甘肃省降雨侵蚀力时空变化特征研究

陈 平，李晓妤

（永昌县国土资源规划勘测室，甘肃 金昌 737200）

1 概述

土壤侵蚀已经成为中国最重要的环境问题之一，随着国家对生态和资源领域的重视，土壤侵蚀防范治理已成为当下较为迫切的问题[1]。土壤侵蚀按照作用力可分为水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀，其中水力侵蚀在中国占据的比例是侵蚀类型中最高的，而降雨是发生水力侵蚀的主要因素[2]，降雨侵蚀力大小直接反映了土壤的侵蚀程度。

美国农业学者首次提出了以次降雨总动能E与30min最大雨强I30的乘积EI30，作为降雨侵蚀能力指标[1]。王万忠等[2]通过科学方法验证了威斯奇迈尔提出的计算降雨侵蚀力方法在中国仍然可以使用。但是鉴于计算降雨侵蚀力的大小需要详细地记录下连续降雨的过程情况，而我国传统的气象观测现在条件简陋，不够全面。文波等[3-4]将全国71个具有代表性的气象站降雨数据资料，对基于月降雨量的降雨侵蚀力计算方法模型进行了研究，其结果表明了多年平均降雨侵蚀力及其变化的趋势，因此被广泛的使用[5]。当前水土流失严重依旧是我国生态环境治理中比较突出的问题，在治理过程中气候因素和降雨是造成土壤侵蚀的主要原因之一。

本文利用2008-2013年和2014-2019年的降雨数据，通过对甘肃省近年来降雨侵蚀力时空变化趋势的计算和分析，采用月降雨量和年降雨量相结合的研究方法，总结了在国内外的目前研究的现状，并对降雨侵蚀力的分析研究进行了讨论。因此，分析研究甘肃省降雨侵蚀力的时间和空间变化规律和趋势，对土壤侵蚀程度的评估以及揭示降雨的时空变化特征对甘肃省土壤侵蚀研究意义重大，有利于加强对甘肃省土壤侵蚀影响因素和时空分布特征的认识，还可以为当地科学有效制定水土保持措施和农业用地规划提供借鉴与参考[6]。

2 研究区域和数据来源

2.1 研究区域

甘肃省位于黄河上游，东临陕西，西通新疆，南达四川、青海，北靠宁夏、蒙古。全省面积45.37万km2，占中国面积的4.72%[7]。大陆性特点显著，冬冷夏热，年温差较大，降水相对集中，四季分明，年降雨量较少，大部分地区干旱少雨，降雨主要集中在夏末秋初[7]。自然环境复杂多样，导致甘肃省土壤侵蚀类型在空间分布上错综复杂。陇东地区平坦辽阔的塬面上为微度侵蚀，但一到塬边则突变为强度或极度水力侵蚀，陇中地区由于特殊的地形使土壤侵蚀细碎而复杂；在白银市附近地区，存在多种侵蚀，其中水力和风力侵蚀互相交错在一起；河西走廊地区地势平坦，水力侵蚀能力十分有限，主要还是以风力侵蚀为主，其中而陇南、天水地区降雨造成的水力侵蚀最为严重。

根据近年来甘肃省水利厅关于土壤侵蚀的遥感调查结果，全省土壤侵蚀面积为30.82万km2，占全省土地总面积的76.17%，主要类型同样以水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀二种为主[8]，其中水力侵蚀总面积达到15.20万km2，占总侵蚀面积的50%左右[9]。甘肃省是一个生态环境相对恶劣的省份，由于干旱少雨，降水变率大，降水集中，地形等因素，导致甘肃省大部分面积为侵蚀面积（侵蚀面积达76.17%）。

2.2 数据来源

本文研究数据主要来源于中国气象科学数据共享服务网，该平台公开的气候资料数据详细收录了甘肃省自1951年以来的常规气象观测站及自动站的降雨数据集，其原始数据文件经过较严格的质量控制和检查，并对近十年部分统计数据进行了极值检验和时间一致性检验，并对己查出的错误记录进行改正，本文选取地面气候资料月值数据和年值数据相对集中的甘肃地区28个气象站点月降雨量数据和年降雨量数据作为数据来源。

2.3 研究方法

本文研究利用了第一次全国水利普查水土保持专项普查使用的降雨侵蚀力的计算方法，该方法由章文波等[6，10，11]估算模型改进而来，其公式如下:

从每年的1月份至12月份，每1个月为1个计算时间段，一年共有12个时间段，每个月采用英文单词命名，本文计算了月降雨侵蚀力以及每五年内平均降雨侵蚀力。逐月计算各气象台站的每月降雨侵蚀力和年平均降雨侵蚀力[13]，将结果导入ArcGIS构建基础数据库[13]。采用普通克里金方法[9-11]对平均降雨侵蚀力进行空间插值分析运算，插值栅格大小取30m×30m[14]。从时间和空间两个维度对甘肃省降雨侵蚀力演变特征进行分析讨论。以时间t为自变量，绘制折线图就能得出各地区每月侵蚀力的变化趋势。

3 结果与分析

3.1 甘肃省月降雨量及降雨侵蚀力的时间变化和空间分布特征

3.1.1 月降雨量及降雨侵蚀力的时间变化

甘肃省2008-2013年和2014-2019年各气象站点的月平均降雨侵蚀力变化较为相似，时间上分布特征上也基本相似。图1为2008-2013年和2014-2019年两期月平均降雨及侵蚀力最小值和峰值的变化趋势折线图。从图1可以看出2008-2013年最大降雨侵蚀力为180MJ·mm/（hm2·h·a），2014-2019年最大降雨侵蚀力为 230MJ·mm/（hm2·h·a），降雨侵蚀力呈现单峰型分布，7月是峰值拐点，超过7月后降雨侵蚀力逐渐下降。全年内1～4月和11～12月两个时间段内降雨侵蚀力较低。随着时间的变化，降雨侵蚀力在4～5月份开始上升趋势较为明显，9、10月份下降趋势增加，表明了平均降雨侵蚀力在空间序列上相差较大，7月和8月之间差异最为显著。

