乌江流域1956-2014年降雨特征及输沙效应

2018-03-29邬玉琴何太蓉钟博星

水土保持通报 2018年1期

邬玉琴, 何太蓉,2, 钟博星

(1.重庆师范大学地理与旅游学院, 重庆401331; 2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室, 重庆 401331)

据《第一次全国水利普查水土保持情况公报》报道[1]，2011年全国土壤侵蚀总面积为2.95×106km2，其中水力侵蚀面积达1.29×106km2，占总侵蚀面积的43.85%，因水土流失引发的生态环境问题较为严峻[2]。引发水土流失的因素较多，如降雨、径流、坡度、坡长、植被、土壤可蚀性等，而降雨是水土流失产生的主要动力因子，降雨量、降雨历时和降雨强度也影响着水土流失的强弱程度[3]。因此研究流域降雨特征与输沙效应是水土保持研究工作中的重要内容之一，可为流域水土流失防治提供理论依据。

近年来，基于流域气象站点长期观测数据，有学者对多个流域降雨特征进行了对比研究。如任国玉等[4]利用降水趋势系数和降水倾向率对比分析1951—1996年黄河流域和长江中下游地区降雨特征，发现前者夏季降雨量和年均降雨量呈现出微弱下降趋势，而后者降雨量则显著增加。陈峪等[5]利用变异系数和降水倾向率等方法对1956—2000年中国北方流域与南方流域降雨特征进行对比，发现北方流域降雨量年际变化更大，降雨量更少，因此水资源不仅匮乏而且不稳定。也有学者针对特定流域降雨特征的分析。如曾小凡等[6]利用M-K非参数检验、IDW空间插值和EOF(经验正交函数)方法研究了金沙江流域1961—2010年降雨的时空演变特征；唐亦汉等[7]利用Kendall非参数检验和Kriging空间插值揭示了珠江流域1959—2012年不同降雨指数时空变化及影响。当然，在输沙效应研究方面，也有不少学者对流域输沙量的影响因素进行了探究。如杜俊等[8]研究了社会经济因子(人口、土地利用、农村能源结构、宏观经济状况)对长江上游侵蚀产沙格局和强弱的影响。郭小云等[9]分析了呼图壁河流域降雨、径流、人类活动对输沙量的影响。唐丽霞等[10]以遥感影像为数据源，研究了清水河流域输沙量对土地利用变化和降雨量变化的响应。综上，以往关于输沙效应及其影响因素的分析大多注重于综合因素的探讨，对区别不同因素的影响强弱研究较少[11]，且将流域降雨特征及输沙效应结合起来的分析并不多见，二者的关系研究也相对薄弱。

乌江是长江上游南岸最大的支流，也是三峡水库最主要的水源补给河流之一[12]。流域内喀斯特地貌广布，加之长年受人为破坏和自然因素的综合影响，流域内水土严重流失，生态环境脆弱，河流携沙量较高，部分地区甚至导致石漠化，这也成为当地社会经济发展的限制性因素[13-15]。目前该流域的相关研究有植被覆盖动态变化[16]、土壤侵蚀现状及模拟预测[17-18]、水土流失及防治[19]、水文过程[20]以及流域中上游地区降雨集中度的变化特征[21]等。但涉及全流域不同时间尺度各降雨要素变化且与输沙效应相结合的研究尚少见研究报道。鉴于此，本文拟利用乌江流域内7个气象站点(贵阳、遵义、桐梓、安顺、毕节、酉阳、涪陵)的1956—2014年日降雨实测数据和流域内武隆水文站的输沙量数据，研究乌江流域的降雨特征及其输沙效应，旨在为流域水土保持规划、生态恢复、防灾减灾、水资源的合理利用等提供重要理论参考。

