(jù)回歸方程R2值判斷，經(jīng)度和海拔與回歸方程偏離較小，緯度偏離較大，隨著輸入因子的增多，R2值越大，說明多因子可更好地與降雨侵蝕力產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

表1 降雨侵蝕力線性逐步回歸分析

2.3 降雨侵蝕力時間分布特征

2.3.1 年內(nèi)分布特征 由圖4可知，白洋淀流域春季(3—5月)降雨侵蝕力范圍為83.91～262.03 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均190.94 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南邊緣地區(qū)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。夏季(6—8月)降雨侵蝕力范圍為650.77～2 719.00 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均1 826.75 (MJ·mm)/(hm2·h)，西北邊緣地區(qū)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。秋季(9—11月)降雨侵蝕力范圍為184.43～445.29 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均325.75 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南地區(qū)、西北地區(qū)和中部地區(qū)降雨侵蝕力較大，西南和東北地區(qū)較小。冬季(1月、2月和12月)降雨侵蝕力范圍為0.16～3.91 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均1.77 (MJ·mm)/(hm2·h)，由西南向東北逐漸增大。總的來說，從春季到秋季，降雨侵蝕力峰值線由東南向西北再到東南移動，而冬季降雨侵蝕力呈不均勻分布。

2.3.2 年際分布特征 由圖5可知，白洋淀流域2003—2006年降雨侵蝕力范圍為862.91～2 726.92 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 053.79 (MJ·mm)/(hm2·h)，西南地區(qū)定州市、無極縣、行唐縣和東北地區(qū)易縣范圍內(nèi)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。2007—2010年降雨侵蝕力范圍為1 027.75～3 031.42 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 266.32 (MJ·mm)/(hm2·h)，西南地區(qū)曲陽縣、行唐縣、新樂市、靈壽縣、正定區(qū)和東北地區(qū)高碑店市、涿州市范圍內(nèi)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。2011—2014年降雨侵蝕力范圍為870.40～3 185.66 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 584.82 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區(qū)高碑店市、涿州市范圍內(nèi)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。2015—2018年降雨侵蝕力范圍為1 060.13～3 104.70 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 475.96 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區(qū)霞云嶺、房山區(qū)范圍內(nèi)降雨侵蝕力較大，其他地區(qū)較小。總的來說，2003—2010年降雨侵蝕力峰值地區(qū)偏向西南和東北地區(qū)，2011—2018年偏向東北地區(qū)。

圖4 不同季節(jié)降雨侵蝕力分布

圖5 不同年份降雨侵蝕力分布

2.4 降雨侵蝕力時間變化特征

2.4.1 年內(nèi)變化特征 降雨侵蝕力的變化趨勢常以線性趨勢表示，即傾向率，通過對白洋淀流域2003—2018年各季節(jié)降雨侵蝕力傾向率進行插值得到流域內(nèi)季節(jié)侵蝕力的變化分布圖。由圖6可知，白洋淀流域春季傾向率整體為正，范圍為34.49～69.55 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均49.81 (MJ·mm)/(hm2·h)，無極縣、深澤縣、安國市、蠡縣和肅寧縣范圍內(nèi)傾向率較大，其他地區(qū)相對較小。夏季傾向率整體為正，范圍為34.60～293.88 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均162.84 (MJ·mm)/(hm2·h)，流域北方的靈丘縣、淶源縣和霞云嶺地區(qū)傾向率較大，保定市、高陽縣和蠡縣范圍內(nèi)出現(xiàn)傾向率高于周邊地區(qū)的峰值結(jié)構(gòu)，其他地區(qū)相對較小。秋季傾向率整體為負，范圍為-133.49～-60.30 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均-89.47 (MJ·mm)/(hm2·h)，阜平縣范圍內(nèi)傾向率最大，易縣范圍內(nèi)傾向率次之，其他地區(qū)相對較小。冬季傾向率整體為負，范圍為-0.13～-0.01 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均-0.07 (MJ·mm)/(hm2·h)，冬季傾向率變化甚微。整體上看，春夏兩季降雨侵蝕力逐年增加，而秋季逐年下降，冬季變化不明顯。

