三峡库区香溪河流域降雨侵蚀力的时空分布特征

刘惠英，任洪玉，张长伟，张平仓†

(1.南昌工程学院，330099，南昌； 2.长江科学院水土保持研究所，430012，武汉)

三峡库区香溪河流域降雨侵蚀力的时空分布特征

刘惠英1，任洪玉2，张长伟2，张平仓2†

(1.南昌工程学院，330099，南昌； 2.长江科学院水土保持研究所，430012，武汉)

为研究流域降雨侵蚀力变化规律，利用三峡库区香溪河流域内10个雨量站1971—2010年的日降雨资料，采用降雨侵蚀力日降雨简易模型，分析该流域降雨侵蚀力的年内分配和年际变化规律。在ArcGIS软件支持下，采用克里格插值研究流域降雨和降雨侵蚀力时空变化特征。结果表明：香溪河流域降雨侵蚀力多年变化范围为2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年平均均值为4 535.63 MJ·mm/(hm2·h)，降雨侵蚀力R值的年际分配差异明显，最大年R值为最小年R值的3倍；流域侵蚀力空间变化趋势为从西向东逐渐递减；流域近40多年的降雨和降雨侵蚀力系列比较平稳，经Mann-kendall检验无显著的变化趋势。流域降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力年内分布较集中，汛期降雨量、汛期侵蚀性降雨量、汛期降雨侵蚀力占全年的比例分别为85.4%、92.4%和94.0%。

降雨侵蚀力； 日降雨量； 时空分布； 香溪河流域

降雨是引起土壤侵蚀的动力因素之一，雨滴击溅造成土壤颗粒分离、搬运最终导致土壤流失。降雨侵蚀力因子R是降雨能量的定量指标，土壤侵蚀模型USLE、RUSLE及其他众多流域农业非点源污染模型均把R值作为主要参数之一，对于R的计算方法和空间分布规律的研究越来越被人们重视。正确评估降雨侵蚀力，对预测土壤侵蚀及优化水土保持措施具有重要意义。降雨侵蚀力的计算方法由W. H. Wischmeier等[1]在1978年提出，定义为一场降雨的降雨总动能E与最大30min降雨强度I30的乘积，该指标已在世界范围内得到广泛应用。我国对降雨侵蚀力指标的研究始于20世纪八十年代，王万忠等[2]通过研究代表性小区降雨侵蚀资料，证实EI30在我国同样适用；但实际工作中因较难获得E和I30资料，许多学者[3-6]尝试采用气象站点常规降雨数据建立侵蚀力简易算法，构建了多种经验估算模型，常见的是利用气象站整编各时间尺度的降雨量等常规资料来计算降雨侵蚀力。C. W. Richardson等[5]的幂函数结构的日雨量侵蚀力简易模型，得到许多学者的进一步分析验证。章文波等[6-7]对幂函数日降雨量侵蚀力模型做了修正并提出了适用我国的参数估算方法，并用其分析我国降雨侵蚀力及其季节分布。谢云等[8]利用陕北团山沟径流场数据定量判断出我国的侵蚀性降雨标准。

三峡库区是长江上游四大重点水土流失片区之一，我国政府已将三峡库区列为全国水土保持重点防治区。库区土壤侵蚀产生的泥沙直接入库，库区水土流失治理对减缓库区泥沙淤积，延长水库使用寿命具有重大的实际意义。库区降雨侵蚀力研究不仅对该区水土流失治理、水土保持效益评价具有重要意义，而且对三峡水库区间经过“长治”工程、“天保”工程和退耕还林(草)工程等治理后流域水沙关系变化原因分析提供一定的理论支持。从库区目前研究现状来看，至少存在采用数据周期过短和采用的测站数量过少2方面问题。W. H. Wischmeier等[1]指出，考虑到气候变化的周期波动，多年平均降雨侵蚀力的计算一般要求至少有20年以上的降雨过程资料；同时闫业超等[9]研究表明，降雨资料的时间序列长度对R平均值的估计置信度有显著影响。目前三峡水库库区侵蚀力研究在这2方面都不尽如人意。吴昌广等[10]、汪言在等[11]和张照录等[12]在研究整个三峡库区侵蚀力时分别只用了有7、4和5个站的日降雨资料；花利忠等[13]研究库区流域大宁河时也只用了8年的资料；史东梅等[14]、缪驰远等[15]和张革等[16]各分别在研究涪陵、重庆主城区和香溪河流域时也只用了1个站的资料。单个站点对于分析降雨侵蚀力时空分布，指导流域水土保持措施规划远远不够，对流域治理的指导意义有限。

