1960-2014年间淮河流域降雨侵蚀力的时空变化特征

朱 宸, 赵 雯, 叶正伟, 戚晶晶, 朱丽媛, 张璐璐, 李宇航

(淮阴师范学院 城市与环境学院, 江苏 淮安 223300)

0 引言

降雨侵蚀力反映的是降水对土壤侵蚀的潜在能力,是导致水土流失重要因素之一,分析区域降雨侵蚀力的时空变化有助于评价水土流失危险性,也有助于水土流失的形成机制与演替过程的揭示,对维护区域生态安全与防治措施的制定具有重要意义．

降雨侵蚀力的算法由W. H. Wischmeier等首次提出[1],其后,基于年降水量、月降水量、日降雨量的降雨侵蚀力方法研究广泛开展[2-4]．Arnoldus、刘斌涛等根据多年平均年雨量和月雨量资料构建了简易的侵蚀力算法[5-6],但精度相对不高,因而利用日降水量数据计算降雨侵蚀力方法得到广泛应用[7-9]．国内相关基于日降水资料的研究也逐渐开展,赖成光等利用1960-2012年逐日降雨资料计算珠江流域降雨时空变化特征[10];刘春利等分析了延河流域降雨侵蚀力的时空分布特征[11];张家其等通过湖北省及周边26个气象台站1957～2008年逐日降雨量数据,计算了湖北省降雨侵蚀力的变化特征[12]．

淮河位于中国东部,人口密度高,农耕历史悠久,是我国重要的农业基地,但由于受不良自然条件和人类不合理经济活动的影响,流域内生态环境受到破坏,水土流失较严重．目前,关于淮河流域降雨侵蚀力的研究尚不充分,对认识水土流失规律和水土保持防治具有一定的制约作用．鉴于此,本文拟通过淮河流域各气象站点1960-2014年间日降雨资料,分析流域降雨侵蚀力变化的时空分布特征和演变规律．

1 研究区概况

淮河流域地处中国东部,介于长江和黄河两流域之间,地理位置为北纬30°55′-36°36′,东经111°55′-121°25′,面积为27万km2(图1)．淮河流域地处中国南北气候过渡带,气候温和,年平均气温为11-16℃,气温变化由北向南,由沿海向内陆递增．淮河流域多年平均降水量约为920 mm,降水分布由南向北递减,山区多于平原,沿海大于内陆．淮河流域西部、西南部及东北部为山区、丘陵区,其余为广阔的平原．

图1 淮河流域地形与雨量站点分布图

2 数据与方法

2.1 数据来源

采用1960-2014年间淮河流域30个站点的日降雨量资料,数据均来自中国气象局．30个站点较均匀的分布于淮河流域,能够代表流域总体降雨特征．30个站点分别为:高邮、徐州、淮安、盱眙、东台、射阳、赣榆、菏泽、莒县、临沂、日照、兖州、沂源、宝丰、固始、开封、商丘、西华、驻马店、信阳、许昌、郑州、砀山、亳州、蚌埠、阜阳、霍山、六安、寿县、宿县．

2.2 研究方法

降雨侵蚀力值是衡量降雨侵蚀力的一个指标,是美国通用土壤流失方程USLE的一个最基本因子．本研究采用章文波等提出的降雨侵蚀力模型进行计算[8],该模型基于日雨量资料,以半月为计算时段来估算降雨侵蚀力,是适用于我国的模型参数估算方法,在计算多年平均降雨侵蚀力方面具有较好的效果,其具体公式如下:

(1)

式中:Ri表示第i个半月时段的侵蚀力值,单位为MJ·mm/(hm2·h);k表示该半月时段内的降雨天数;Pj表示半月时段内第j天的日雨量,单位为mm,要求日雨量至少≥12 mm,否则以0计算,12 mm为侵蚀性降雨基本标准．α和β是模型参数,根据以下公式进行估算:

(2)

α=21.586β-7.1891

(3)

式中:Pd12表示日雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12表示日雨量≥12 mm的年雨量．利用式(1)～(3)计算逐年各半月的降雨侵蚀力,经累加可得到降雨侵蚀力值．

本文主要分析淮河流域年降雨侵蚀力和汛期降雨量侵蚀力,汛期取6-8月．降雨侵蚀力的时间变化分析采用一元线性回归分析方法,详见文献[13]．周期分析采用小波方法(Wavelet Analysis),具体计算过程详见文献[14-15]．降雨侵蚀力的空间特征研究主要采用ArcGIS的地理统计方法进行分析．

3 结果与分析

3.1 降雨侵蚀力的时间变化特征

淮河流域具有侵蚀能力的多年平均降水量变化范围较大(图2)．具有侵蚀力的年降水量略呈减少趋势(图2a),多年变动范围为392-952 mm间,最高值为2003年,最低值为1966年,变幅为560 mm,多年平均值为651 mm．而汛期具有侵蚀力的降水量也略呈减少趋势(图2b),多年变动范围为266-623 mm之间,变幅为357 mm,平均值为416 mm,最大值在2003年,最低值出现在1999年．

