南方红壤区潋水流域降雨侵蚀力时空特征

杨文利，赵建民，朱平宗，闫靖坤，黄国敏

(南昌工程学院,水利与生态工程学院,330099,南昌)

降雨侵蚀力(R)反映降雨对土壤侵蚀的潜在能力,是土壤侵蚀预测预报最重要的自然因子之一[1-2]。准确评估降雨侵蚀力,认识其时空分布特征,对于土壤侵蚀评估与预报具有重要意义。

南方红壤区为我国仅次于黄土高原的第2大侵蚀区,由于其水热同季,水力侵蚀为该区的主要侵蚀类型,降雨与地表径流在土壤侵蚀过程中扮演着重要角色,有必要对降雨侵蚀力的时空分布进行细致研究。国内已有大量关于区域降雨侵蚀力时空分布特征的研究[3-9],但大多都是针对大流域或大区域的降雨侵蚀力研究,对于中小流域的研究相对较少；过去50年来,包括赣江流域在内的几大流域都不同程度的出现了河流输沙量明显降低,而径流量相对平稳的现象[10-14]。 造成这种现象的主要原因为气候变化和人类活动——气候变化集中表现在降雨量的变化上,而人类活动的影响包括内容较多,比如水库蓄水、河道采砂、水土保持措施等。为揭示面积相对较大的流域水沙变化的真正原因,有必要对中小流域的降雨侵蚀力变化进行分析,并结合流域内的坡面观测资料、植被覆盖资料等分析,研究人类活动对土壤侵蚀、河流水沙变化的影响。笔者基于降雨量资料,对潋水流域降雨侵蚀力时空特征进行研究,以期为该流域水土流失综合治理及其防治效果评价提供依据。

1 研究区概况

潋水流域位于江西省兴国县东北部,E 115°30′50″～115°52′12″,N 26°18′04″～26°36′48″之间,赣江上游,为赣江的一级支流,流域面积579 km2(图1)。地势东北高西南低,高程变化在200～1 200 m之间,流域出口位于西南端的东村水文站；地貌以低山丘陵为主,其中低丘21%、中丘27%、高丘和低山42%、河谷平原10%；气候属中亚热带季风湿润气候区,多年平均气温18.9℃,多年平均降雨量1 602 mm,其中降雨多集中在4—6月,约占全年降水量的44.8%；植被类型以常绿阔叶林和针叶林为主,针叶林主要为马尾松(PinusmassonianaLamb.)人工次生林。土壤母质为花岗岩残坡积物和第四纪近代河流冲积物,局部为千枚岩残坡积物,土壤类型以水稻土、棕红壤为主,局部有红壤、黄红壤、石灰岩土分布。

20世纪80年以前,潋水流域曾经是南方红壤区土壤侵蚀最剧烈的典型区域之一,曾一度被称为“南方红色沙漠”。1983年至今,流域内开展了大规模的小流域综合治理,目前流域内水土流失状况已经得到明显的改善。

2 材料与方法

2.1 资料来源

潋水流域内分布有4个雨量观测站(东村站、古龙岗站、兴江站、兴莲站)和1个水文站(东村水文站)(图1),本文采用潋水流域2000—2016年降雨观测资料。其多年月平均降雨量如表1所示。

表1 潋水流域4个雨量站多年月平均降雨量Tab.1 Monthly average precipitations in 4 rainfall stations in the Lianshui basin mm

2.2 降雨侵蚀力计算

降雨侵蚀力R值的计算可分为基于EI30的经典计算方法和基于常规气象资料的简易计算模型2类[15]。由于降雨动能E和30 min降雨强度I30资料获取难度较大,所以国内外许多学者根据区域性降雨侵蚀特点,建立基于不同降雨资料的R值简易计算方法。在潋水流域田刚等[16]分别采用周伏建等[17]的月雨量模型；章文波等[18]的日雨量模型；吴素业[19]的月雨量模型；史志华等[20]修正的日雨量模型；W.H.Wischmeier等[2]的月雨量模型和CREAMS模型[21]6种降雨侵蚀力模型进行对比分析,结果表明吴素业的

