渭河流域降雨侵蚀力时空分布特征

陶望雄, 马亚鑫， 张 杰， 刘 招， 贾志峰

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410019;2.长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054; 3.长安大学 水与发展研究院, 陕西 西安 710054)

渭河流域降雨侵蚀力时空分布特征

陶望雄1, 马亚鑫2， 张 杰2， 刘 招3， 贾志峰3

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410019;2.长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054; 3.长安大学 水与发展研究院, 陕西 西安 710054)

[目的] 揭示渭河流域降雨侵蚀力的时空变化特征，为区域水土保持规划提供依据。 [方法] 根据渭河流域及其周边范围30个气象站点1957—2014年逐日降雨资料，采用章文波日降雨量侵蚀模型计算各站点的降雨侵蚀力，分析其空间分布规律和年内分布特征。 [结果] 渭河流域多年平均降雨侵蚀力值分布范围为806.25～3 510.81 MJ·mm/(hm2·h)，平均值1 798.97 MJ·mm/(hm2·h)，与多年平均侵蚀性降雨的空间分布基本一致，总体呈现西北低东南高的趋势。渭河流域降雨侵蚀力年内变化呈单峰型，主要集中在7—9月，占全年降雨侵蚀力的63.91%。北部黄土高原地区和关中平原发生水土流失的时期集中在7—9月，而秦岭北麓地区5—10月均有可能发生较大的水土流域，侵蚀风险由西北向东南递增。流域降雨侵蚀力年际波动较大，年际变率Cv值在34%～56%之间，整体而言，流域西北部地区的降雨侵蚀力年际变化幅度大于东南部地区。除洛川、长武、环县、平凉4个站点降雨侵蚀力在研究时段内有所增大外，其余地区降雨侵蚀侵蚀力呈不同速率的减小趋势。 [结论] 渭河流域降雨侵蚀力时空分布差异显著，尽管流域降雨侵蚀力呈减弱趋势，由于流域地处黄土高原，水土保持与水源涵养工作仍需高度重视。

渭河流域; 侵蚀性降雨; 降雨侵蚀力; 时空分布; 年际分布

降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因素[1]，在全球气候变化的背景下，降雨变化对土壤侵蚀过程产生着深刻的影响。降雨侵蚀力反映由降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力，是建立通用土壤流失方程(USLE)中的一个基本因子[2]，也是表征降雨引起土水土流失的重要指标[3]。因此，研究降雨侵蚀力的时空分布特征，对认知水土流失规律、流域综合治理、优化水土保持措施等具有重要意义。1958年美国学者Wischmeier[4]首次提出，以次降雨总动能E与30 min最大降雨强度I30的乘积作为衡量降雨侵蚀能力大小的指标。但是由于次降雨资料的获取难度大，且计算过程繁琐，国内学者在此基础上先后提出了降雨侵蚀力的简易算法和模型，王万忠等[5-12]以全国125个站点资料为基础，通过计算多年平均降雨特征参数得到全国降雨侵蚀力空间分布情况。章文波等[12]建立了利用日雨量直接估算逐年半月降雨侵蚀力的简易算法模型。

渭河流域位于黄土高原地区，是黄河流域水土流失最为严重的地区之一，渭河也是黄河来沙量最多的一级支流。目前，已有学者对黄土高原不同区域的降雨侵蚀力进行了相关研究，如吴德勇等[6]以陇东地区8个区县气象站日降雨量资料为基础，分析了该区域侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的时空变化特征；穆兴民等[7]对陕北黄土高原区降雨侵蚀力的季节性差异、时间和空间分布进行了研究。尽管关于渭河流域降雨的研究很多[8-9]，然而涉及整个渭河流域降雨侵蚀力的相关研究尚未见报道，因此，本研究基于ArcGIS软件平台和渭河流域各气象站日降雨量资料，采用章文波提出的降雨量侵蚀力模型计算渭河流域的降雨侵蚀力，分析渭河流域雨侵蚀力的时空分布特征和演变规律，旨在为渭河流域进一步开展土壤侵蚀评价和水土保持工作提供科学依据。

1 研究区概况及数据获取

1.1 研究区概况

渭河是黄河第一大支流，发源于甘肃省渭源县西南的鸟鼠山北侧，于陕西省潼关处流入黄河，流域面积1.35×105km2。流域北部为黄士高原，南部为秦岭山区，地形差异较大，表现为西高东低，地貌主要有黄土丘陵区、黄土塬区、土石山区、黄土阶地区、河谷冲积平原区等。流域处于干旱地区和湿润地区的过渡地带，多年平均降水量572 mm，降水量变化趋势是南多北少，山区多而盆地河谷少，年际变化较大，年内时程分布不均匀[9]。该区土壤侵蚀强度大，全流域侵蚀模数大于5 000 t/(km2·a)的强度水蚀面积4.88×104km2，占黄土高原地区同类面积的25.5%，水土流失面积1.04×105km2，占渭河流域总面积的76.9%。