圖6 降雨侵蝕力傾向率分布

2.4.2 年際變化特征 由圖7可知，2003—2018年白洋淀流域降雨侵蝕力傾向率范圍為-49.48～129.22 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均24.54 MJ·mm/(hm2·h)，說明16年來流域的降雨侵蝕力逐年遞增。流域降雨侵蝕力傾向率呈東北高、西南低的分布特征，其中，東北方向為61.22～129.22 (MJ·mm)/(hm2·h)，而西南方向為-49.48～0.56 (MJ·mm)/(hm2·h)，且多分布于石家莊轄區(qū)內(nèi)，流域內(nèi)其他區(qū)域傾向率基本為正值，并在唐縣、望都縣、定州市和阜平縣附近出現(xiàn)傾向率峰值結(jié)構(gòu)。

2.4.3 Mann-Kendall突變檢驗 對白洋淀流域各年降雨侵蝕力進行分析(圖8)，得到其16年的變化趨勢，2003—2018年間UF統(tǒng)計量均≥0，說明降雨侵蝕力整體上為上升勢態(tài)，但UF統(tǒng)計量低于U0.05顯著性水平，說明流域的上升勢態(tài)不顯著。UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量在2003—2007年、2013—2016年兩個時間段內(nèi)出現(xiàn)交點，交點絕對值均小于1.96，低于U0.05顯著性水平，因此，16年間白洋淀流域降雨侵蝕力不存在顯著性突變點以及突變區(qū)間。

圖7 研究區(qū)降雨侵蝕力傾向率分布

圖8 研究區(qū)降雨侵蝕力Mann-Kendall突變檢驗

3 討 論

3.1 降雨侵蝕力空間分布差異

白洋淀流域地形復(fù)雜多樣，氣候多變，各區(qū)域降雨侵蝕力存在不同程度變化，同時，白洋淀流域作為環(huán)京津水土流失重點防治區(qū)，深入了解流域降雨侵蝕力特征，可為及時落實水土保持措施提供依據(jù)。白洋淀流域地勢西北高、東南低，在保定阜平至北京霞云嶺一線上形成海拔起伏帶，東南暖氣流隨地勢升高而被抬升，伴隨氣團垂直向上運動的同時溫度降低，水汽凝結(jié)形成降雨，在風速和坡度增加的共同作用下，降雨效應(yīng)更加明顯[16-17]，西北地區(qū)，東南暖氣流沿河谷向西北腹地深入，但西北方向海拔升高和太行山區(qū)背風坡增加的地形變化[18]抑制了氣流的前進，東部地區(qū)為廣袤平原，東南暖氣流受地形因素的抬升作用降低而向西北快速推進，降雨多匯聚于海拔起伏帶上，因此，本研究中西南、東北以及東南—西北方向上的中部地區(qū)降雨侵蝕力較大，西北山區(qū)和東南平原相對較小。降雨侵蝕力影響因素眾多，因而不同地區(qū)侵蝕力值大小也存在差異，賴成光等[9]對珠江流域展開研究，結(jié)果顯示，降雨侵蝕力隨經(jīng)度增加、緯度降低而逐漸增大。劉斌濤等[19]對西南地區(qū)降雨侵蝕力與海拔關(guān)系進行研究，結(jié)果顯示，降雨侵蝕力變化趨勢在高海拔地區(qū)明顯增加，在低海拔地區(qū)明顯降低。本研究中，降雨侵蝕力雖與不同輸入因子相關(guān)關(guān)系存在差異，但與緯度、經(jīng)度、海拔等三因子的相關(guān)關(guān)系最緊密，且與三者分別呈負、正、負的相關(guān)關(guān)系，出現(xiàn)該結(jié)果的原因在于白洋淀流域輪廓東西、南北距離差異小，其緯度跨度2°3′、經(jīng)度跨度2°50′，且地形起伏地帶位于中部的東北—西南分界線上，致使降雨線呈東南—西北走向，隨緯度變大、經(jīng)度變小、海拔升高，東南季風逐漸降低，侵蝕性降雨銳減?；谏鲜龅木€性逐步回歸分析，可為白洋淀流域降雨侵蝕力測算提供依據(jù)。