式中:Ryear为年降雨侵蚀力,MJ·mm/(hm2·h·a)；Pi为某月降雨量,mm。

2.3 变异系数

变异系数反映降雨侵蚀力在长时间系列的离散程度,其计算公式为月雨量模型在该地区应用比较理想,在计算该地区的降雨侵蚀力时具有较高的有效系数和较低的相对偏差[16]。基于此,笔者采用吴素业[19]的月雨量模型计算潋水流域的降雨侵蚀力指标,其模型为

式中:Ri是第 i年的降雨侵蚀力,mJ·mm/(hm2·h·a)为Ri的样本均值；n为降雨侵蚀力序列的长度,即时间序列的序号。其中Cv≤0.1,认为是弱变异；0.1＜Cv＜1认为是中等变异；Cv≥1,认为是强变异[22]。

2.4 非参数Mann-Kendall趋势检验法

非参数Mann-Kendall趋势检验(M-K法)常用于对降雨、径流、输沙量等气候要素进行趋势性检验的非参数统计方法,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,更适合于类型变量和顺序变量,计算方法也比较简便M-K法主要通过计算统计量τ、方差σ2和标准化变量M来实现,计算公式[25]为:

式中:P为水文变量系列所有对偶观测值(Ri,Rj,i＜j)中Ri＜Rj出现的次数；N为系列长度。M为标准正态分布统计量,给定显著性水平a0,查正态分布表得到临界值t0,当|M|＞t0,表明序列存在一种显著的增长或减小的趋势；|M|＜t0时,则趋势不显著。M为正值表示增加趋势,负值表示减小趋势。当|M|≥1.28、1.96、2.32时表示分别通过置信度90%、95%、99%显著性检验。

3 结果与分析

3.1 降雨侵蚀力年内分布特征

图2 潋水流域降雨侵蚀力年内分布特征Fig.2 Annual distribution of rainfall erosivity in the Lianshui basin

根据式(1)分别计算各站多年月平均降雨侵蚀力R值,结果如图2所示。可以看出:降雨量和R值的年内分布特征一致,均表现为单峰型,主要集中在3—8月,约占全年的80.92%。R最大值出现在6 月,为 1 408.06 MJ·mm/(hm2·h·a),约占全年 R值的23.8%；最小值出现在12月,为109.84 MJ·mm/(hm2·h·a),约占全年的1.86%。其原因主要是南方地区降雨主要集中在3—8月,降雨量大,且多以暴雨等侵蚀性降雨出现,尤其在6月侵蚀性降雨最为集中,导致降雨侵蚀力在6月较其他月份高,而到了10月以后侵蚀性降雨减少,降雨侵蚀力也减小。

3.2 降雨侵蚀力年际变化特征

潋水流域各雨量站R值统计特征值如表2所示:流域内多年平均R值为5 899.0 MJ·mm/(hm2·h·a),2015 年 R 值最大为10 306.9 MJ·mm/(hm2·h·a),2003 年 R 值最小为 2 353.61 MJ·mm/(hm2·h·a),最大值为最小值的4.38倍。降雨量和R值年际变化趋势基本一致,降雨量和R值最大值和最小值出现的年份一致,年降雨量越大,则对应的年降雨侵蚀力也越大(图3)。

表2 潋水流域各雨量站降雨侵蚀力统计特征值Tab.2 Descriptive statistics of annual rainfall erosivity at the sites in the Lianshui basin

图3 潋水流域降雨量与降雨侵蚀力年际变化Fig.3 Inter-annual variations of rainfall erosivity and rainfall in the Lianshui basin

潋水流域内各站R值变异系数Cv在0.37～0.43之间,多年平均变异系数Cv为0.40,表现为中等变异,即潋水流域各站R值年际差异并不显著,该结果与图4中潋水流域各雨量站R值年际变化过程基本一致,不同雨量站R值差异和年际波动都不大。刘春利等[15]在研究延河流域降雨侵蚀力时空分布特征时也得到相同的结果,可能是流域内降雨气候因素变化较小,使得降雨侵蚀力的差异没有达到显著差异。而R值在东村站的变异系数Cv最小为0.37,而其他3个雨量站变异系数相差不大,且均大于东村站,这可能是高程不同导致降雨因素的变化,从而影响降雨侵蚀力。