1.2 数据来源

利用渭河流域及其周边范围30个气象站点1957—2014年的20～20 h降雨量(24 h降雨量)数据资料，数据来源于中国气象局，对站点的缺测数据采用相邻7 d滑动平均，进行插补延长。以日降雨量≥12 mm作为侵蚀性降雨的划分标准[10-11]，计算流域各个站点侵蚀性降雨及降雨侵蚀力。

2 研究方法

2.1 降雨侵蚀力计算

采用章文波等[12]提出的降雨量侵蚀力模型进行计算，该模型主要利用日降雨量进行计算，且已在中国大部分地区成功运用。计算时，将全年划分为24个半月时段，半月时段的划分以每月15日为界，每月前15 d作为一个半月时段，剩下部分则作为另一个半月时段。模型计算公式为[12-14]：

(1)

式中：Ri——第i个半月时段内的降雨侵蚀力〔MJ·mm/(hm2·h)〕，k=1,2,3,…，m，表示该半月时段内侵蚀性降雨的天数；Di——半月时段内第j天的日降雨量，该降雨量按照侵蚀性降雨标准，要求Dj≥12mm，否则记为0；α，β——模型参数，与研究区域的降雨特征有关，其计算公式为：

α=21.586β-7.189 1

(2)

(3)

式中：Pd12——日降雨量≥12mm的日平均降雨量(即1a中日降雨≥12mm的降雨量总和与相应天数之比);Py12——日降雨量的年平均降雨量(即全年中≥12mm的日降雨量年累加值的多年平均)。利用公式(1)—(3)计算逐年各半月的降雨侵蚀力，累积即可得到年降雨侵蚀力。

2.2 气候倾向率

利用气象要素的时间序列，建立其与相应时序之间的一元线性回归方程，该方法可以用来判断水文气象序列变化的趋势性[13-14]。设Y为某一气象变量，t为时间，建立Y与t之间的回归方程为：

Yi=a+bti

(4)

式中：Yi——气象时间序列；ti——时间；b——线性趋势项(即斜率)；a——截距。把b×10称为气象要素每10 a的气候倾向率(10 a)。b大于0时，气候要素序列随时间递增，否则递减。且b的绝对值越大，趋势越明显，否则无明显变化趋势。

3 结果分析

3.1 侵蚀性降雨特征分析

基于30个气象站点的日降雨资料，汇总得到每个站点的年均降雨量和年均侵蚀性降雨量，采取线性回归法构建侵蚀性降雨量与降雨量之间的相关关系，由图1可知，两者相关系数为0.940 3(p<0.01)，正相关性显著。因此本文着重研究侵蚀性降雨的空间分布特征。

利用ArcGIS工具采用反距离权重法[15-16]将30个站点的多年平均侵蚀性降雨量进行空间插值，得到渭河流域多年平均侵蚀性降雨空间分布图(图2)。从图2可以看出，渭河流域年平均侵蚀性降雨呈现从东南向西北递减的趋势，变化于532.4 mm(华山)到196.1 mm(西吉)之间。吴旗—平凉—天水及其西北部的上游地区年均侵蚀性降雨量在300 mm以下，宝鸡—铜川一线南部的关中平原地区侵蚀性降雨在均400 mm以上，中部地区侵蚀性降雨位于300～400 mm之间。

图1 渭河流域多年平均侵蚀性降雨、降雨侵蚀力、多年平均降雨量相关关系

3.2 降雨和侵蚀性降雨的年内分布特征

降雨的年内分布特征是流域水土流失一个重要影响因子[15]，图3为渭河流域降雨量和侵蚀性降雨量及其各自降雨日数的年内分配情况。从降雨量来看，渭河流域多年平均降雨量为539.26 mm，多年平均降雨量年内分布呈单峰型，主要集中在7—10月，该时段的降雨量达到349 mm，占到年均降雨量的64.89%。流域侵蚀性降雨主要集中在6—9月，占全年总侵蚀性降雨量的77.26%，在6—9月中，侵蚀性降雨量在当月降雨量中所占的比例也超过了60%，最大为80.39%，最小为67.74%。说明渭河流域6—9月降水较为集中，且大于等于12 mm的降水事件占较高的比例，使得该时期降水对土壤的侵蚀较为严重，这也是渭河流域汛期径流泥沙较大的原因之一。年内降雨日数分布特征与降雨量分布一致，仍然呈现单峰型，最大降雨日数出现在8月，最小降雨日数出现在12月，7—10月降雨日数占全年降雨日数的46.39%。侵蚀性降雨日数主要集中在7—9月，占全年侵蚀性降雨日数的58.57%。

