三峡库区龙河流域降雨侵蚀力的时空分布特征

刘惠英,王永文,张平仓

(1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌　330099； 2.长江科学院 水土保持研究所，武汉　430010)



三峡库区龙河流域降雨侵蚀力的时空分布特征

刘惠英1,王永文1,张平仓2

(1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌330099； 2.长江科学院 水土保持研究所，武汉430010)

摘要：为详细研究三峡库区龙河流域降雨侵蚀力的时空分布特征，根据流域及其周边共12个雨量站连续41 a(1970—2010年)的日降雨资料，按照降雨侵蚀力简易模型，对龙河流域降雨侵蚀力年内分配和年际变化规律进行了计算和分析。研究表明：龙河流域多年侵蚀力变化范围为2 031.47～10 927.57 MJ·mm/(hm2·h)，多年均值为4 662.00 MJ·mm/(hm2·h)；流域年降雨侵蚀力总体趋势为由东北向西南递减，侵蚀力高值区在黄水和悦来场一带，低值区位于廖家坝站附近。流域年降雨和年降雨侵蚀力年内分布较集中，汛期降雨、汛期降雨侵蚀力分别占全年比重的78.43%和78.56%；流域侵蚀力分布最集中时段为5—7月份。龙河流域4站M-K统计值Z值均>0，其降雨侵蚀力为增加趋势；其余3站Z值均<0，其降雨侵蚀力为减小趋势；但所有站点的Z值都没有通过α=0.05的显著性水平检验。1970—2010年间，对整个流域而言，降雨侵蚀力减小趋势不显著，降雨量增加趋势不显著。

关键词：降雨侵蚀力；日降雨量；时空分布；龙河流域；三峡库区

1研究背景

降雨侵蚀力是引起土壤侵蚀的主要动力因素，其量化指标为降雨总动能E与其最大30 min的雨强I30的乘积EI30。降雨侵蚀力既是评价水力侵蚀区土壤侵蚀潜在危险性和程度的理论依据，也是通用土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)模型应用的基本参数。该因子能够准确建立降雨侵蚀力的表述形式及量化关系，合理计算一个区域的降雨侵蚀力值是土壤侵蚀定量预报和风险评价的重要内容之一。

三峡库区是长江上游4大重点水土流失片区之一，我国政府已将三峡库区列为全国水土保持重点防治区。库区土壤侵蚀产生的泥沙直接入库，库区水土保持治理，对减缓库区泥沙淤积，延长水库使用寿命具有重大的实际意义。库区降雨侵蚀力研究不仅对该区水土流失治理、水土保持效益评价具有重要意义，而且可为库区水土流失预测提供参考，为水土保持规划提供科学依据。Wischmeier等[1]在1958年提出的EI30作为降雨侵蚀力指标已在世界范围内得到广泛应用，他同时指出，由于该指标是通过统计分析得到，应至少有20 a以上的降雨资料才能保证计算精度[1-2]。王万忠等[3]的研究表明EI30也同样适用于我国，但根据EI30经典算法，很难获得每次降雨的30 min雨强I30和降雨动能E。国内外许多学者尝试利用气象站整编的常规降雨资料建立降雨侵蚀力的简易计算模型[4-9]，较常见的是利用气象站的日降雨量、月降雨量和年降雨量等常规降雨资料计算降雨侵蚀力，相关研究表明以日降雨量资料计算的多年平均降雨侵蚀力精度最高[9]。Richardson等[10]的幂函数结构形式的日雨量侵蚀力模型得到了许多学者的进一步认证，章文波等[8]在修正的日降雨侵蚀力模型基础上提出了我国计算多年降雨侵蚀力的模型并取得了较好的效果。谢云等[4]利用陕北团山沟径流场资料得到了侵蚀性降雨的日雨量标准，对降雨侵蚀力的计算具有重要的意义。

在三峡库区，许多学者[11-17]对降雨侵蚀力进行了一些卓有成效的研究，取得了一些令人满意的成果。但研究在2方面还需改进：计算降雨侵蚀力采用的数据周期过短和采用的测站数量过少。闫业超等[18]的研究表明，降雨资料的时序长度对侵蚀力R平均值的估计置信度有显著影响。目前三峡水库区间的研究在这2方面都不尽如人意。吴昌广、汪言在和张家其等[11-13]在研究整个三峡水库区间侵蚀力时，分别只用了7,4,5个站日降雨资料；花利忠等[14]研究库区支流大宁河时，虽然选择了流域内11个站点，但也只用了8 a的降雨资料；史东梅、缪驰远和张革[15-17]分别在研究涪陵、重庆主城区和香溪河流域时，也各只用了1个站的资料。龙河流域所处的渝东—鄂西地区是中国17个生物多样性关键区域之一，备受全世界关注[19-20]。流域因地处三峡库区腹心地带，移民和城镇的搬迁对土地利用扰动强烈，水土流失受人类活动影响较大[21]。对龙河流域单独研究未见公开报道，三峡库区研究亦未涉及龙河流域任何降雨站点，故对该流域进行分析研究，显得尤为迫切和必要。本文采用章文波等[8-9]建立的半月算法，利用龙河流域及周边12个雨量站点连续41 a日降雨数据，结合克里格插值在ARCGIS软件支撑下对流域侵蚀力的时空格局进行研究，为流域水土流失治理和水土保持规划提供科学依据。

