曲靖市麒麟区降雨侵蚀力的时间分布特征研究

胡 鑫

( 云南省水文水资源局曲靖分局，云南 曲靖 655000)

降雨侵蚀力反映了降雨引起土壤侵蚀的潜在能力[1]，能够评价区域气候对土壤侵蚀的潜在影响[2]，分析侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力的时间变化特征，可为区域土壤侵蚀量预测预报、水土保持措施的科学布置提供科学依据，具有重要的现实指导意义。赵阳等[3]利用曲靖烟区1971—2008年的降雨特征，分析该区域降雨量的时空分布特征和变化规律，结果表明，曲靖市不同烟区之间降雨量差异显著，低海拔烟区降雨量大于中海拔和高海拔烟区。Panagos等[4]认为降雨侵蚀力具有明显的季节变化和年际变化，10—12月份降雨侵蚀力最强。陈正发等[5]以云南省昆明气象站1951—2010年共60 a逐日降雨数据为基础，计算昆明市降雨侵蚀力时间演变特征，并探讨不同降雨侵蚀力计算模型在该区域的适用性。

曲靖市是云南省第2大城市，也是云南省粮食经济作物的主产区，坡耕地面积占耕地面积的75%以上，水土流失具有量大面广、侵蚀强度大、危害严重3个特征。同时，近些年生产建设项目类型和数量不断增加，其中2003—2010年共有1269项生产建设项目，造成严重的水土流失[6]。因此，本研究以云南省曲靖市麒麟区2000—2016年逐日降雨数据为基础，研究降雨量和侵蚀性降雨量的变化规律，利用日降雨侵蚀力模型计算并分析降雨侵蚀力时间分布特征，为该区域土壤侵蚀预测模型构建、完善云南省降雨侵蚀力研究提供依据。

1 研究区概况

云南省曲靖市地处云贵高原，位于东经102°03'～104°50'，北纬 24°19'～27°03'，属亚热带高原季风气候，年均气温14.5 ℃，年均降水量在1000 mm以上，降雨时空分布不均匀，5—10月降雨量占全年的88%，全年无霜期约254 d；曲靖市土壤类型以红壤土为主，属于亚热带常绿阔叶林区的西部，即半湿润常绿阔叶林区，分属南亚热带常绿阔叶林地带和中亚热带常绿阔叶林地带。根据《云南省2004年土壤侵蚀遥感调查报告》[7]，曲靖市土地总面积28904.11 km2，土壤侵蚀总面积12823.75 km2，占总面积的44.37%，轻度、中度、强度、极强度、剧烈侵蚀面积分别占土壤侵蚀面积的57.84%、33.56%、6.93%、1.50%、0.17%，以水力侵蚀为主。

2 研究方法

降雨数据为2000—2016年17年逐日降雨量，来自云南省水文水资源局曲靖分局，监测点位于云南省曲靖市麒麟区。本研究采用基于日降雨量的降雨侵蚀力模型[8]（公式（1）～（3））计算曲靖市麒麟区降雨侵蚀力，计算出逐年各个半月的降雨侵蚀力，统计春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）及全年降雨侵蚀力。式中：Ri为第i个半月时段内的降雨侵蚀力；Pj为半月时段内第j天侵蚀性降雨量，标准为12 mm，当降雨量小于12 mm时，按照0进行计算；k为某个半月内侵蚀性降雨天数，半月时段的划分是以每月第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，全年划分为24个时段；α，β为模型参数；Pd12为日降雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12为日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

3 结果与分析

3.1 曲靖市麒麟区多年平均降雨量分布特征

对曲靖市麒麟区2000—2016年逐日降雨量资料进行统计分析，获取曲靖市麒麟区多年平均降雨量和侵蚀性降雨分布特征（表1）。

由表1可知，曲靖市麒麟区多年平均降雨量最大值为1246 mm，最小值为533.9 mm，平均为875.5 mm，最大值分别是平均值和最小值的1.4倍和2.3倍，多年平均降雨量的变异系数为21.6%，属中等变异性，说明曲靖市麒麟区年际降雨量差异明显。曲靖市麒麟区多年平均降雨量年内分布呈现先增大后减小的变化趋势，即降雨量呈现单峰式分布曲线，6月份降雨量最大（196.8 mm），2月份降雨量最小（14.0 mm），降雨量主要分布在5—10月份，其数值为748.3 mm，占全年降雨量的85.47%，这与李矜霄等[9]研究结果相一致。1—12月份逐月降雨量的变异系数呈现先减小后增大的变化规律，为37.9%～106.4%，6、7月份的变异系数最小，其降雨量最大，说明该时段多年降雨量普遍偏大且分布相对稳定。1月、2月、12月降雨量最大值分别为71.5、37.0、65.7 mm，最小值均为0，其变异系数均大于100%，属强变异性，说明相比于3—11月份，该时段降雨量离散程度较大，降雨分布更加不均匀，年际变化明显。春季、夏季、秋季、冬季降雨量分别为132.8、501.9、188.0、52.9 mm，占全年降雨量的15.17%、57.33%、21.47%、6.03%，降雨主要集中在夏季。