1 流域概况

乌江发源于贵州西部乌蒙山东麓威宁县境内的香炉山[18]，流经贵州、重庆两地，于重庆涪陵注入长江[22]。流域位于22°07′—30°22′N，104°18′—109°22′E[23]，干流全长1 037 km(三岔河源头起)，流域面积为87 920 km2[22]，全段落差2 123.50 m，年径流量5.34×1010m3[12]。流域处于云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡带，地势东低西高[24]，地形复杂。乌江流域大部分地区属于中亚热带季风气候，气候季节性明显[25]。流域内年均气温在13～18 ℃之间，多年平均降雨量为1 061 mm。降雨年内分配不均，有显著的旱季和雨季之分，汛期5—9月雨量约占全年的72%，其中5—7月约占全年的49%。流域地带性植被为常绿阔叶林。土壤类型主要为粗骨土、石灰土、黄壤、石质土等，其蓄水保土能力较差，易发生水土流失。全流域总人口为1 666万人，其中90%以上为农业人口。由于受到自然条件和历史等限制性因素影响，是社会经济发展欠发达的地区之一[26]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文所用日降雨数据取自于中国气象科学数据共享服务网,选取了乌江流域内7个气象站1956—2014年的日降雨数据，其中极少日数雾露霜雪形式的日降雨值以0替代。流域出水口输沙量数据来自于《长江泥沙公报》。为了解乌江流域这59 a降雨特征，本文采用以下降雨指标，具体有：①降雨量均值要素，包括年降雨量、年侵蚀性降雨量、汛期(即5—9月)日降雨量、月降雨量。②降雨天数，包含年降雨天数、年侵蚀性降雨天数、汛期降雨天数、汛期侵蚀性降雨天数。③降雨侵蚀力。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蚀力的计算方法侵蚀性降雨为能导致土壤侵蚀的降雨[27]。谢云等[28]在研究中指出径流小区的侵蚀性日降雨量标准为12 mm，小流域为10 mm。目前针对大中流域的侵蚀性雨量标准的实证分析尚鲜见报道。基于此，本文设定侵蚀性日降雨量标准为10 mm。由于南方地区降水充沛，以章文波等[29]修正的Richardson以日降雨量估算半月降雨侵蚀力模型计算的效果较好，精度较高。其公式为：

α=21.586β-7.189 1

(1)

式中：α，β——模型参数。下同。

(2)

式中：Ri——1 a中第i个半月的降雨侵蚀力值〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；d——第i个半月的天数(d)；Pk——第i个半月内第k天的侵蚀性降雨量；K——第i个半月内侵蚀性降雨的天数[29]。下同。

β=0.836 3+18.144/Pd+24.455/Py

(3)

式中：Pd——日降雨量大于10 mm的日均降雨量(mm)；Py——日降雨量大于10 mm的年均降雨量(mm)。

根据公式(1)—(3)可算出逐年各半月的降雨侵蚀力值、逐月降雨侵蚀力值和逐年降雨侵蚀力值。

2.2.2 双累积曲线通过在直角坐标系中绘制乌江流域累积输沙量值与累积降雨侵蚀力值的关系线，分析了流域降雨侵蚀力与人类活动对输沙效应的影响。根据输沙量突变的年份将研究实测时段分为2段(即分为基准期和变化期)，具体分析方法为：

(1) 对基准期的累积降雨侵蚀力和累积输沙量进行线性回归得到方程:

∑S=k∑E+b

(4)

式中：∑S——累积输沙量(106t); ∑E——累积降雨侵蚀力〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;k，b——常数项。

(2) 其次将各年累积降雨侵蚀力数据代入式(1)，可得到各年累积输沙量理论值，再累减算出基准期年均输沙量理论值(S基理)和变化期年均输沙量理论值(S变理)。基准期与变化期年均输沙量值理论值之差为降雨侵蚀力变化减沙量(ΔS降)；变化期年均输沙量理论值与实测年均输沙量值(S变实)之差为人类活动减沙量(ΔS人)。即：

ΔS降=S变理-S基理

(5)

ΔS人=S变理-S变实

(6)