表1　龙河流域雨量站位置信息和年降雨特征Table l　Location of rain gauging stations in Longhe River watershed and corresponding rainfall characteristics

2研究区概况

图1　龙河流域地理位置及雨量站分布

龙河位于三峡库区中部(图1)，是长江右岸的一级支流。流域东靠湖北省利川市，南与彭水县和武隆县交界，且与涪陵区毗邻，北接万州区和忠县。地势总体呈西北低东南高，呈起伏式下降。龙河流域顺北东、南西相近平行排列的七耀山和方斗山纵贯全流域，形成“两山夹一槽”的地貌特征。地形多为山地，河谷处较为平坦，是三峡库区的重点治理区之一。全流域包括石柱县、丰都县的28个乡镇。干流全长140 km，流域面积2 910 km2，其中石柱县境内干流长80.6 km，流域面积1 485 km2。流域属亚热带季风气候，雨量充沛，时空分布不均；流域支流众多，为典型的山地冷水急流型河流，小型水库众多，因截流和雨季变化造成部分河流部分时段断流。龙河流域水土流失面积1 863.92 km2(石柱境内面积977.63 km2，丰都境内面积886.29 km2)。流域坡耕地面积较大，再加上地理条件及河流特性的影响，水土流失十分严重。由于严重的水土流失，植被和土壤对小气候调节的功能被削弱，加剧了自然灾害的危害。同时大量的水土泥沙通过龙河间接进入长江，加剧了局部河段水质污染[21]。

3资料和方法

3.1数据来源

本研究共涉及1970—2010年12个雨量站：流域内7个，流域外5个。本文所用降雨基础数据均来自长江水利委员会编撰的水文年鉴。文中所涉及的流域面雨量和流域降雨侵蚀力为流域内7个雨量站按泰森多边形计算所得。流域内雨量站基本信息见表1。

3.2降雨侵蚀力的计算

在我国由于研究区域和尺度不同，侵蚀性降雨有多个标准，普遍采用的日侵蚀性降雨为12 mm/d或10 mm/d。为便于不同数据时限及不同数量站点的研究成果对照，本文将侵蚀性日降雨量标准定为≥12 mm/d[4]。算法采用半月时段计算模型[8-9]计算，即

(1)

式中:Rk表示第k个半月的降雨侵蚀力(MJmm/(hm2h))；Pdi表示第k个半月的日侵蚀性降雨(mm)；j表示第k个半月的日数，j=13,14,15,16；a和b是反映当地降雨特征的模型参数，计算公式如下：

(2)

(3)

式中Pd12和Py12分别表示日雨量≥12 mm的日平均雨量及年平均雨量。

3.3分析方法

3.3.1气候倾向率

气候倾向率在1988年被英国学者Jones[22]用来研究地球表面温度变化特征之后，在我国也得到了广泛的关注和推广，被用来研究降水、温度等气象要素的变化趋势。气候倾向率指每10 a气候要素平均变化的绝对值：把气候要素表示为时间的线性函数，即在计算侵蚀力变化趋势时，采用最小二乘法，计算降雨侵蚀力随时间t的线性回归系数α(α为降雨侵蚀力变化速率)，正值表示增加趋势，负值表示减小趋势，要素的变化则可用一次线性方程表示，即

(4)

文中以线性回归系数α的10倍作为降雨侵蚀力的气候倾向率，β为回归系数。

3.3.2Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall趋势检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法。非参数检验亦称为无分布检验，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合用于类型变量和顺序变量，广泛应用于水文和气象时间序列的变化趋势分析中，详细方法参见文献[23]。

降雨侵蚀力的平均值、方差、变异系数及相关性等描述性统计特征采用统计软件SPSS计算，在软件ARCGIS10.2中采用克里格插值方法对年降雨量和年侵蚀力进行空间插值。