笔者以三峡库区支流香溪河流域为例，采用流域内10个雨量站点1971—2010年的日降雨量资料对流域降雨侵蚀力进行系统研究，增加了R值分布密度，提高了其空间插值精度，并分析其时空分布规律，为定量评价流域水土流失提供了重要背景参数，同时对进一步开展水土流失调查、土壤侵蚀评价、水土保持效益分析和开展生态恢复工作提供科学依据。

1 研究区概况

香溪河流域地处长江流域上游(图1)，发源于神农架南麓，系长江三峡大坝坝首的第一大支流，位于湖北省西北部，流域总面积3 183 km2，其中神农架林区865 km2，兴山县2 106 km2，秭归县212 km2，为峡谷型河流。香溪河由北向南纵贯兴山县全境，至游家河入秭归县后又汇屈平河之水，于香溪镇东注入长江，汇长江之水流入西陵峡，下泄至三峡大坝[17]。流域处于亚热带大陆性季风气候区。三峡工程蓄水后，形成了典型的香溪河库湾。流域土地资源短缺，因多年盲目垦荒、毁林造田、乱砍滥伐，20世纪80年代末森林植被破坏严重，土壤、岩石裸露加剧，造成水土流失，大量泥沙入河。遥感影像显示，1988年流域水土流失面积2 244.72 km2，占流域总面积的70.5%，其中强烈及以上水土流失程度面积占流域面积的25.97%，占水土流失总面积的36.82%[18]。

图1 香溪河流域地理位置及雨量站分布图Fig.1 Location and distribution of rain gauges in the Xiangxi River Watershed

2 资料和方法

2.1 数据来源

本研究采用的1971—2010年各雨量站日降雨数据均来自长江水利委员会编撰的水文年鉴。数据的可靠性和精度满足计算要求。各站点基本信息见表1。

2.2 侵蚀力计算方法

降雨侵蚀力最初提出是针对一场降雨中的最大30 min降雨强度和降雨动能的乘积EI30而言的；但是很多国家和地区都缺少场次降雨资料，因此在利用EI30计算降雨侵蚀力时受到很大限制。同时日降雨和次降雨并非一一对应，直接采用日雨量估算日降雨侵蚀力一方面存在困难，另一方面也不准确。

表1 香溪河流域雨量站位置信息和年降雨特征

在土壤侵蚀模型USLE 和RUSLE 中，降雨侵蚀力季节变化均以半月为步长。本文采用章文波等[8]提出的半月时段模型计算。

(1)

式中：Rk为第k个半月的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)，k=1，2，3，…，24；Pdk为第k个半月的日侵蚀性降雨量,mm；j为第k个半月的时间，d，j=13，14，15，16；a和b为反映当地降雨特征的模型参数。计算公式如下：

(2)

a=21.586b-7.189 1。

(3)

式中：Pd12为日降雨量≥12 mm的日平均降雨量，mm；Py12为日降雨量≥12 mm的年平均降雨量，mm。

2.3 分析方法

2.3.1 气候倾向率 气候倾向率在1988年被英国学者P. D. Jones[17]用来研究地球表面温度变化特征之后，在我国也得到了广泛的关注和推广，被用来研究降水、温度等气象要素的变化趋势[19-21]。气候倾向率指每10年平均变化的绝对值：把气候要素表示为时间的线性函数，即在计算侵蚀力R变化趋势时，采用最小二乘法，计算降雨侵蚀力随时间t的线性回归系数α，α为降雨侵蚀力变化速率，正值表示增加趋势，负值表示减小趋势，要素的变化则可用一次线性方程表示:

