湖南省降雨侵蚀力时空变化特征分析

陈 果 李朝奎 王 宁 方 文

（1.湖南科技大学地理空间信息技术国家地方联合工程实验室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学地理空间信息湖南省工程实验室，湖南 湘潭 411201）

近几年，湖南省上下大力推进科学发展，经济社会呈现又好又快发展的良好势头，经济实力迈上新台阶。但是，随着经济的快速发展，湖南省水土流失的情况日趋严重，每年全省流失的土壤上亿吨，随土壤流失的有机肥料也达到数百万吨，使得地力衰退，给湖南省的水土资源和人们的生产活动带来一系列影响。比如，土地资源受到破坏、流域水质遭受污染、水库泥沙堆积严重，这些都在一定程度上增加了洪涝灾害隐患。因此，掌握土壤流失状况对于湖南省水土保持工作具有指导性意义。而降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因素，是引起水土流失的第一主导因子，降雨特征直接影响土壤侵蚀过程和强度，因此，深入开展对湖南省侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的研究显得非常重要。在度量降雨侵蚀力方面，国内外很多学者进行了比较深入的研究。维希迈耶和史密斯等［1］用不同时段最大雨强和雨滴动能组成各种参数，并与土壤流失量进行相关分析，通过分析可知，降雨动能E和最大30 min雨强I30的乘积EI30与土壤流失量的相关性最好，因此将其作为度量降雨侵蚀力的指标。该指标应用于通用土壤流失方程USLE中，预报多年平均土壤流失量。但是，计算EI30时需要详细的降雨过程资料，难以得到比较详细的降水过程资料，降水过程的判定和计算也比较困难，因此各国学者纷纷找到各种不同的降雨侵蚀力的简单计算方法［2-5］。本文在研究目前各种简易计算方法的基础上，结合湖南省降雨丰富的特点，采用章文波［2］提出的计算模型对湖南省内降雨侵蚀力空间分布进行研究，得出了对湖南省水土保持规划有参考价值的结论。

1 计算与分析方法

1.1 降雨侵蚀力的计算模型

降雨侵蚀力采用简易算法，其计算公式如下［4］：

式（1）中，Ri表示第i个半月时段的侵蚀力R值，MJ·mm/（hm2·h）；Dj表示半月时段内第j天的侵蚀性日雨量，根据谢云等［6］对侵蚀性降雨标准的研究，要求以日雨量≥12 mm为侵蚀性降雨量的标准；k表示该半月时段内的天数，半月时段的划分以每月第15天为界，可将全年划分成24个半月时段；α和β是模型参数，其计算公式如下：

式（2）中，Pd12为日雨量≥12 mm的日平均雨量，mm；Py12为日雨量≥12 mm的年平均雨量，mm。

1.2 气候倾向率

气候倾向率可用降雨侵蚀力R与时间t一元回归的斜率表示，该指标用来分析气候要素的变化趋势，用一次线性方程表示［7］：

式（4）中，Xt为年度降雨侵蚀力，MJ·mm/（hm2·h）；t为年度序号；a、b为参数。定义b×10为气候倾向率，单位为某要素单位/（10 a），当气候倾向率为正时表示降雨侵蚀力有线性增加的趋势，反之则是线性减少［8］。

2 结果与分析

2.1 试验区域

湖南省位于长江中游南部，全省土地总面积为21.18万km2，其东面、南面和西海拔较高，多山地地形，中部丘陵，北部平原和洞庭湖流域，按地貌组合可概况为五分山地、三分丘岗、两分平原和水面，是以山丘为主的地貌格局，按地貌区域可划分为湘西北山原山地区、湘西山地区、湘南山丘区、湘东山丘区、湘中丘陵区和湘北平原区6个地貌区。

湖南省为大陆性中亚热带季风湿润气候，受季风环流的影响显著，光、热、水资源丰富，冬季严寒，夏季炎热，春季温度多变，秋季多寒潮和降温过程，降水集中在春夏两季，而秋冬多干旱，气候的年内和年际变化较大，年平均降雨量在1 200～1 700 mm，雨量充沛，为我国雨水较多的省区之一，时间分配不均，主要集中于4—8月。