4结果和分析

4.1年降雨量和年降雨侵蚀力的时间变化特征

4.1.1降雨侵蚀力年内变化

1970—2010年间，龙河流域7个雨量站半月侵蚀力值年内分布曲线呈双峰型(图2)，峰值分别在6月份下半月和7月份下半月，占全年比例分别为13.32%和13.38%。4—9月份为长江流域的汛期，7个站点的汛期降雨占了全年降雨的78.14%～80.28%，汛期降雨侵蚀力占了全年侵蚀力的87.20%～90.99%，表明龙河流域降雨、降雨侵蚀力年内分布较集中，各站点降雨侵蚀力的年内变化和降雨年内分配特征一致(图3)。降雨侵蚀力的年内分配对于分析侵蚀力的季节性变化非常重要，通常以连续6个半月的最大R值与年平均R值的百分比来表示降雨侵蚀力年内分配的集中程度。年侵蚀力分布最集中的时段是从5—7月份(半月编号9-14)(图2)，7个站降雨侵蚀力集中度均值为55.52%，降雨侵蚀力R值年内分配集中度较大。悦来场站的集中度相对最高为57.13%，石柱站集中度相对最低为54.33%，其余各站集中度都分布在54.5%～57.5%。5—9月份降雨侵蚀力均高于相应降雨量(图3)。流域内7个站点中悦来场的降雨侵蚀力年际变化最大，其极值比高达13.11；其次为桥头站极值比为10.52；廖家坝极值比最小为3.86；其余4站除桥头外极值比在3～7。

图2　流域各站点半月降雨侵蚀力的年内分布

图3　多年平均各月降雨及降雨侵蚀力百分比

4.1.2流域侵蚀力的年际变化

流域年降雨量在734.25～1 594.25 mm，多年均值为1 101.07 mm。由图4可以看出，龙河流域降雨量与侵蚀性降雨量年际变化曲线的峰值和谷值出现年份均吻合，且曲线变化一致，即降雨侵蚀力和降雨量的年际变化趋势基本一致。1982年降雨出现最大值为1 594.25 mm，比均值多42.78%；2001年出现最小值，仅为734.25 mm，为均值的66.76%。全流域侵蚀性降雨量均值为771.13 mm，占流域年降雨总量的69%。但在1973和2010年年降雨量较大而年侵蚀力相对减小，这是由于降雨较大但多为非侵蚀性降雨量；1978年降雨总量较小而降雨侵蚀力变化不大，是因为1978年降雨多以>12 mm 的侵蚀性降雨形式出现导致。

图4　龙河流域1970—2010年降雨侵蚀力 和年降雨量变化曲线

流域各站点的降雨侵蚀力气候倾向率均表现为负气候倾向率，即随时间降雨引起土壤侵蚀的能力在减小，其中以悦来场的减小速率最大，每10 a减小量为1 453.3 MJmm/(hm2h)；桥头站气候倾向率每10 a减小量为652.67 MJmm/(hm2h)。流域年降雨和年降雨侵蚀力Mann-kendall趋势检验参数统计值Z[23]在显著性水平α=0.05下的(|u1-0.05/2|=1.96)统计值分别为1.63和-0.53，即两者的变化趋势均不显著，和气候倾向率结果一致，但是降雨和降雨侵蚀力的变化趋势都一致。以上结果表明流域年降雨和年侵蚀力变化存在一定的随机波动，但无显著性地区域气候趋势。

4.2年降雨量和年降雨侵蚀力的空间变化特征

4.2.1空间分布

在龙河流域，降雨量自东北向西南逐渐减小(图5(a))，降雨低值中心出现在廖家坝一带，其多年平均降雨量为920 mm左右；高值中心出现在黄水站和悦来场站,多年降雨量均值分别达到1 290 mm和1 200 mm。流域中部桥头、蚕溪和石柱站之间降雨量等值线稀疏,相邻区域降雨量差异较小，较大范围内降雨量分布在1 100～1 120 mm。流域北部的黄水到桥头、流域中南部的石柱到廖家坝等值线相对密集，相邻区域间降雨量差异较大。

龙河流域降雨侵蚀力R值空间分布特征与流域降雨量分布相似，同样自东北向西南逐渐减小(图5(b))，其低值中心出现在廖家坝站，R值仅为3 340.29 MJ·mm/(hm2·h·a)，高值中心出现在黄水站和悦来场站中间偏北部位，R值超过6 300 MJ·mm/ (hm2·h·a)。R值等值线自东北向西南逐渐变得稀疏，以蚕溪站为界越到西南部R值差异变小。