R=αt+β。

(4)

式中β为截距。文中以线性回归系数α的10倍作为降雨侵蚀力的气候倾向率。

2.3.2 Mann-Kendall趋势检验 Mann-Kendall趋势检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法。非参数检验亦称为无分布检验，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合用于类型变量和顺序变量，广泛应用于水文和气象时间序列的变化趋势分析中，详细方法参见文献[22-23]。

降雨侵蚀力的平均值、方差、变异系数及相关性等描述性统计特征采用统计软件SPSS计算，在ArcGIS10.2软件中采用克里格插值方法对年降雨量和年降雨侵蚀力进行插值。

3 结果与分析

3.1 年降雨量和年降雨侵蚀力的空间分布

图2 香溪河流域1971—2010年多年平均降雨量和多年平均降雨侵蚀力空间分布Fig.2 Spatial distribution of annual precipitation and annual rainfall erosivity in the Xiangxi River Watershed during 1971—2010

根据香溪河流域10个雨量站的逐日降雨数据，采用简易算法计算各个站点降雨侵蚀力。计算结果表明：流域年降雨量在688.12～1 318.78 mm之间，多年均值为985.86 mm，降雨量呈现由西北向东南递减趋势(图2(a))，与流域高程变化趋势基本一致。流域西北部的红花和九冲站多年平均降雨量均超过1 250 mm，比流域均值多近30%。多年降雨最少区域为青山站、水月寺、郑家坪、兴山和峡口站附近。

流域降雨侵蚀力的高值区位于西北部的红花、九冲河站一带，年均降雨侵蚀力均超过6 000 MJ·mm/(hm2·h)；侵蚀力低值区在峡口镇、水月寺和青山站附近，多年均值均小于4 500 MJ·mm/(hm2·h)，峡口站最小，降雨侵蚀力多年均值仅为3 999.4 MJ·mm/(hm2·h )。10个站点中，降雨侵蚀力年际变化最大的是九冲站，其极值比达到了4.43，中阳垭极值比最小为2.47，其余8个站点的极值比在3～4之间。用克里格插值法对站点多年平均侵蚀力进行空间插值，绘制出流域降雨侵蚀力的等值线图(图2(b))。香溪河流域降雨侵蚀力的变化趋势为从西向东逐渐递减。流域以兴山和郑家坪所在位置为分界线，其以西区域年降雨侵蚀力值大且变化剧烈，年侵蚀力值随高程的降低而显著减小；以东区域年降雨侵蚀值小，但侵蚀力变化不大，基本分布在4 000～4 500 MJ·mm/(hm2·h)。本文采用“泰森多边形法”确定每个雨量站对应的权重，流域内10个雨量站较好地反映了流域降雨侵蚀力空间异质性，根据每个雨量站权重和该雨量站的降雨侵蚀力数据，计算得到香溪河流域多年侵蚀力变化范围为2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值为4 535.63 MJ·mm/(hm2·h·a)。

流域年降雨量和年降雨侵蚀力分布基本一致，表明该区域降雨量和降雨侵蚀力之间有较好的协同性。具体表现为：流域西北部降雨量和降雨侵蚀力最大；流域东南部降雨量和降雨侵蚀力最小。郑家坪和兴山站一带年降雨量较小，但是降雨侵蚀力却相对较大，表明流域中部郑家坪、兴山一带的年降雨中侵蚀性降雨量比例较大。青山站和水月寺站降雨量属中等降雨程度，但是年降雨侵蚀力却最小。表明流域东南部青山、水月寺一带降雨量虽大，但侵蚀性降雨量相对较少；与此相同情况也发生在流域中北部的水果园区域：水果园多年平均降雨量比中阳垭多30 mm，但多年降雨侵蚀力均值差异很小。