表1 曲靖市麒麟区多年平均降雨量分布Table 1 Distribution of mean annual rainfall amount in Qujing

曲靖市麒麟区多年平均侵蚀性降雨量为605.9 mm，主要集中在5—10月份，分别占全年侵蚀性降雨量的91.17%，这与多年平均降雨量的变化规律相一致。侵蚀性降雨量呈现单峰式分布型，在6月份达到最大值，其中6月份侵蚀性降雨量占全年的27.08%。各月侵蚀性降雨量占全年降雨量的29.59%～83.38%，呈现先减小再增大后减小的变化规律，其最小值均出现在3月份，最大值均出现在6月份，说明侵蚀性降雨发生的可能性与降雨量之间具有不一致性。春季、夏季、秋季、冬季侵蚀性降雨量分别为74.4、387.8、119.3、24.4 mm，侵蚀性降雨多发生在夏季，更容易发生水土流失，且各类生产建设活动也多发生在夏季，造成特殊的人为加速侵蚀。因此，大型的建设活动应避开该时段，同时重视弃土弃渣堆积体的水土保持措施布置。

3.2 曲靖市麒麟区降雨侵蚀力分布特征

3.2.1 次降雨侵蚀力分布特征

由表2可知，曲靖市麒麟区2000—2016年期间共发生侵蚀性降雨400次，17年间最大次降雨侵蚀力为 1491.54 MJ·mm/(hm2·h)，占全部次降雨侵蚀力的2.35%，出现在2010年6月25日，相应的日降雨量为 117 mm，最小值为 32 MJ·mm/(hm2·h)，出现在2005年5月30日，降雨量为12 mm；次降雨侵蚀力平均值为 158.7 MJ·mm/(hm2·h)，小于该数值的侵蚀性降雨次数为277次，占全部侵蚀性降雨次数的69.25%，且次降雨侵蚀力的变异系数为112.34%，属强变异性，偏度和峰度为3.26和14.79，表明曲靖市麒麟区多年次降雨侵蚀力分布不符合正态分布，次降雨侵蚀力分布极其不均匀。

表2 次降雨侵蚀力统计特征Table 2 Statistical characteristics of secondary rainfall erosivity

3.2.2 月降雨侵蚀力分布特征

由表3可知，曲靖市麒麟区月降雨侵蚀力呈现先增大再减小的变化趋势，为单峰式分布曲线，这与降雨量和侵蚀性降雨量的分布特征相一致。2000—2016年逐月降雨侵蚀力变化幅度较大，除6月份和7月份以外，其他月份月降雨侵蚀力的最小值均为0，而最大值为 159.53～2891.39 MJ·mm/(hm2·h)。月降雨侵蚀力平均值为31.87～1127.94 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在5—10月份。6月份所占比例最大，占全年降雨侵蚀力的30.21%，发生在2001年。2月份降雨侵蚀力最小，为31.87 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的0.85%。5—10月份不仅降雨量比较集中，其产生的降雨侵蚀力也较大，占全年的92%以上。因此，该时段是曲靖市麒麟区水土流失敏感期，极易发生水土流失，应加强各项水土保持措施，以降低水土流失发生的可能性和程度。

表3 月降雨侵蚀力统计特征Table 3 Statistical characteristics of monthly rainfall erosivity

3.2.3 降雨侵蚀力季节分布特征

由表4可知，曲靖市麒麟区降雨侵蚀力具有明显的季节性变化，表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，春季和冬季降雨侵蚀力的最小值为0，秋季则在 73.04～1899.16 MJ·mm/(hm2·h)间变化；夏季降雨侵蚀力最大，其数值为2524.77 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的67%以上。17年间，各个季节的降雨侵蚀力均存在不同程度的波动，变异系数能够反映年降雨侵蚀力的离散程度和变异性，各季节降雨侵蚀力的变异系数在31.22%以上，为中等变异性或强变异性，其变异系数大小依次为冬季＞春季＞秋季＞夏季，说明冬季降雨侵蚀力波动程度最大。

表4 季节降雨侵蚀力统计特征Table 4 Statistical characteristics of seasonal rainfall erosivity

图1为各个季节降雨侵蚀和侵蚀性降雨量的关系。由图1可知，各个季节降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量之间具有明显的正相关关系，即随着侵蚀性降雨量的增大，降雨侵蚀力也增大，其决定系数R2为0.8673～0.9629。

3.2.4 降雨侵蚀力年际分布特征

由图2可知，曲靖市麒麟区多年平均降雨侵蚀力为 3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，最大值为 6959.16 MJ·mm/(hm2·h)， 出现在2001 年；最小值为1325.46 MJ·mm/(hm2·h)，出现在 2011 年，最大值是最小值的5.25倍，变异系数为37.15%，年际变化明显。降雨侵蚀力的年际变化与侵蚀性降雨量的年际变化相一致，侵蚀性降雨量越大，降雨侵蚀力也越大，且降雨侵蚀力的变化程度要明显大于侵蚀性降雨量的变化。