图2 淮河流域具有侵蚀力的年降雨(a)、汛期降雨(b)多年变化

年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力的变化过程较为类似(图3),主要由于具有侵蚀能力的降水主要出现在汛期．年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力总体波动较大,但无明显变化趋势．年降雨侵蚀力上,其多年变化范围为9 218-3 902 MJ mm/(hm2·h)(图3a),变幅较大,为5 316 MJ mm/(hm2·h);最高值与最低值分别出现在2003年和1966年,多年均值为6 536 MJ mm/(hm2·h)．汛期降雨侵蚀力的变化范围为2 268-5 794 MJ mm/(hm2·h)(图3b),幅度相对较小,为3 526 MJ mm/(hm2·h)．

图3 淮河流域年降雨侵蚀力(a)、汛期降雨侵蚀力(b)的变化

3.2 降雨侵蚀力的周期变化

采用小波方法分析的淮河流域降雨侵蚀力周期变化见图4．可以看出,年降雨侵蚀力和汛期降雨侵蚀力在2000年前后存在约2a左右通过0.5水平置信度检验的变化周期(图4a),而汛期降雨侵蚀力在20世纪60年代中期也存在约2a的变化周期(图4b),其余年份无明显周期变化,这也印证了前述降雨侵蚀力变化波动较大但总体变化趋势不明显的特征．

图4 淮河流域年降雨侵蚀力(a)、汛期降雨侵蚀力(b)的小波周期变化

3.3 降雨侵蚀力的空间变化

3.3.1 降雨侵蚀力的空间分布

由淮河流域年均降雨侵蚀力和汛期侵蚀力的空间分布可知(图5),流域年降雨侵蚀力总体上呈现由南向北的递减变化(图5a),南北向过渡变化的特征明显;其中,流域西南山区降雨侵蚀力值较大,流域中北部则是年降雨侵蚀力最小的区域．

而在淮河流域汛期降雨量侵蚀力的空间变化上,其总体也表现为南部高于北部的特征,其中流域西南部淮河干流上游区域为侵蚀力高值,而中北部为汛期降雨侵蚀力低值区域,但在流域西部,宝丰站点区域也为低值区．总体上看,汛期降雨侵蚀力值较之于年降雨侵蚀力数值明显偏小,这与流域具有侵蚀能力降水分布的年内分布差异有关．同时,汛期降雨侵蚀力内向差异更大,过渡性特征不如年降雨侵蚀力突出．

图5 淮河流域年降雨侵蚀力(a)、汛期降雨侵蚀力(b)的空间分布

3.3.2 降雨侵蚀力的变化趋势

淮河流域降雨侵蚀力多年变化趋势的空间分布特征如图6所示,可以看出,年降雨侵蚀力总体上以减小趋势为主(图6a),空间分布上表现为大部分地区降雨侵蚀力呈下降趋势,仅在流域南部、西南部地区呈上升趋势,其中六安站点、霍山站点年降雨量侵蚀力上升趋势最大．

汛期流域降雨侵蚀力变化趋势的空间分布与年降雨侵蚀力变化趋势的空间分布高度相似,也表现为总体的减少趋势,仅在南部及西南部地区存在上升趋势(图6b)．这一相似的空间变化特征与淮河流域降水主要集中于汛期有关．

图6 淮河流域年降雨侵蚀力(a)、汛期降雨侵蚀力(b)的变化趋势

同时,结合前述降雨侵蚀力在流域空间分布上南部高而北部低的特征可以发现,在降雨侵蚀力偏高区域的流域南部及西南部地区,其降雨侵蚀力多年变化趋势呈上升趋势,而在北部的侵蚀力偏低的大部分区域,其降雨侵蚀力多年变化为减小趋势．这也意味着,未来在淮河流域南部及淮河干流上游西南地区的水土流失保护与治理仍然属于重点区域．

4 结论

基于淮河流域30个站点1960-2014年间的逐日降雨资料,分析了流域年、汛期降雨量及降雨侵蚀力值的时空变化特征,主要结论如下:

1) 淮河流域具有侵蚀力的年降雨与汛期降水总体变化幅度较大,但无明显变化趋势．流域年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力的波动类似,也无明显变化趋势．

2) 年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力除在2000年左右存在约2a的变化周期外,其余年无明显周期性,但汛期降雨侵蚀力在20世纪60年代中期也存在约2a左右的周期．

3) 年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力表现为南部偏高而北部偏低的空间格局,均呈由南向北逐渐减少的空间分布特征,尤其以西南部上游地区为最高．年降雨侵蚀力与汛期降雨侵蚀力的多年变化以减少趋势为主,仅在流域南部及西南部地区存在上升趋势．