广西典型岩溶区流域降雨侵蚀力变化特征及影响因素研究

莫崇勋，蓝华鲲，杨莹，阮俞理，孙桂凯，黄亚

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004;4.北海艺术设计学院 建筑学院， 广西 北海 536000)

0 引言

土壤侵蚀是现代农业面临的主要挑战之一，也是一种重大的环境危害。降雨侵蚀力作为土壤侵蚀的重要参数之一，在估算和模拟土壤侵蚀及其对社会和环境的综合影响方面具有重要作用。全球气候变化正在急剧变化，特别是降水发生的变化，其对土壤侵蚀产生的影响亦趋复杂。气候变化直接影响区域水文循环变化，水文循环气象要素的年内/年际间变化已日趋复杂[1-3]。变化环境下降雨量的研究为区域水资源的合理配置、开发、利用和灾害预警提供了一定的科学依据[4]，降雨是驱动土壤侵蚀的重要因素[5]，降雨侵蚀力特征变化研究与区域降雨变化有着密切联系。因此，研究变化环境下降雨量及降雨侵蚀力的变化特征具有重要意义。

当前国内外很多学者对降雨及降雨侵蚀力进行了大量分析，并取得了一定的成果。提出预测土壤流失的最佳单变量是风暴总降雨能量及其最大30强度的乘积，并且降雨侵蚀力是土壤方程USLE的主要影响因素之一[7]，RENARD等[8]研究发现降雨侵蚀力是土壤流失模型(the revised universal soil loss equation, RUSLE)的重要因子。降雨侵蚀力计算模型众多，考虑到降雨侵蚀力的大小与降雨量、降雨强度、雨日数、暴雨数等降雨特征密切相关[9]，章文波等[10]提出了利用日降雨量估算降雨侵蚀力模型，与基于年、月尺度的降雨侵蚀力计算模型相比，日降雨资料易获得，精度高，可以更好的反映降雨侵蚀力的特点[11]，因此得到广泛应用。谢坤坚等[12]利用趋势分析、气候倾向率等方法研究了广西降雨侵蚀力变化特征，发现大部分地区多年降雨侵蚀力日趋增加；林杰等[13]利用M-K检验、重度极差法、变异系数等方法研究连云港市区域降雨侵蚀力的变化特征，结果发现该地区降雨侵蚀力分布集中在夏季；程金文等[14]研究了陕南地区近54 a降雨侵蚀力变化特征，结果表明陕南地区降雨侵蚀力变化规律为年内分布差异较大且年际变化较大；周琳等[15]对四川省1955—2015年降雨侵蚀力的年内时空变化趋势特征进行了分析，结果表明四川省年内降雨侵蚀力与降雨量呈极显著相关关系，降雨侵蚀力与降雨量的年内分布规律基本一致。上述研究极少涉及岩溶区流域，而中国西南地区广泛分布岩溶区，其土壤侵蚀特性与其他区域显著不同。喀斯特地区生态系统敏感度高，灾变承受能力低，环境容量小，是典型的生态脆弱区[16]。澄碧河流域位于广西壮族自治区百色市，是中国西南典型岩溶区流域。西南喀斯特地区的土壤侵蚀叠加了化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀的耦合作用，呈现地面流失和地下漏失的混合侵蚀机制[17-19]。鉴于此，论文基于典型岩溶区流域——澄碧河流域坝首站和平塘站1963-2017年逐日降雨量实测资料，对该流域降雨量和降雨侵蚀力时程变化、相关性及影响因素进行分析，以期为岩溶地区有效防治土壤侵蚀和制定科学有效的水土保持方案提供理论依据。

1 研究区域概况

澄碧河发源于广西壮族自治区凌云县境内，由县城北水源洞流出，向南至彩架入洞，辗转伏流约12 km，最终汇入澄碧河水库，属于珠江流域西江水系右江干流左岸一级支流。澄碧河水库流域位于106°21′E～106°48′E，23°50′N～24°45′N，流域总面积2 087 km2，其中岩溶区面积400 km2，占流域面积19%，是中国西南典型岩溶区流域。澄碧河流域地处亚热带季风气候区，夏热冬温，四季分明，季风发达。流域多年平均降雨量为1 560.0 mm，24 h最大降水量461.3 mm，降水主要集中在汛期。流域内共设有10个气象站和两个水文站，其中坝首和平塘水文站记录有1963—2017年55逐日降雨资料，10个气象站点逐日降雨资料存在缺失情况。因此，坝首站和平塘站逐日降雨数据对澄碧河流域坝首区域降雨侵蚀力的研究具有良好的代表性和合理性。澄碧河流域DEM及水文站分布如图1所示，其中框选区域为澄碧河流域坝首区域。

