泾河流域降雨侵蚀力的时空变化

2022-12-27何奂

广东气象 2022年6期

何奂

（新兴县气象局，广东新兴 527400）

土壤侵蚀会导致一系列的环境问题，如泥石流、洪水、干旱等，还会导致大量的耕地资源被破坏［1］。降雨是侵蚀的直接气象驱动力，同时也是水文循环必不可少的环节，因此会进一步加剧土壤侵蚀。研究降雨侵蚀力的变化规律，可以为土壤侵蚀风险评估、水土流失防控等提供重要参考依据［2］。

降雨侵蚀力（R）表示降雨对土壤侵蚀的严重程度，准确评价和计算R值可以预报土壤流失［1］。20世纪60年代，由Wischmeier［3］初次提出把EI30作为降雨侵蚀力指标，得到了广泛应用。但该指标所需数据获取难度较大、计算方法复杂且耗时，在实际应用时受到一定限制［4-5］。有学者选取EI10、EI60、EI75作为指标，但计算此类指标需长时间序列（至少20年）场次降雨数据。杨轩［6］、章文波等［7］在EI30的基础上，利用日雨量数据进行了修订，修订的日雨量侵蚀力模型因数据获取容易且计算精度高，适用于中国大部分地区，得到了广泛的应用。

泾河流域面积4.5万km2，泾河是渭河的最大支流。流域的土壤损失非常严重，是生态环境最脆弱的流域之一。本研究利用泾河流域1957—2017年5个代表性雨量站的历史日降雨资料，使用章文波等［7］模型来计算降雨侵蚀力，通过均值、变异系数等指标分析降雨侵蚀力的时空分布规律，为泾河流域水土流失防治和农业开发提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本研究选取1957—2017年泾河流域5个气象站点（长武（53929）、环县（53821）、崆峒（53915）、西峰（53923）、固原（53817））逐日降水资料，数据来源于国家气象局数据中心。所用泾河流域基础空间数据来源于地理空间数据云网站下载的30 m×30 m数字高程模型（图略）。

1.2 研究方法

研究气候变化背景下R的变化规律，参考中国第1次全国水利普查水土保持专项普查的方法［8］，把12.0 mm作为侵蚀性降雨量标准。运用章文波等［7］模型计算R：

其中，Rj为半月降雨侵蚀力（MJ·mm／（hm2·h））；Pj为日雨量（mm）（P0≥12 mm）；Pd12为日雨量≥12 mm 的日均雨量（mm）；Py12为日雨量≥12 mm的年均雨量（mm）；k为半月时段内的日数（d）；α和β是模型参数。该方程的效果与区域降雨量有关；降雨量丰富的地区，模型误差较小；降雨量少的地方，模型误差大。运用该模型计算可得到24个半月降雨侵蚀力，累加可得月、季、年降雨侵蚀力。

R的突变检验使用M-K检验法［9-10］；周期性分析使用小波分析法［11-12］。未来变化趋势分析则使用R／S分析法。R／S分析法可以通过计算序列的Hurst值来预测未来变化趋势。若Hurst＞0.5，则具有与上一个阶段相同的趋势；若Hurst在0.0～0.5之间，则具有逆持续性，与上一个阶段的变化趋势相反［8］。

2 结果与分析

2.1 月季变化

从逐月R分布（图略）可以看出，R呈双峰分布，7、8月的降雨侵蚀力为年内最大值，大于300 MJ·mm／（hm2·h），占全年总量的58.43%。从空间分布来看，月均R最大值出现在7月的西峰，为501.415 MJ·mm／（hm2·h），而5个站点在12、1、2月的R值基本为0或接近0；3—11月R的平均值为158.192 MJ·mm／（hm2·h）。

本研究中季节划分标准：3、4、5月份为春季；6、7、8月份为夏季；9、10、11月份为秋季；12月、次年1、2月份为冬季。考虑到12、1、2月份的降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量基本为0，因此不计算冬季降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量。

R的季节分布如图1所示，从图1可以看出，春季降雨侵蚀力突变情况较为明显，幅度跨越较大且次数较多。春季平均R为151.983 MJ·mm／（hm2·h），占全年的10.67%，占比较小。春季降雨侵蚀力最大的是长武，其后依次为西峰、崆峒、环县、固原。夏季5个站点的R值总体在500～2 000 MJ·mm／（hm2·h）之间，均值为983.87 MJ·mm／（hm2·h），突变不显著。夏季均值占全年的68.86%。固原和环县的年降雨侵蚀力总体上小于西峰、长武和崆峒。夏季R最大值站点是长武，然后依次为西峰、崆峒、固原、环县。秋季R值占全年的20.46%。与春夏两季一样，长武、崆峒、西峰的变化情况类似，而固原和环县相似。

图1 泾河流域站点春季（a）、夏季（b）、秋季（c）降雨侵蚀力堆积图

通过线性回归分析发现，1957—2017年泾河流域夏季降雨侵蚀力呈上升状态，春季和秋季R呈下降状态。泾河流域春、夏、秋季降雨侵蚀力的变异系数分别为0.851、0.419、0.646，春季降雨侵蚀力变化最为明显。

2.2 年际变化

各站点年R见图2a，从图2a可以看出，R值集中在500～2 500 MJ·mm／（hm2·h），固原和环县的R总体小于西峰、长武和崆峒。

各站点侵蚀性降雨量总体上年际变化与降雨侵蚀力相类似（图2b），其中长武站点的侵蚀性降雨量最大，其后依次是西峰、崆峒、固原、环县，变化规律与季节R、年R相同。线性回归分析可知，1957—2017年泾河年R和年侵蚀性降雨量呈波动上升趋势，且通过显著性检验。该研究结果与珠江流域［13］、长江流域［14］等相关研究结果一致。用R／S分析法，计算得到泾河流域年R的hurst指数为0.556，表明泾河流域在未来的一段时间内，年R和年侵蚀性降雨量将维持此种上升趋势，这与艾明乐等［15］的研究结论一致。

图2 泾河流域各站点年降雨侵蚀力（a）和侵蚀性年降雨量（b）分布

2.3 突变

M-K突变检验是分析两条统计序列，即UFk和UBk。UFk＞0，则时间序列呈上升趋势；反之下降；超过临界值，则变化状态明显。对泾河流域1957—2017年的R进行M-K分析（图略），可以看到，UFk和UBk未达到临界线，故变化趋势不明显。但两条曲线交点很多，一定程度上表明1957—2017年泾河流域年均R突变比较严重。R值在1957—1968和2012—2017年呈上升趋势，在1969—2011年呈下降趋势。

2.4 周期

对泾河流域年降雨侵蚀力作小波分析（图略），可以看出，1957—2017年泾河流域R值有2个峰值尺度，分别是准3年、准17年，并以准17年的周期幅度最大，为R序列的第1主周期，准3年次之。在准17年尺度下，R序列共经历约10个波动周期，平均变换周期约为6年；在准3年尺度下，共经历32个波动周期，平均变换周期为2年。

2.5 空间变化

由图3a的R分布可以看出，泾河流域北部R整体偏小，南部、东部整体偏大，西部偏小。长武站点地区为流域R的最大点，最大值为1 745 MJ·mm／（hm2·h），固原为流域R的最小点，最小值为1 133 MJ·mm／（hm2·h）。从降雨侵蚀力统计值Z值图上（图3b）可以看出，西部和中部区域R的变化趋势是减小的，而东部、南部、北部R值的变化趋向是逐渐增大的，其中东南部分区域的变化趋势极为明显。总体而言，随着经度的增加，纬度的减少，R也随之增加，变化趋向也越来越明显。