3.3 不同时间尺度的降雨侵蚀力对比分析

本研究基于日降雨侵蚀力模型分别计算曲靖市麒麟区2000—2016年降雨侵蚀力，从次降雨侵蚀力、月降雨侵蚀力和年降雨侵蚀力3个时间尺度分析降雨侵蚀力与侵蚀性降雨之间的关系（图3）。由图3可知，降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量拟合效果依次为次降雨＞月降雨＞年降雨，次降雨量的计算结果精度高于月降雨量和年降雨量。曲靖市麒麟区17年逐月降雨侵蚀力的平均值为477.3 MJ·mm/(hm2·h)，大于该数值的降雨侵蚀力发生次数为50次，占17年的37.59%；而大于该数值的降雨侵蚀力数值累计为 48617.67 MJ·mm/(hm2·h)，占17年总降雨侵蚀力的76.59%，说明降雨侵蚀力多发生在侵蚀性降雨量较大的情况下；年降雨侵蚀力随侵蚀性降雨量增大而增加，当年降雨量大于800 mm时，年降雨侵蚀力在6000 MJ·mm/(hm2·h)以上，最大可达 6959 MJ·mm/(hm2·h)。降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量之间具有较好的乘幂关系，决定系数R2为0.9以上。

图1 季节侵蚀性降雨量与降雨侵蚀力的关系Fig. 1 Relationships between seasonal erosive rainfall and rainfall erosivity

图2 曲靖市麒麟区年侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力变化Fig. 2 Changes of annual erosive rainfall and rainfall erosivity in Qujing

图3 降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量的关系Fig. 3 Relationships between rainfall erosivity and erosive rainfall

4 结论与讨论

曲靖市麒麟区2000—2016年平均降雨量为875.5 mm，降雨量年际变化明显，年内分布不均匀，呈单峰式分布曲线。多年平均降雨侵蚀力为3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，该区域降雨侵蚀力具有明显的季节性分布特征，这与研究区所在地理位置和气候特征有关。曲靖市麒麟区降雨侵蚀力主要集中在6—8月，占全年降雨侵蚀力的67%，较大的降雨侵蚀力和坡耕地农作物覆盖度的降低，导致坡耕地水土流失严重[10]，造成土壤肥力的降低，是水土流失侵蚀敏感期。相关研究表明[11]，侵蚀模数与植被覆盖度呈负相关关系，且降雨侵蚀力集中的月份其产生的径流量和产沙量也较大，可占全年62%以上。同时，夏季为生产建设活动高峰期，大规模的生产建设项目会开挖扰动地表，降低植被覆盖度，进而形成严重的水力侵蚀。相关研究也表明，云南省土壤侵蚀以水力侵蚀为主，侵蚀严重程度居全国第2[5]，曲靖市地处滇东北，是暴雨侵蚀力最强区域[12]。曲靖市占地面积2.89万km2，共有麒麟区、沾益区、陆良县、会泽县等9个行政区域，各区域的降雨特征及其降雨侵蚀力差异显著。因此，单纯的研究曲靖市麒麟区降雨侵蚀力的时间分布特征不能准确反映曲靖市降雨侵蚀力，今后应加强曲靖市其他区域降雨侵蚀力时间分布特征以及曲靖市降雨侵蚀力空间分布特征的研究，以完善曲靖市降雨侵蚀力时空分布特征，为该区域土壤侵蚀预测预报提供数据支持。

曲靖市麒麟区多年平均降雨量为875.5 mm，最大值分别是平均值和最小值的1.4倍和2.3倍，年际降雨量差异明显。年内分布呈单峰式分布曲线，6月份降雨量最大，2月份降雨量最小。多年平均侵蚀性降雨量为605.9 mm，主要集中在5—10月份。6月份侵蚀性降雨量最大，占全年的27.08%。17年间最大次降雨侵蚀力为 1491.54 MJ·mm/(hm2·h)，占全部次降雨侵蚀力的2.35%，最小值为 32 MJ·mm/(hm2·h)， 平 均 值 为 158.7 MJ·mm/(hm2·h)。月降雨侵蚀力平均值为31.87～1127.94 MJ·mm/(hm2·h)，主要集中在 5—10 月份，6 月份所占比例最大。降雨侵蚀力具有明显的季节性变化，表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，春季和冬季降雨侵蚀力的最小值为0。夏季降雨侵蚀力最大，其数值为 2524.77 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的67%以上。降雨侵蚀力年际变化显著，多年平均降雨侵蚀力为 3734.19 MJ·mm/(hm2·h)，降雨侵蚀力的年际变化与侵蚀性降雨量的年际变化相一致。降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量拟合效果依次为次降雨＞月降雨＞年降雨，降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量之间具有较好的乘幂关系，决定系数R2为0.9以上。