图5　龙河流域多年(1970—2010)平均降雨侵蚀力

4.2.2侵蚀力的空间变化

1970—2010年，流域各站点降雨侵蚀力R均值分布范围3 340.29～6 570.09 MJ·mm/ (hm2·h·a)，最大值在悦来场站取得，最小值在廖家坝站取得；各站点多年降雨侵蚀力R的最大值分布在5 522.78～18 309.52 MJ·mm/ (hm2·h)之间，最小值分布在1 432.46～2 962.63 MJ·mm/ (hm2·h)之间，最大值于1982年在悦来场站取得，最小值于2001 年在廖家坝站取得。整个流域的降雨侵蚀力变异系数为0.76，属中等程度变异。流域各站降雨侵蚀力R值变差系数在0.60～2.64之间, 悦来站最大为2.64。其中悦来、桥头和石柱3站变差系数均超过1，为强变异，其余4站变异系数在0.60～1.00之间，为中等程度变异。

流域内各站点降雨侵蚀力的变化趋势不一致：黄水、悦来、蚕溪和廖家坝站Z值均>0，其降雨侵蚀力为增加趋势；沙子、石柱和桥头站Z值均<0，其降雨侵蚀力为减小趋势；但所有站点的Z值都没有通过α=0.05的显著性水平检验。桥头、蚕溪、石柱和廖家坝站降雨侵蚀力的变化趋势和降雨一致，但在黄水站和悦来站年降雨为减小趋势，而侵蚀力呈为增加趋势，沙子站则表现为年降雨增加而侵蚀力减小(见表2)。

表2　龙河流域各站点年降雨及降雨侵蚀力 Mann-Kendall统计值ZTable 2　Mann-Kendall statistical value Z of annual precipitation and rainfall erosivity at each gauging station in Longhe River watershed

5结论

本文采用日降雨侵蚀力简易模型对三峡库区龙河流域降雨侵蚀力的空间分布进行了分析，重点阐述了流域侵蚀力的年内、年际变化特征及空间分布，主要结论如下：

(1) 龙河流域多年降雨侵蚀力在2 031.47～10 927.57 MJmm/( hm2h )，多年均值为4 660.93 MJmm/( hm2h)。流域降雨增加趋势和流域降雨侵蚀力(α=0.05)的减小趋势均不显著。流域降雨侵蚀力年内分布较集中，汛期降雨占了全年降雨的78.14%～80.28%，汛期降雨侵蚀力占了全年侵蚀力的87.20%～90.99%，侵蚀力分布最集中的时段为5—7月份，在该时段应注意农耕活动和开发建设，避免侵蚀加剧。

(2) 龙河流域降雨侵蚀力值空间分布与降雨量空间分布相似,R值自东北向西南逐渐递减, 侵蚀力等值线自东北向西南逐渐稀疏,越到流域西南部值差异越小。低值中心出现在廖家坝,为3 340.29 MJ·mm/(hm2·h·a),高值区分布在悦来站附近，为6 570.09 MJ·mm/(hm2·h·a)。

(3) 1970—2010年,龙河流域的7个站点中: 黄水、悦来、蚕溪和廖家坝站Z值均<0，其降雨侵蚀力为增加趋势；沙子、石柱和桥头站Z值均<0，其降雨侵蚀力为减小趋势；但所有站点的Z值都没有通过α=0.05的显著性水平检验。整个流域的降雨侵蚀力呈减小趋势，但是流域降雨为增加趋势。

参考文献：

[1]WISCHMEIER W H，SMITH D．Rainfall Energy and Its Relationship to Soil Loss[J]. Transactions of the American Geophysical Union，1958，39(2)：285-291．

[2]WISCHMEIER W H，SMITH D．Predicting Rainfall Erosion Losses：A Guide to Conservation Planning[M]．Washington：Agriculture Handbook，1978．

[3]王万忠，焦菊英，郝小品，等．中国降雨侵蚀力R值的计算与分布(Ⅰ) [J]．水土保持学报，1995，9 (4)：5-18．

[4]谢云，刘宝元，章文波．侵蚀性降雨标准研究[J]．水土保持学报，2000，14(4)：6-11．

[5]HAITH D A ， MERRILL D E． Evaluation of a Daily Rainfall Erosivity Model[J]． Transactions of the ASAE， 1987，30(1)：90-93．

[6]SHERIDAN J M，DAVIS F M，HESTER M L，etal. Seasonal Distribution of Rainfall Erosivity in Peninsular Florida[J]．Transactions of the ASAE，1989，32(5)：1555-1560．

[7]SEKER J S，HAITH D A，REYONLDS J E．Calibration and Testing of a Daily Rainfall Erosivity Model [J]．Transactions of the ASAE，1990，33(5)：1612-1618．