(3) 为了定量降雨侵蚀力和人类活动对输沙变化的影响程度，采用贡献度来表示，其式为：

(7)

式中：V——降雨侵蚀力和人类活动对输沙变化的贡献率(%); ΔS——基准期和变化期实测年均输沙量值之差(t)。

3 结果与分析

3.1 1956-2014年乌江流域降雨特征

3.1.1 降雨的年际变化特征经计算，乌江流域年降雨量和年侵蚀性降雨量的变异系数分别是0.13，0.15，均属中等程度变异，且后者的年际变化较前者相比更为剧烈(图1)。

图1 乌江流域年降雨量和年侵蚀性降雨量的年际变化

由图1可知，1956—2014年乌江流域年降雨量和年侵蚀性降雨量均呈现波动减少趋势。59 a间，乌江流域年降雨量在701.76～1 325.48 mm变化，多年平均降雨量为1 060.90 mm。年降雨量最大值出现在1977年，达1 325.48 mm，比均值多25.13%。年降雨量最小值出现在2011年，仅为701.76 mm，比均值少33.85%。全流域年侵蚀性降雨量在479.16～985.87 mm波动，多年均值为759.56 mm，占年降雨量均值的71.60%。年侵蚀性降雨量最大值出现在1977年，比均值多29.80%。但是其最小值比均值少36.91%，且出现年份为2013年，与年降雨量最小值出现年份并不相同。可见在2011年降雨量最小，但是侵蚀性降雨并不是最低。另外在1986年，年降雨量较少，但是年侵蚀性降雨量却相对增加，其原因是该年降雨量虽小，但多以侵蚀性降雨为主。还有在1976和2000年，年降雨量较大，但年侵蚀性降雨量相对较小，这是因为当年降雨多为非侵蚀性降雨。

研究时段内，乌江流域年降雨量、年侵蚀性降雨量各年距平值及累积距平值均呈现一定变化规律(图2—3)。由图2可见，年降雨量距平值在-359.14～266.58 mm波动，累积距平值在-138.91～1 699.94 mm波动。乌江流域1956—2014年这59 a年际变化阶段(持续期5 a以上)为：两个显著多雨期即1963—1977和1996—2000年。研究时段内共有5 a年降雨量偏多160 mm以上，均出现在这2个时期，分别是1964，1967，1977，1996和2000年，其中1977年出现最大距平值，为266.58 mm。且据资料记载，乌江流域1996年特大洪水年就发生在1996—2000年时期。3个显著少雨期即1957—1962，1984—1990和2008—2014年。研究时段内共有3 a年降雨量偏少340 mm以上，分别是2009，2011和2013年，均发生在2008—2014年这一时段。其中乌江流域在2010年3月发生旱灾，导致乌江源头几乎断流，乌江重庆段基本断航。一个显著降雨稳定期即1991—1995年，流域在这个时期降雨变化波动不明显。且在每个时期都有若干个较小的升降波动。综上可得，乌江流域在研究时段内大致经过了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5个时期。

图2 乌江流域年降雨量距平值及累积距平值年际变化

1956—2014年年侵蚀性降雨量距平值波动与年降雨量非常相似。由图3可见，年侵蚀性降雨量距平值在-280.37～226.31 mm之间波动，累积距平值在-235.44～1 078.41 mm波动，其年际变化阶段与年降雨量距平值和累积距平值年际变化阶段一致。即在1963—1977和1996—2000年为累积距平值的上升期。研究时段内共有5 a侵蚀性降雨量偏多140 mm以上，均出现在这2个时期，分别是1967，1972，1977，1996和1999年，其中1977年出现最大距平值，为226.31 mm。在1957—1962，1984—1990，2008—2014年为累积距平值的下降期，研究时段内共有2 a降雨量偏少250 mm以上，分别是2011，2013年，其中2013年年均侵蚀性降雨距平最低，为-280.37 mm。在1991—1995年为累积距平值的稳定期。