图4 潋水流域各雨量站R值年际变化特征Fig.4 Inter-annual distribution of R(Rainfall erosivity)values in the Lianshui basin

进一步分析(表3)可知:流域内各站点降雨侵蚀力和降雨量的变化趋势均一致,均表现为增大的趋势。其中兴江站的R值增大趋势最大,M值为0.78；东村站的R值增大趋势最小,M值为0.31,降雨量和R值的M值变化规律与降雨量和R值的变化趋势一致,均表现为从流域的东北向西南方向呈递增的趋势。但所有站点降雨侵蚀力和降雨量M值的绝对值均＜1.96,即没有通过α=0.05的显著性水平检验。

流域内各雨量站R值的统计值M均为正数,说明在分析期内,流域内各雨量站R值呈现增加的趋势,这与马良等[26]通过研究1957—2008年江西省50余年来降雨侵蚀力变化的时空分布特征得出的赣东南地区降雨侵蚀力呈下降的趋势的结果相反,主要原因是近2年流域内年降雨量增加,侵蚀性降雨量也在增加,使得研究期内流域的降雨侵蚀力总体上呈增大的趋势,流域内面临着不同程度的水土流失潜在危险,可以参考降雨侵蚀力的空间分布特征,结合流域内的土地利用现状和人类活动,采取合理的水土保持措施,尤其在4、5和6月3个月,更要加以重视。

表3 潋水流域各站点年降雨侵蚀力与降雨量趋势M-K统计量Tab.3 M-K statistical of annual rainfall erosivity and rainfall at each station in the Lianshui basin

3.3 降雨侵蚀力空间变化特征

根据各雨量站的降雨资料和R值的计算结果,基于ArcGIS空间分析技术,采用克里金空间插值法[27],得到潋水流域降雨量和R值的变化趋势空间分布特征图。由图5可知,潋水流域多年平均降雨量与多年平均R值在空间分布趋势上基本一致,均表现为从流域的东北向西南方向呈递增的趋势。由图5(a)可知:降雨量的多年平均值低值区出现在流域东北部的兴江站(1 548.8 mm),高值区出现在东村站(1 632.0 mm)；而由图5(b)可知R值在流域东北部的兴江站形成一个低值区,其多年平均R值最小为5 721.79 MJ·mm/(hm2·h·a)；在流域西南部的兴莲站多年平均R值最大值为6 034.43 MJ·mm/(hm2·h·a)。R值与降雨量的多年平均值在空间分布上存在略微差异,降雨量的高值区出现在东村站,而降雨侵蚀力的高值区出现在兴莲站,其原因可能是:虽然东村站和兴莲站的降雨量差不多,但兴莲站的降雨强度和侵蚀性降雨量均大于东村站[28]。

图5 潋水流域降雨量与降雨侵蚀力空间分布图Fig.5 Spatial distribution of rainfall and R(Rainfall erosivity)values in the Lianshui basin

4 结论

1)潋水流域R值与降雨量年内变化趋势总体上一致,均呈单峰型；R值主要集中在3—8月,约占全年的80.92%；最大值出现在6月,约占全年R值的23.8%。

2)流域内R 值年均值为5899.0 MJ·mm/(hm2·h·a),最大值(2015 年)为 10 306.9 MJ·mm/(hm2·h·a),最小值(2003 年)为 2 387.1 MJ·mm/(hm2·h·a)；R值年际间变异系数为0.40,为中等程度变异,各站R值年际间变化没有显著差异。

3)潋水流域多年平均R值与多年平均降雨量在空间分布上基本一致,从流域东北部向西南部呈逐渐递增的趋势,但降雨侵蚀力高值区的分布与降雨量高值区分布略有差异。

4)研究期内,流域内各雨量站R值的统计值M均为正数,流域面临着不同程度的水土流失潜在危险。

5 参考文献

[1] LAL R.Soil erosion in the tropics:Principles and management[M].McGraw Hill,1990:95.

[2] WISCRMEIER W H,SMITH D D.Rainfall energy and its relationship to soil loss[J].Eos Transactions American Geophysical Union,1958,39(2):285.