[8]章文波，谢云，刘宝元．利用日雨量计算降雨侵蚀力的方法研究[J]．地理科学，2002，22(6)：705-711．

[9]章文波，付金生．不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力[J]．资源科学，2003，25(1)：35-41．

[10]RICHARDSON C W，FOSTER G R，WRIGHT D A．Estimation of Erosion Index from Daily Rainfall Amount [J]．Transactions of the ASAE，1983，26(1)：153- 156．

[11]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，2011，22(1)：151-158．

[12]汪言在，闰冬，李月臣，等．日降雨对降雨侵蚀力年雨量简易算法的影响分析[J]．水土保持通报，2012，32(3)：150-155．

[13]张家其，龚箭，吴宜进．基于日降雨数据的湖北省降雨侵蚀力初步分析[J]．长江流域资源与环境，2014，23(2)：274-281．

[14]花利忠，贺秀斌，颜昌宙，等．三峡库区大宁河流域降雨侵蚀力时空分布特征[J]．水土保持通报，2008，28(4)：22-25．

[15]史东梅，卢喜平，蒋光毅，等．紫色丘陵区降雨侵蚀力简易算法的模拟[J]．农业工程学报，2010，26(2)：116-123．

[16]缪驰远，徐霞，魏欣，等．重庆市主城区降雨侵蚀力特征分析[J]．资源科学，2007，29(4)：54-61．

[17]张革，刘德富，宋林旭，等．香溪河流域降雨侵蚀力特征及简易算法初步研究[J]．水土保持研究，2013，20(5)：7-12．

[18]闫业超，岳书平，张树文．降雨资料时间序列长度对降雨侵蚀力平均值置信度的影响[J]．自然资源学报，2012，28(2)：21-27．

[19]张国平.基于生态系统服务功能的龙河流域生态系统健康研究[D] ．重庆：重庆大学，2006.

[20]王辉.龙河流域生态安全评价研究[D] ．重庆：重庆大学,2007.

[21]王成.龙河流域土地利用/覆被变化与土壤侵蚀效应评价[D] ．重庆：西南大学，2013．

[22]JONES P D．Hemispheric Surface Air Temperature Variations: Recent Trends and an Update to 1987[J]. Journal of Climate, 1988, 1(6): 654-660.

[23]魏凤英．现代气候统计诊断与预测技术[M]．北京：气象出版社，2007.

(编辑：曾小汉)

收稿日期：2015-01-04；修回日期：2015-02-15

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目(201201048)；长江科学院开放基金项目(CKWW2013218)；江西省土壤侵蚀与防治重点实验室开放基金项目(JXSB201303)

作者简介：刘惠英(1973-)，女，陕西凤翔人，讲师，博士研究生，主要从事坡面土壤侵蚀和流域水体监测方面研究，(电话)18022384520(电子信箱)huiyingliu@nit.edu.cn。 通讯作者：张平仓(1961-)，男，陕西渭南人，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事土壤侵蚀研究，(电话)13907174727(电子信箱)zhangpc@mail.crsri.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150005

中图分类号：S157.1；TV79

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0022-05

Temporal-spatial Variations of Rainfall Erosivity of Longhe RiverWatershed in Three Gorges Reservoir Region

LIU Hui-ying1，WANG Yong-wen1， ZHANG Ping-cang2

(1.School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology,Nanchang330099, China; 2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:According to daily rainfall records in 41 consecutive years (1970-2010) at twelve stations of Longhe River watershed in the Three Gorges Reservoir Region, we calculated and analysed the intra-annual distribution and inter-annual variation of rainfall erosivity by using a simplified model of rainfall erosivity. During 1970-2010, the annual rainfall erosivity (R-factor) of Longhe river watershed varied from 2031.47 to 10 927.5 MJ·mm/(hm2·h), with an average of 4 662.00 MJ·mm/(hm2·h). The spatial distribution of erosive rainfall and rainfall erosivity were in accordance with the elevation, decreasing from northeast to southwest. The rainfall and rainfall erosivity of wet season were highly concentrated, accounting for 78.43% and 78.56%, respectively. Erosive rainfall concentrated in May-July. The Mann-Kendall statistical value Z of annual rainfall erosivity at all stations were inconsistent and insignificant (α=0.05) over 41 years, only at three stations such trend was deceasing, at the other four stations the trend was increasing at the same time. For the whole watershed, the change of R value was incompatible with the variation of rainfall, and showed an insignificant trend of decreasing over 41 years.

Key words:rainfall erosivity；daily rainfall；spatio-temporal distribution；Longhe River watershed；Three Gorges Reservoir Region

2016,33(04):22-26,38