3.2 降雨侵蝕力時間分布差異

白洋淀流域氣候特點為雨熱同期，年內(nèi)降水分配不均勻，年際降水同樣存在不確定性，由于該流域內(nèi)存在洪災(zāi)史，因此，研究降雨侵蝕力的時間分布特征可預(yù)防降水帶來的災(zāi)害。年內(nèi)分布中，流域降雨侵蝕力春季東南地區(qū)大、增長趨勢高，夏季西北地區(qū)大、增長趨勢高，秋季東南—西北方向大、降低趨勢低，冬季東北地區(qū)大、降低趨勢低，原因在于春季為雨季前季，東南暖氣流率先到達流域東南區(qū)域，雨季的到來使西北半干旱區(qū)相比其他地區(qū)雨量驟增程度大，而秋季受西伯利亞寒流影響降雨線向東南移動，冬季主要以降雪形成產(chǎn)生。在霞云嶺—阜平沿線上出現(xiàn)的秋季降雨侵蝕力以及傾向率變化可能是由局部地區(qū)地形地貌引起的水汽差異造成的，鐘科元等[20]對松花江流域降雨侵蝕力的研究結(jié)果顯示，山地區(qū)域的水汽差異可引起局部異于整體的現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，冬季降雨侵蝕力以及春季、冬季降雨侵蝕力傾向率均呈不均勻分布，原因在于流域內(nèi)降雨侵蝕力及其傾向率的局部差異在大范圍內(nèi)極易引起地域上明顯的變化，這種明顯變化造成分布上的不均勻。年際變化中，西南地區(qū)降雨侵蝕力整體上呈降低趨勢，東北地區(qū)整體上呈增加趨勢，造成西南地區(qū)降雨侵蝕力傾向率為負，東北地區(qū)傾向率為正，原因可能是東北方向受季風氣候、海平面高壓、太平洋氣流以及溫室氣體的影響大于西南地區(qū)[11]，同時，東北地區(qū)一側(cè)為低山丘陵半環(huán)形環(huán)繞，一側(cè)為山前平原，山間河谷呈喇叭口向東南開放，利于季風氣流長驅(qū)直入，地形因素也是導(dǎo)致東北地區(qū)多年降雨侵蝕力增大的重要原因。整體上流域的降雨侵蝕力呈逐年增加趨勢，但Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果顯示該趨勢不顯著，說明流域降雨帶來的侵蝕變化平穩(wěn)、波動小，干旱、洪澇等災(zāi)害性年份少見。

4 結(jié) 論

2003—2018年白洋淀流域年降雨侵蝕力范圍為909.62～3 358.38 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南—西北方向上變化趨勢為先增后降，而西南和東北地區(qū)降雨侵蝕力變化劇烈程度高于其他地區(qū)，通過分析站點降雨侵蝕力在空間上的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，其值大小與緯度、經(jīng)度、海拔的相關(guān)關(guān)系分別為負、正、負。降雨侵蝕力峰值線季節(jié)變化基本呈東南—西北方向移動，年際變化基本呈西南—東北方向移動；傾向率峰值線春季和夏季在東南—西北方向上移動，秋季、冬季和年際變化在西南—東北方向上變化。Mann-Kendall檢驗結(jié)果顯示，16年間的降雨侵蝕力變化不明顯。根據(jù)本研究結(jié)果，流域內(nèi)海拔起伏帶的降雨侵蝕力以及西北山區(qū)夏季傾向率的變化均較大，該地區(qū)應(yīng)提高水土流失防范意識，汛期積極落實相關(guān)措施，減少降雨侵蝕。