[3] 张坤,洪伟,吴承祯,等.基于地统计学和GIS的福建省降雨侵蚀力空间格局[J].山地学报,2009,27(5):538.ZHANG Kun,HONG Wei,WU Chengzhen,et al.Study on the spatial pattern of rainfall erosivity based on geostatistics and GIS of Fujian province[J].Journal of Mountain Science,2009,27(5):538.

[4] 刘平,吴志峰,匡耀球,等.基于日降雨数据的广东省降雨侵蚀力初步分析[J].热带气象学报,2005,21(5):555.LIU Ping,WU Zhifeng,KUANG Yaoqiu,et al.Analysis of rainfall erosivity based on the daily precipitation in Guangdong province[J].Journal of Tropical Meteorology,2005,21(5):555.

[5] 朱明勇,党海山,谭淑端,等.湖北丹江口水库库区降雨侵蚀力特征[J].长江流域资源与环境,2009,18(9):837.ZHU Mingyong,DANG Haishan,TAN Shuduan,et al.Rainfall erosivity in the Danjiangkou reservoir region,Hubei province[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2009,18(9):837.

[6] 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.ZHANG Jiaqi,GONG Jian,WU Yijin.A preliminary study on rainfall erosivity force in Hubei based on the data of daily rainfall[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2014,23(2):274.

[7] 赖成光,陈晓宏,王兆礼,等.珠江流域1960—2012年降雨侵蚀力时空变化特征[J].农业工程学报,2015,31(8):159.LAI Chengguang,CHEN Xiaohong,WANG Zhaoli,et al.Spatial and temporal variations of rainfall erosivity on Pearl River basin during 19602012[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(8):159.

[8] 谢红霞,邝美娟,隋兵,等.湖南省近50年侵蚀性降雨及降雨侵蚀力特征研究[J].南阳理工学院学报,2012,4(4):108.XIE Hongxia,KUANG Meijuan,SUI Bing,et al.Study on characteristics of erosivity rainfall and rainfall erosivity from 1961 to 2010 in Hunan province[J].Journal of Nanyang Institute of Technology,2012,4(4):108.

[9] 李璐,姜小三,王晓旭.不同降雨侵蚀力模型在江苏省的比较研究[J].中国水土保持科学,2010,8(3):13.LI Lu,JIANG Xiaosan,WANG Xiaoxu.Comparative study on different rainfall erosivity models in Jiangsu province[J].Science of Soil and Water Conservation,2010,8(3):13.

[10] 张颖,宋成成,肖洋,等.近50年来赣江流域水沙年内分配变化分析[J].水文,2013,33(3):80.ZHANG Ying,SONG Chengcheng,XIAO Yang,et al.Variation of annual runoff and sediment distribution in Ganjiang River basin over past 50 Years[J].Journal of China Hydrology,2013,33(3):80.

[11] 齐述华,熊梦雅,廖富强,等.人类活动对鄱阳湖泥沙收支平衡的影响[J].地理科学,2016,36(6):888.QI Shuhua,XIONG Mengya,LIAO Fuqiang,et al.[J].Impacts of human activities on sediments budget in Poyang Lake,2016,36(6):888.

[12] 顾朝军,穆兴民,高鹏,等.赣江流域径流量和输沙量的变化过程及其对人类活动的响应[J].泥沙研究,2016,3:38.GU Chaojun,MU Xingmin,GAO Peng,et al.Variation of runoff and sediment discharge and response to human activities in the Ganjiang River[J].Journal of sediment research,2016,3:38.

[13] 刘贵花,齐述华,朱婧瑄,等.气候变化和人类活动对鄱阳湖流域赣江径流影响的定量分析[J].湖泊科学,2016,3:682.LIU Guihua,QI Shuhua,ZHU Jingxuan,et al.Quantitative estimation of runoff changes in Ganjiang river,Lake Poyang basin under climate change and anthropogenic impacts[J].Journal of lake sciences,2016,3:682.

[14] 徐夏楠,高建华,贾建军,等.气候变化和人类活动对鄱阳湖流域入湖输沙量影响的定量估算[J].地理研究,2015,5:838.XU Xianan,GAO Jianhua,JIA Jianjun,et al.The quantitative estimation of sediment load changes entering Poyang lake basin induced by climate change and anthropogenic impacts[J].Geographical research,2015,5:838.