图1 两期月平均降雨侵蚀力变化趋势折线图

3.1.2 月降雨量及降雨侵蚀力空间分布

图2和图3所示为甘肃省月平均降雨量空间分布图。可知，冬季（图a）和春天（图b）两个季节降雨量比较稀少，主要原因是近年来无侵蚀性降雨发生，因此冬春季降雨侵蚀力较小，而夏季（图c）和秋季（图d）两季降雨侵蚀作用力比较大。陇南和天水两个地区降雨侵蚀力在7月左右达到最高值，其余地区在8月左右达到最高值；酒泉地区6～9月份降雨侵蚀力最小。2014-2019年年西北部降雨量和侵蚀性降雨量最小的地区为酒泉，进一步说明了南部陇南地区与其余各地区降雨侵蚀力诱因的差异，即陇南地区侵蚀性降雨比较频繁，其余各地区侵蚀性降雨较为集中。

2008-2013年较2014-2019年的月平均降雨量有所增加，但总体的变化趋势大体一致，具体变现为东南多，西北少，时间上分布集中在6、7、8、9月份，中部黄土高原地区降雨量基本持续在一个稳定的水平，河西走廊降雨量呈下降趋势，兰州、白银及周围地区降雨量有明显较低。

图2 2008-2013年月平均降雨量空间分布图

图3 2014-2019年月平均降雨量空间分布图

3.2 甘肃省年降雨量及降雨侵蚀力分布特征

3.2.1 年平均降雨量分布特征

如图4所示，2008-2013年甘肃省各气象观测站年均降雨量从东南部陇南地区的826.93mm逐渐下降至西北部酒泉地区的28.34mm；2014-2019年从829.94mm下降至24.91mm。陇南、天水、甘南等地区年降水量比较丰富，而陇东地区有所减少，河西走廊地区年降雨量维持在一个稳定的水平当中，表现为干旱少雨。年平均侵蚀性降雨量从陇南地区一直递减至张掖地区，表明了区域内各站点侵蚀性降雨量占全年降雨总量的比例有所不同，其中东南部的陇南地区、庆阳地区、定西地区等侵蚀性降雨量所占比例明显高于西北各地区；说明东南地区降水量大于西北地区，强降雨频率较高，武威、金昌、张掖等28个站点年平均降水量较小，而南部和天水地区偏多，总体性能较低，西北地区南部空间分布呈上升趋势，其中南部地区年降雨量最大，达221.22mm。

图4 2008-2013年和2014-2019年年平均降雨量空间分布图

3.2.2 年平均降雨侵蚀力分布特征

由图5可知甘肃省各站点近年来年均降雨侵蚀力的变幅为3334.27MJ·mm/（hm2·h）～22.70MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蚀力空间分布特征总体表现为东南偏高西北偏低。150MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蚀力等值线大致与200mm年均降水量等值线接近；2000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蚀力等值线大致与400mm年均降水量等值线接近；3000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蚀力等值线大致与 800mm 年均降水量等值线接近，说明甘肃省东南地区年均降雨侵蚀力一般高于 2000MJ·mm/（hm2·h·a），中部地区年均降雨侵蚀力一般介于 150～2000MJ·mm/（hm2·h·a）之间，西北部地区年均降雨侵蚀力一般小于150MJ·mm/（hm2·h·a）。

3.3 甘肃省降雨侵蚀力的年际变化

为了分析甘肃省2008-2013年和2014-2019年降雨侵蚀力的年际变化分布特征（如图5所示），在甘肃省对一些具有代表性的气象站进行了定量分析，在这些气象站中陇南、天水和甘南等周围各气象站年降雨侵蚀力呈上升趋势；酒泉、敦煌和嘉峪关呈下降趋势；兰州、临夏近年来降雨侵蚀力变化趋势很不明显。从这些代表性气象站的分布位置和变化趋势来看，甘肃省的大部分地区年降雨侵蚀力呈增加趋势，张掖周围地区年降雨侵蚀力在近年来无太大的变化，只有少数地区年降雨侵蚀力存在下降的趋势。

4 结论

1）甘肃省年均降雨侵蚀力基本在380.20MJ·mm/（hm2·h）～3334.27MJ·mm/（hm2·h）之间，降雨量分布具有显著的地域性和时间性，中西北地区降雨量较小，南部地区降雨量丰富，从高纬度到低纬度、从高海拔到低海拔递增。经过两期降水数据资料的对比，呈现出明显的南多北少的现象，其空间变化的总体趋势大致从东南向西北递减。其中兰州地区、武威地区、金昌地区侵蚀性降雨集中，陇南地区和天水地区较高，其他地区较低。

2）甘肃省降雨侵蚀力年内分布高度集中，雨季主要集中在下半年，时间分布为夏季多冬季少，下半年的降雨侵蚀力占全年的80.4%，集中在6～9月份，呈显著的单峰型分布，近10年来冬季几乎没有侵蚀性降雨发生。从空间分布上看，陇南地区和天水地区年内最大降雨侵蚀力出现在7月份，其余各地区均出现在8月份。