通过计算分析发现，渭河流域年侵蚀性降雨量占全年总降雨量的60.82%，但年侵蚀性降雨日数仅占全年总降雨日数的13.73%，说明降雨量和降雨强度较大、发生频次较小的降雨事件是引起该区域土壤侵蚀的主要原因之一。

图2 渭河流域1967—2014年侵蚀性降雨空间分布

图3 渭河流域1957—2014年多年平均侵蚀性降雨量及降雨日数的月分布

3.3 降雨侵蚀力空间变化分布特征

利用公式(1)—(3)式计算逐年24个半月时段的降雨侵蚀力，得到渭河流域各个站点多年平均降雨侵蚀力，通过反距离权重空间插值法得到流域多年平均降雨侵蚀力空间分布图(图4)。

图4 1957—2014年渭河流域降雨侵蚀力空间分布

由图4可见，降雨侵蚀力与侵蚀性降雨具有相似的空间分布特征，渭河流域降雨侵蚀力值的分布范围

为806.25～3510.81 MJ·mm/(hm2·h)，平均值为1 798.97 MJ·mm/(hm2·h)，标准差为768.69 MJ·mm/(hm2·h)，表明降雨侵蚀力空间差异较大。流域多年平均降雨侵蚀力从东南往西北呈现逐渐递减趋势，在华山和佛坪两地形成高值区，分别为3 509.51，4 017.81 MJ·mm/(hm2·h)。其中，靠近秦岭北麓地区的降雨侵蚀力平均在3 000 MJ·mm/(hm2·h)以上，关中平原在2 000～3 000 MJ·mm/(hm2·h)之间，渭北黄土高原地区降雨侵蚀力小于2 000 MJ·mm/(hm2·h)。

从表1可以看出，渭河流域降雨侵蚀力年际波动较大，年际变率Cv在34%～56%之间，波动最大的站点是平凉站，Cv值为55.74%，降雨侵蚀力极值比达到了11.48倍；华山的年际波动最小，降雨侵蚀力最大值与最小值比值为5.51倍。渭河流域降雨侵蚀力Cv值的变化规律与年降雨侵蚀力的空间变化规律相反，Cv值由流域的西北部向东南部递减，说明流域西北部的降雨侵蚀力年际变化幅度大部东南部，随着侵蚀性降雨的增加，降雨侵蚀力年际变化幅度增大。

表1 渭河流域部分气象站点降雨侵蚀力的年际变化特征

将渭河流域各个站点的降雨侵蚀力序列与时间建立线性相关关系，计算出序列与时间拟合的趋势线斜率，利用ArcGIS软件把结果反映到空间上，得出渭河流域降雨侵蚀力变化速率空间分布特征和规律(图5)。图5表明，渭河流域年降雨侵蚀力的变化速率存在明显的空间差异，流域内除洛川、环县、长武、平凉4个站点年降雨侵蚀力呈上升趋势以外，其余站点均呈现下降趋势，其中，流域西北部地区以及渭南地区下降速率最快，主要集中在临兆、华家岭和华山站点附近，其余地区的年降雨侵蚀力呈缓慢下降的变化趋势。究其原因，除极端降水对降雨侵蚀力的影响之外，主要原因在于渭河流域1957—2014年降雨量的大幅度减少，降雨量的大小是影响降雨侵蚀力的主要因素，在西北地区降雨量呈减少趋势的大背景下，降雨对渭河流域土壤的侵蚀作用会有所减弱，但是由于渭河流域70%的面积为黄土地区，易遭受雨水的冲刷，因此，仍不能放松流域的水土保持与涵养工作。

图5 渭河流域降雨侵蚀力变化速率空间分布

3.4 降雨侵蚀力年内分布特征

由图6可以看出，流域年内降雨侵蚀力的分布特征与降雨量、侵蚀性降雨量基本一致，随季节变化明显，夏秋季节降雨侵蚀力较大，冬春季节较小，且均呈现单峰型，降雨侵蚀力在7—8月达到峰值，7—9月的降雨侵蚀力占到了全年的63.91%，而12月到次年2月这3个月的降雨侵蚀力总和仅占全年的0.29%，可见降雪与融雪形式产生的降雨侵蚀力非常微弱，可以不计。另外，不同区域降雨的集中程度不同，使得降雨侵蚀力的集中程度也有差别，渭北黄土高原地区和关中地区8月份降雨侵蚀力最大，7—9月分别占到全年降雨侵蚀力的74.71%和65.99%，靠近秦岭北麓7月份降雨侵蚀力最大，7—9月占全年降雨侵蚀力的59.23%，而5—10月占到了88.06%。以渭北环县站与秦岭北麓华山站为例，华山站的降雨量和侵蚀性降雨量远远高于环县站，环县站峰值月(8月)降雨侵蚀力占全年的31.65%，而华山站峰值月(7月)降雨侵蚀力仅占全年的23.25%，由此可见，夏季降雨尤其是汛期极端降雨时导致降雨侵蚀力数值偏大的主要原因，渭北黄土高原地区降雨量偏少但降雨相对集中，使得发生水土流失的时期较为集中，其次是关中平原，秦岭北麓因降雨相对分散，5—10月均可能发生较大的水土流失。