图3 乌江流域年侵蚀性降雨量距平值及累积距平值年际变化

3.1.2 降雨的年代变化特征从年代尺度上统计的降雨距平百分比结果看，年均降雨量和年均侵蚀性降雨量均不存在变化显著时期，距平百分比绝对值均在9.00%以内(表1)。由表1可见，乌江流域在1970—1979年，1990—1999年为多雨时期，距平百分比均值分别为6.99%和3.75%，而1956—1959和2000—2014年为少雨时期，其距平百分比均值分别为-0.86%和-8.97%。侵蚀性降雨量的变幅小于年降雨量的变幅。

表1 乌江流域各年代降雨量和侵蚀性降雨量特征

从各年代降雨天数和侵蚀性降雨天数(表2)结果看，年均降雨总天数的变异系数为0.05，为弱变异，年均侵蚀性降雨总天数的变异系数为0.12，为中等变异，说明前者比后者变化更为和缓。据表2可得，1956—2014年共观测到降雨总天数为17 127 d，侵蚀性降雨总天数为5 579 d，59 a中该流域共有32.57%的降雨为侵蚀性降雨。从年均降雨天数均值来看，除1990—1999和2000—2014年这2个时期降雨均值低于均值，其余年代均比均值要高。从侵蚀性降雨角度来看，1960s和1970s年均侵蚀性降雨天数均值分别为100和101 d，且侵蚀性降雨频率明显高于其他年代，反之1956—1959和2000—2014年2个时期年侵蚀性降雨天数均值较少，当然侵蚀性降雨频率也较低。总之，全流域59 a来降雨总天数年代差异不大，而侵蚀性降雨事件多发生于1960—1969年和1970—1979年。

表2 乌江流域各年代降雨天数和侵蚀性降雨天数特征

3.1.3 汛期降雨特征乌江流域的降雨侵蚀产沙更多地发生在多雨季即汛期。经计算，乌江流域汛期5—9月降雨量约占全年的71.97%，表明在5—9月乌江流域降雨事件频发，即主要集中于流域的汛期(表3)。根据表3分析可知，5—9月，侵蚀性总量为595.32 mm，占总降雨量的80.05%。从5月开始，流域月均降雨量和月均侵蚀性降雨量开始增加，6月达到峰值，其值分别为188.21 mm和154.70 mm，其中月均侵蚀性降雨量占比达82.20%。之后，月均降雨量和月均侵蚀性降雨量开始逐渐减少，9月时降到最低，其值分别为102.20和74.86 mm。

据统计，5—9月，侵蚀性降雨天数为64 d，占总降雨天数的51.76%，说明乌江流域内5—9月的降雨多为侵蚀性降雨。由表3可知，6—7月侵蚀性降雨天数明显高于其他月份，说明侵蚀性降雨多发生于6—7月，且6月侵蚀性降雨天数在总降雨天数中占比最高，达58.22%，说明6月的降雨大部分为侵蚀性降雨。8和9月降雨天数都较少，其中9月的降雨天数和侵蚀性降雨天数最低，分别为23和9 d，侵蚀性降雨频率为39.94%，8月次之，分别为25和13 d，侵蚀性降雨频率为51.21%。

表3 乌江流域年汛期各月降雨特征

综上，乌江流域汛期降雨以侵蚀性降雨为主，且从5月开始，侵蚀性降雨频率逐渐增加，6月达到峰值，7月后逐渐下降。这类侵蚀性降雨强度大，除了易诱发洪涝灾害之外，由于水分入渗到土壤深层，加剧土壤侵蚀，造成流域内的水土流失。