3.2 降雨侵蚀力年际变化

通过计算香溪河流域各站点的降雨侵蚀力气候倾向率，发现1971—2010年间，流域南阳河、兴山和峡口3个站点表现正气候倾向率，每10年增加量均在200 MJ·mm/(hm2·h)以上，均值为227.3 MJ·mm/(hm2·h)，其中南阳河的正气候倾向率最大，每10年增加量为354.8 MJ·mm/(hm2·h)；而其余6个站点降雨侵蚀力年际变化表现为不同程度的负趋势，即降雨引起土壤侵蚀的能力在减小，平均每10年减小313.8 MJ·mm/(hm2·h)；流域侵蚀力总体上为减小趋势，但不显著。降雨侵蚀力的这种年际变化特征(图3)与降雨量和降雨强度密切相关，但在某些年份二者关系并不一致：1979年由于侵蚀性降雨量大而降雨总量较小使得侵蚀力较大；但1980年和1994年降雨总量较大，而降雨侵蚀力较小，原因在于这2年降雨量虽大但侵蚀性降雨量相对较小。

同时还可采用Mann-kendall趋势检验对流域内10个站点降雨和降雨侵蚀力做趋势分析，结果见表2。Z为Mann-kendall检验的统计量，在0.05显著性水平时，|Z1-0.05/2|=1.96和|Z1-0.10/2|=1.64，可判断序列的变化趋势及其显著性。Mann-kendall对站点侵蚀力趋势检验结果与气候倾向率结果一致，但所有站点的趋势变化均没有通过0.05显著性水平的检验，仅红花站通过了0.10显著性水平的检验。对流域各站点降雨Mann-kendall检验结果发现：只有南阳河站是微弱上升趋势，峡口和兴山站点都是下降趋势，这个侵蚀力变化趋势不一致。九冲站降雨减小趋势超过了0.05显著性水平的检验，但红花站没有发生显著的变化趋势。说明流域年侵蚀力变化存在一定的随机波动，但无显著地气候趋势。

3.3 降雨侵蚀力年内分布

4—10月为长江流域的汛期，10个站点汛期降雨量占了全年降雨量的84.0%～87.0%，汛期侵蚀性降雨量占了全年侵蚀性降雨量的91.0%～94.2%，汛期降雨侵蚀力占了全年降雨侵蚀力的92.6%～95.5%，三者的均值分别是85.4%、92.4%和94.0%，表明香溪河流域降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力在年内分布集中。各雨量站点降雨侵蚀力的年内变化和降雨量年内分配特征一致。因为降雨侵蚀力年内分配的集中程度对于研究土壤侵蚀的季节变化十分重要，故以连续6个半月R值和的最大值与年平均R值的比值来表示侵蚀力年内分配的集中程度。香溪河流域10个站集中程度均值为57.8%，表明降雨侵蚀力R值年内分布集中度较大。相对而言郑家坪站的集中程度最高为61.8%，而峡口站降雨侵蚀力分布最均匀，集中程度为53.9%，其余站点都分布在55%～60%之间。年降雨侵蚀力的分布最集中的时段是从6月下半月到9月上半月(图4)，该时段的农耕活动和开发建设要遵循侵蚀力分布规律，避免侵蚀加剧。

图3 香溪河流域1971—2010年降雨侵蚀力和年降雨量变化Fig.3 Annual precipitation and annual rainfall erosivity in the Xiangxi River Watershed from 1971 to 2010

表2 香溪河流域各站点降雨量和降雨侵蚀力MK趋势检验结果

图4 流域各站点半月降雨侵蚀力的年内分布Fig.4 Inter-annual distribution of semi-monthly rainfall erosivity for rain gauges in the Xiangxi River Watershed