图6 渭河流域1957—2014年降雨侵蚀力年内分配特征

4 结 论

(1) 渭河流域多年平均降雨侵蚀力与侵蚀性降雨空间分布特征基本一致，其空间变化的总体趋势呈现西北低东南高。流域降雨侵蚀力多年平均值变化范围在806～3 510 MJ·mm/(hm2·h)之间，靠近秦岭北麓最高，关中次之，渭北黄土高原最低，降雨侵蚀危险性由西北向东南逐渐增大。

(2) 渭河流域降雨侵蚀力年际波动较大，年际变率在34%～56%之间，整体而言，流域西北部的降雨侵蚀力年际变率大于东南部区域，随着侵蚀性降雨量增大，降雨侵蚀力的年际变化幅度增大；除洛川、长武、平凉、环县4个站点降雨侵蚀力有增大外，其余气象站的降雨侵蚀力均呈现不同速率的减小趋势，表明1957—2014年研究区域降雨侵蚀力呈减弱态势，但渭河流域70%的面积处在黄土高原，易受雨水侵蚀，因此仍不能放松流域的水土保持与涵养工作。

(3) 渭河流域降雨侵蚀力主要集中在夏、秋两季，年内分布均呈现单峰型，峰值多出现在7和8月，与降雨和侵蚀性降雨分布相似。渭北黄土高原和关中平原大部分地区土流失主要发生在7—9月，造成水土流域的主要原因是降雨集中，而靠近秦岭地区从5月开始至10月，均有可能发生较大的水土流失，因该区域降雨量较大，且降雨相对分散。

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Spatial and Temporal Variations of Rainfall Erosivity in Weihe River Basin

TAO Wangxiong1, MA Yaxin2， ZHANG Jie2, LIU Zhao3, JIA Zhifeng3

(1.ChangshaEngineering&ResearchInstituteLdt.ofNonferrousMetallurgy,Changsha,Hu’nan410019,China; 2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.ResearchInstituteofWaterandDevelopment,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] To study the temporal variability and spatial distribution of rainfall erosivity in Weihe River basin in order to provide a reference for soil and water conservation. [Methods] Based on the daily rainfall data from 1957 to 2014 in 30 meteorological stations in Weihe River basin, the rainfall erosivity model proposed by Zhang Wenbo was used to calculate the rainfall erosivity, and its temporal variability and spatial distribution were analyzed. [Results] The range of annual rainfall erosivity in Weihe River basin was 806～4 017.81 MJ·mm/(hm2·h) with an average value of 1 798.97 MJ·mm/(hm2·h). The average annual erosivity decreased from the northwest to the southeast in general. There was strong correlation between the average annual erosive rainfall and the rainfall erosivity, and they had similar spatial distribution. The rainfall erosivity from July to September account for 63.91% of the total annual rainfall erosivity, showing an unimodal annual variation. Soil water loss was found mainly concentrated from July to September in the northern of the Loess Plateau and Guanzhong region. Great soil erosion might potentially occurred from May to October in Qinling Mountains. The risk of erosion increased from the northwest to the southeast; The inter-annual change of rainfall erosivity in Weihe River basin was obvious with theCvvalue ranging from 34% to 56%.Cvvalue of rainfall erosivity in northwest region was larger than that in southeast region in general. The annual rainfall erosivity of most areas in Weihe River basin showed upward trend with different rates, except for the decline trends of Luochuan， Changwu，Huanxian and Pingliang stations. [Conclusion] There were significant differences of rainfall erosivity in spatial and temporal distribution. Although rainfall erosivity in Weihe River basin showed a decreasing trend, soil and water conservation work is still very important.

Weihe River basin; erosive rainfall; rainfall erosivity; spatial distribution; inter-annual distribution

2015-07-24

2015-09-23

中央高校基本科研业务专项“土壤凝结水形式机制研究”(310829161003); 中央高校基本科研业务费专项(310850151100); 陕西省自然科学基础研究计划项目(2015JM5256)； 中央高校基本科研业务专项“西北地区节水灌溉模式对地下水的影响”(310829161010)

陶望雄(1991—),男(汉族),湖南省益阳市人,硕士研究生,研究方向为水文学及水资源。E-mail:741821194@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.018

A

1000-288X(2016)06-0110-05

S157.1， TV141

文献参数： 陶望雄, 马亚鑫，张杰等.渭河流域降雨侵蚀力时空分布特征 [J].水土保持通报，2016,36(6)：110-114.