3.2 乌江流域输沙效应分析及其影响因素分析

3.2.1 输沙效应分析从乌江流域输沙量累积距平曲线可得流域59 a来的输沙动态(图4)。由图4可知，乌江流域在1956—1983年为累积输沙量距平值上升段，在1983—1999，2000—2014年为累积输沙量距平值下降段。曲线在1956—1983年处于快速上升阶段，之后在1983年出现了较显著的转折点，是累积距平曲线由增加趋势向减小趋势转折的拐点，经调查发现，乌江流域干流上第一座大型水电站乌江渡在1982年完建，水电站拦沙作用效果明显，流域输沙量开始减少。在1988年后，国家在长江中上游地区相继实施大规模水土流失综合治理、天然林资源保护工程和修建坝库工程等措施，且国家在1999年开始实施退耕还林还草，受此影响，在2000年后累积输沙量加速减少。综上所述，本文明确1983年是乌江流域输沙量发生突变的年份。

图4 乌江流域输沙量累积距平值变化

3.2.2 乌江流域降雨侵蚀力对输沙量的影响通过建立乌江流域输沙量—降雨侵蚀力双累积曲线和突变年份前后线性回归方程(图5)，估算了降雨侵蚀力对乌江流域输沙量变化的影响。

根据穆兴民等[30]提到的双累积曲线方法，经计算，得出各年代降雨侵蚀力变化对乌江流域输沙量变化的影响(表4)。表4表明，1984—1989年，1990—1999年降雨侵蚀力的贡献率为为15.55%，2.84%和12.49%，1990—1999年降雨侵蚀力对输沙变化的影响程度最低。

表4 各年代降雨侵蚀力对乌江流域输沙量变化的影响

图5 乌江流域输沙量-降雨侵蚀力双累积

3.2.3 乌江流域人类活动对输沙量的影响流域的侵蚀产沙和泥沙输移除受流域降雨影响外，还受到诸如水利工程建设、水土保持、河道采砂、开发项目建设等人为因素的影响。根据研究时段内相关政策变化(表5)，在1956—1983年期间乌江流域内一些如道路交通、工矿等国家基础工程的建设，由于人口数量增加所带来的土地利用和开发活动将越来越多，由此导致流域输沙量增多[31]，但此时期的输沙量变化主要由流域降雨侵蚀力引起。

而1984—2014年乌江流域输沙量主要受人类活动影响，1984—1989，1990—1999和2000—2013年人类活动对输沙变化的贡献率为84.45%，97.16%，87.54%，1990s人类活动对输沙变化的影响程度最大，原因在于后期流域内水土保持工作的有序开展和大型水利工程的修建，如1988年长江上游水土保持工程，1999年国家退耕还林等工程的实施，且乌江流域是国家确定的十三大水电基地之一，流域内修建了大量水利水电工程，并于2013年流域水电梯级开发全面完工，这些水利水电工程有力拦蓄了乌江流域的绝大部分来沙，对减少武隆站输沙量起到显著的控制作用，这些都导致1984—2014年河流输沙量较之前年份大幅下降。

表5 乌江流域1956-2014年相关政策变化

4 结论

(1) 在1956—2014年，年侵蚀性降雨量的年际变化较年降雨量的年际变化相比更为剧烈。研究时段内乌江流域大致经历了少雨—多雨—少雨—多雨—少雨5个阶段，其中侵蚀性降雨年际变化阶段跟年降雨年际变化阶段一致。

(2) 从降雨年代变化上看，在1956—2014年，乌江流域在1970—1979，1990—1999年为多雨时期。流域内59 a中约有32.57%的降雨为侵蚀性降雨，且多发生于1960—1979年。

(3) 乌江流域的年内降雨主要发生流域汛期，其中5—7月降雨最为集中，在6月达到峰值，且多为侵蚀性降雨，之后开始减少。因此在汛期应注意防洪减灾和由于土壤入渗加剧造成的水土流失问题。

(4) 在整个研究时段，根据乌江流域输沙量和降雨侵蚀力双累积曲线方程计算所得，1984—1989年，1990—2013年降雨侵蚀力的贡献率为15.55%，2.84%，12.46%，人类活动的贡献率为84.45%，97.16%，87.54%，1990—1999年人类活动对输沙变化的影响程度最大。1990—1999年降雨侵蚀力对输沙变化的影响程度最低。

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