2.2 降雨侵蚀力的空间分布特征

利用日降雨量模型计算出各站点的多年平均降雨侵蚀力，湖南省多年平均降雨侵蚀力变化范围在4 787.88～11 421.29 MJ·mm/（hm2·h ·a），平均为7 215.47 MJ·mm/（hm2·h·a）。采用ArcGIS地统计模块的反距离权重插值方法进行空间插值得到湖南省多年平均降雨侵蚀力等值线图（见图1）。由图1可见，湖南省多年平均降雨侵蚀力具有明显的地域差异性，总体分布特征表现为湘西北、湘东北、湘南地区形成高值中心逐渐向湘中地区递减，最终在湘西南地区形成低值中心，在安化站、临湘站、南岳站形成降雨侵蚀力的高值中心，降雨侵蚀力值均在9 000 MJ·mm/（hm2·h·a）以上，其中南岳以 12 340.38 MJ·mm/（hm2·h·a）为最大值。城步站和新晃站形成降雨侵蚀力的低值中心，其中城步站以4 935.09 MJ·mm/（hm2·h·a）为最小值。

根据地形区域划分来看，湖南省呈现出山地丘陵地区降雨侵蚀力水平普遍高于平原地区及盆地地区的特点。因此，在水土保持工作中，对于山地丘陵地区需要着重预防，以高值中心南岳站作典型区域为例，该区域侵蚀性降雨频率较高，区域内岩性主要为花岗岩，其保水性差，抗侵蚀能力低。通过对湖南省DEM提取坡度发现，区域内坡度普遍在25°以上，因此，当地表失去保护时，降雨产生径流在重力的加速作用下极易加快土壤流失，水土流失风险增加。而低值中心区域，如城步县、邵阳县地处邵阳盆地，降水特点受地貌影响明显，山地降水多，丘岗平地少，因此降雨所带来的侵蚀程度较小，而位于娄邵干旱走廊区域的邵东、新邵、双峰等站点，同样受地形因素影响，降雨侵蚀力水平也普遍不高。

图1 年均降雨侵蚀力等值线图

总体上，湖南省多年平均降雨侵蚀力较高，丰富的降水是主要原因之一。由于复杂的地形对气候产生影响，导致降水在空间上分布不均匀。因此，降雨侵蚀力空间上分布亦呈不均匀的特征，降雨侵蚀力高值中心主要位于山丘地貌地区，低值中心主要位于平原、盆地地区。同时，降雨侵蚀力还受到土壤质地、坡度和坡长等因素的影响，因此，在具体分析某一地区的降雨侵蚀力程度的时候，需要考虑更多侵蚀影响因子。

2.3 降雨侵蚀力的年内变化

每年3—8月为春夏季，是湖南省多雨的季节，因此，降雨侵蚀力年内分布表现出显著的季节变化，多年平均各月降雨及降雨侵蚀力百分比如图2所示。由图2可以看出：研究区R值主要集中在春夏季节，其中3—8月的R值占年R值的80%以上，R值的月分布集中程度比较高，月R值最大值出现在6月，与降雨量相一致。主要原因是湖南省为大陆型亚热带季风气候，气候年内变化较大，春夏多雨，秋冬干旱。在春夏季节，不仅降雨频率增多，而且暴雨频率也增多，降雨侵蚀力受到降雨量和降雨强度共同影响。因此，这些月份降雨侵蚀程度会急剧增强。而秋冬季节降雨侵蚀力水平普遍很低，对R值年内分布影响很小。

2.4 降雨侵蚀力的年际变化

湖南省多年平均气候倾向率为201.31［MJ·mm/（hm2·h·a）］/10 a。总体上，1960—2015年湖南省的降雨侵蚀力呈线性增加趋势，降雨引起的土壤侵蚀潜能在增加，需要加强水土流失的防治工作。