4 结论

1)香溪河流域多年降雨侵蚀力变化范围为2 465.26～7 419.29 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值为4 535.63 MJ·mm/(hm2·h)。流域降雨侵蚀力最大值位于其西北部，降雨侵蚀力总的变化趋势从西北向东南逐渐递减，流域以兴山和郑家坪所在位置为分界线，以西区域年降雨侵蚀力大，年降雨侵蚀力值随高程的降低而显著减小；以东区域年降雨侵蚀力小，且变化缓慢。

2)各站点年降雨量和年降雨侵蚀力年际变化分别以气候倾向率和Mann-kendall 2种方法表示时，除了九冲站降雨量有显著性减小趋势(α=0.05)、红花站降雨侵蚀力有明显减小趋势(α=0.10)以外，其余站点均没有显著的变化趋势。表明香溪河流域近40多年的降雨量和降雨侵蚀力比较平稳，无大的波动。

3)汛期降雨量占全年降雨总量的84%～87%，汛期侵蚀性降雨量占全年侵蚀性降雨总量的 91%～94.2%，汛期降雨侵蚀力占全年降雨侵蚀力的92.6%～95.5%，三者的均值分别是85.4%、92.4%和94%，表明香溪河流域侵蚀性降雨和降雨侵蚀力年内分布较集中。年降雨侵蚀力分布最集中的时段是从6月下半月到9月上半月，此时段的农耕活动和开发建设要遵循侵蚀力分布规律，避免侵蚀加剧。

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(责任编辑：程 云)

Temporal and spatial variations of rainfall erosivity in the Xiangxi River watershed of the Three Gorges Reservoir region

Liu Huiying1，Ren Hongyu2，Zhang Changwei2，Zhang Pingcang2

(1. Nanchang Institute of Technology，330099， Nanchang，China; 2.Yangtze River Scientific Research Institute，430012，Wuhan，China)

Based on the daily rainfall data of ten rain gauging stations from 1971 to 2010 in the Xiangxi River watershed of the Three Gorges Reservoir region，we studied the spatio-temporal distribution characteristics of rainfall erosivity estimated with our focus on the annual and inter-annual trends of the rainfall erosivity (R-factor) for the watershed through Mann Kendall nonparametric tests and Kriging space interpolation of Arcgis software. The results are shown as follows. 1) From 1971 to 2010, the annual rainfall erosivity of the watershed changed from 2 465.26 to 7 419.29 MJ·mm/(hm2·h), with an average annual rainfall erosivity of 4 535.63 MJ·mm/(hm2·h). 2) There was a great variation of inter-annual R-factor with the maximum three times greater than the minimum. The intra-annual distribution of rainfall，erosive rainfall and rainfall erosivity were highly concentrated with a single peak, mainly during the period from April to October，accounting for 85.4%, 92.4% and 94% of whole year values, respectively. 3) For the whole Xiangxi River watershed, annual precipitation and rainfall erosivity had no significant tendencies of change over 40 years. 4) The results also showed that the spatial distribution of R in the Xiangxi River Watershed decreased rapidly from the west to the east.

rainfall erosivity； daily rainfall； spatio-temporal distribution； Xiangxi river watershed

2014-09-22

2015-04-07

刘惠英(1973—)，女，讲师，博士研究生。主要研究方向：坡面土壤侵蚀和流域水体监测。E-mail：jlfx7401@163.com

†通信作者简介： 张平仓(1961—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀。E-mail：zhangpc@mail.crsri.cn

S157.1； TP79

A

1672-3007(2015)03-0001-07

项目名称： 水利部公益性行业科研专项经费项目“长江流域山洪灾害区域特征及防御体系研究”(201301059)；江西省土壤侵蚀与防治重点实验室开放基金“赣江上游水沙时空演变及其植被恢复的响应”(JXSB201303)；江西省自然科学基金“赣江流域产汇流参数及水沙变化对LUCC的响应研究”(20132BAB203032)