[15] 刘春利,杨勤科,谢红霞.延河流域降雨侵蚀力时空分布特征[J].环境科学,2010,31(4):850.LIU Chunli,YANG Qinke,XIE Hongxia.Spatial and temporal distributions of rainfall erosivity in the Yanhe river basin[J].Chinese Journal of Environmental Science,2010,31(4):850.

[16] 田刚,梁音,陈效民,等.几种降雨侵蚀力模型在潋水河流域的对比研究[J].土壤学报,2010,47(1):7.TIAN Gang,LIANG Yin,CHEN Xiaomin,et al,Comparative study on several rainfall erosiveness models in Lianshui basin[J].Acta Pedologica Sinica,2010,47(1):7.

[17] 周伏建,黄炎和.福建省降雨侵蚀力指标R值[J].水土保持学报,1995,(1):13.ZHOU Fujian,HUANG Yanhe.The rainfall erosivity index in Fujian province[J].Journal of Soil and Water Conservation,1995,(1):13.

[18] 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.ZHANG Wenbo,XIE Yun,LIU Baoyuan.Rainfall erosivity estimation using daily rainfall amounts[J].Scientia Geographica Sinica,2002,22(6):705.

[19] 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.WU Suye.Calculation model of the sediment delivery ratio on sloping land in gullied rolling loess region[J].Soil and Water Conservation in China,1994,(4):12.

[20] 史志华,郭国先,曾之俊,等.武汉降雨侵蚀力特征与日降雨侵蚀力模型研究[J].中国水土保持,2006(1):22.SHI Zhihua,GUO Guoxian,ZENG Zhijun,et al.Study on rainfall erosivity of the characteristics of and daily rainfall erosivity model in Wuhan city[J].Soil and Water Conservation in China,2006(1):22.

[21] KNISEL W G.CREAMS:A field scale model for chemicals,runoff,and erosion from agricultural management systems[USA][R].United States Dept.of Agriculture Conservation Research Report(USA),1980:101.

[22] 耿韧,张光辉,李振炜,等.黄土丘陵区浅沟表层土壤容重的空间变异特征[J].水土保持学报,2014,28(4):257.GENG Ren,ZHANG Guanghui,LI Zhenwei,et al.Spatial variation of soil bulk density of ephemeral gullies in hilly areas of Loess Plateau[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(4):257.

[23] XU Jiongxin,LI Jingyu,LIU Changming.Long-term trend analysis for major climate variables in the Yellow River basin[J].Hydrological Processes,2007,21:1935.

[24] MIAO Chiyuan,NI Jinren.Variation of natural streamflow since 1470 in the Middle Yellow River,China[J].International Journal of Environmental Research and Public Health,2009,6:2849.

[25] 王延贵,刘茜,史红玲.江河水沙变化趋势分析方法与比较[J].中国水利水电科学研究院学报,2014,12(2):190.WANG Yangui,LIU Xi,SHI Hongling.Analytical methods and their comparisons for water and sediment variation trends[J].Journal of China Institute Water Resource and Hydropower Research,2014,12(2):190.

[26] 马良,姜广辉,左长清,等.江西省50余年来降雨侵蚀力变化的时空分布特征[J].农业工程学报,2009,25(10):61.MA Liang,JIANG Guanghui,ZUO Changqing,et al.Spatial and temporal distribution characteristics of rainfall erosivity changes in Jiangxi province over more than 50 years[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2009,25(10):61.

[27] 刘斌涛,陶和平,宋春风,等.我国西南山区降雨侵蚀力时空变化趋势研究[J].地球科学进展,2012,27(5):499.LIU Bintao,TAO Heping,SONG Chunfeng,et al.Temporal and spatial variations of rainfall erosivity in southwest China from 1960 to 2009[J].Advances in Earth Science,2012,27(5):499.

[28] 汪言在,闫冬,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.WANG Yanzai,YAN Dong,LI Yuechen,et al.Impacts of daily rainfall on simple algorithm of annual rainfall erosivity[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2012,32(3):150.