为了更好地了解多年降雨侵蚀力时空变化特征，采用反距离权重插值方法分别作出20世纪60年代至21世纪初6个阶段的降雨侵蚀力空间分布图（见图3）。由图3可知，6个年代的降雨侵蚀力空间分布是动态变化的，低值区几乎无显著变化，主要还是集中于湘中、湘西南区域，高值区除南岳区、安化县、临湘市无显著变化外，不同年代均有新的高值区出现，均呈现由西北、东北、东部到西南递减的趋势。20世纪60年代（1960—1969年），降雨侵蚀力的高值区主要集中在湘西北至湘东北一带、以南岳区为中心的地区，低值区在湘中及西北部；20世纪70年代（1970—1979年），在湘南区域以道县为中心出现一个小范围高值区，湘西北、湘东北及南岳仍处于高值区，低值区无明显变化；20世纪80年代（1980—1989年），高值区范围明显增加，湘北部分地区变为高值区，湘西南部分区域也转变成高值区；20世纪90年代（1990—1999年），仅有以安化县、南岳区、临湘市为中心的小范围高值区，低值区有向湘中变化的趋势；21世纪00年代（2000—2009年），湘西北又回到高值区，湘东南普遍处于高值水平，低值区无明显变化。21世纪10年代初期（2010—2015年），湘西北、湘东北高值区面积普遍扩增，整体呈现出南北高、中间低的分布特征。综上所述，湖南省不同年代降雨侵蚀力的空间分布均有所不同，其高值区和低值区均为动态变化，没有明显的规律，每一年代降雨侵蚀力的空间差异也有所不同。

图2 多年平均各月降雨及降雨侵蚀力百分比

3 结论

①湖南省多年年均降雨侵蚀力为7 215.47 MJ·mm/（hm2·h·a），空间上分布特征表现为湘西北、湘东北、湘南地区形成高值中心逐渐向湘中地区递减，最终在湘西南地区形成低值中心。湖南省降雨侵蚀力年内分布表现出显著的季节变化，R值的月分布集中程度比较高，降雨侵蚀力主要产生在3—8月，占全年R值的80%以上，高峰值出现在6月。近几十年来，整体气候倾向率为正，表明湖南省降雨侵蚀力呈增加趋势。不同年代降雨侵蚀力的空间分布是动态变化的，高、低值区均处于动态变化，无明显规律。

图3 不同年代降雨侵蚀力空间分布

②根据湖南省降雨侵蚀力空间分布上特点可为水土流失防治、水土保持规划和技术管理提供科学依据。山地丘陵区降雨侵蚀力较强烈，主要是山区经济落后，毁林开荒现象比较严重，应广泛开展退耕还林还草，增加土壤入渗率和防止径流冲刷。在缓坡开梯带种植经济作物，陡坡进行栽树植草。平原区则以预防为主，主要控制城市化发展过程中及农业活动中对生态环境的破坏，在平坦荒地应按照“草—灌—乔”多层立体植被来进行规划。

［1］吴昌广，林德生，肖文发，等.三峡库区降雨侵蚀力时空分布特征［J］.应用生态学报，2011（1）：151-158.

［2］章文波，谢云，刘宝元.降雨侵蚀力研究进展［J］.水土保持学报，2002（5）：43-46.

［3］吴素业.安徽大别山区降雨侵蚀力简化算法与时空分布规律［J］.中国水土保持，1994（4）：12-13.

［4］周伏建，陈明华，林福兴，等.福建省降雨侵蚀力指标R值［J］.水土保持学报，1995（1）：13-18.

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［6］谢云，刘宝元，章文波.侵蚀性降雨标准研究［J］.水土保持学报，2000（4）：6-11.

［7］刘燕玲，刘滨辉，王力刚，等.黑龙江省降雨侵蚀力的变化规律［J］.中国水土保学，2010（2）：24-29.

［8］刘梅，彭晓燕，李进喜，等.1961年至2007年江苏省高温气候特征分析［J］.资源科学，2011（10）：1991-1998.