图1 澄碧河流域DEM及水文站分布

2 研究方法和数据来源

本文以澄碧河流域55逐日降雨资料为数据基础，结合文献[10]提出的降雨侵蚀力计算模型分析典型西南岩溶区降雨侵蚀力的变化特征及影响因素，主要从以下3个方面展开研究：①采用相对变率分析法[20]分析降雨量和降雨侵蚀力的年内稳定性特征；①采用趋势分析方法和相关分析法分析[21]降雨量和降雨侵蚀力的年际变化特征；③最后利用交叉小波分析法研究降雨侵蚀力的影响因素。本章节仅介绍降雨侵蚀力模型计算方法及交叉小波分析方法。

2.1 降雨侵蚀力计算

本文降雨侵蚀力计算模型采用的是文献[10]提出的日雨量计算降雨侵蚀力的简易算法模型，按照月尺度统计得到R值。计算公式为

(1)

(2)

α=21.586β-7.189 1，

(3)

(4)

2.2 交叉小波分析

交叉小波分析可以直观分析气象和水文要素之间的相干性[23]，且已有研究表明我国气候受ENSO、太阳活动等大气环流异常因子影响[24-25]。鉴于此，本文尝试采用交叉小波分析探究多元ENSO指数(multivariate ENSO index, MEI)、海洋尼诺指数(ocean nino index, ONI)和太阳黑子三个大气环流异常指标对澄碧河流域降雨侵蚀力变化的影响，文中分析所使用的交叉变换工具包括小波功率谱(cross wavelet, XWT)和小波凝聚谱(wavelet transform coherence, WTC)。

两个时间序列x(t)和y(t)间的XWT定义为[26-28]

(5)

WTC的定义为

(6)

2.3 数据来源

本论文采用1963—2017年澄碧河流域坝首和平塘水文站逐日降雨资料；降雨侵蚀力影响分析中采用的气候指标太阳黑子、MEI和ONI数据分别来源于美国航空航天局和美国大气局物理科学实验室。

3 结果与分析

3.1 年内分布特征

坝首站和平塘站多年各月降雨量与侵蚀性降雨量2，由图2知，1963—2017年各月的降雨量和侵蚀性降雨量时间分布趋势基本一致，降雨量和侵蚀性降雨量主要集中在5～8月，其中坝首站侵蚀性降雨量占全年侵蚀性降雨量的72.48%，平塘站侵蚀性降雨量占全年侵蚀性降雨量的75.07%。坝首站的多年平均月侵蚀性降雨量的最大值出现在6月，172.25 mm，平塘站的多年平均月侵蚀性降雨量的最大值亦出现在6月，值为234.89 mm。综上所述，侵蚀性降雨的年内变化十分显著，且年内分布不均匀，呈单峰型变化，侵蚀性降雨集中在汛期。此外，降雨量和降雨侵蚀力的相对变率可以表示降雨量和降雨侵蚀力的年内稳定性特征，对坝首站和平塘站月降雨和月降雨侵蚀力进行相对变率计算分析，降雨量和降雨侵蚀力相对变率如图3所示。从图3(a)可以看出坝首站降雨量相对变率最大值出现在12月份，达84.76%，可知坝首站12月份降雨量最不稳定，8月份相对变率最小，值为37.38%，坝首站8月份的降雨量最稳定；从图3(b)可以看出平塘站降雨量相对变率最大值亦是出现在12月份，达86.68%，可知平塘站12月份降雨量最不稳定，6月份相对变率最小，值为35.80%，平塘站6月份的降雨量最稳定；从图3(c)可以看出坝首站降雨侵蚀力相对变率最大值出现在12月份，达149.09%，可知坝首站12月份降雨侵蚀力最不稳定，8月份相对变率最小，值为53.25%，坝首站8月份的降雨侵蚀力最稳定；从图3(d)可以看出平塘站降雨侵蚀力相对变率最大值亦是出现在2月份，达145.45%，可知平塘站12月份降雨侵蚀力最不稳定，7月份相对变率最小，值为50.22%，平塘站7月份的降雨侵蚀力最稳定。

(a) 坝首站多年各月降雨量与侵蚀性降雨量

(a) 坝首站降雨量相对变率

3.2 年际变化特征

采用线性趋势分析法对澄碧河流域坝首站和平塘站年降雨量和年降雨侵蚀力进行趋势分析，坝首站和平塘站降雨量降雨侵蚀力年变化如图4所示。从图4(a)可以看出坝首站多年平均降雨量为1 099.12 mm，年最大降雨量为1 636.50 mm，年最小降雨量为721.00 mm，坝首站降雨量年际变化总体上呈现下降趋势；从图4(b)可以看出平塘站多年平均降雨量为1 320.67 mm，年最大降雨量为2 293.90 mm，年最小侵蚀性降雨量为816.00 mm，平塘站降雨量年际变化总体上也是呈现下降趋势。通过上述数据可以看出，澄碧河流域降雨侵蚀力R值和降雨量年际变化总体呈现下降趋势，且降雨侵蚀力R值的年际变化更强烈，变化幅度更大。总体说来，澄碧河流域坝首区域降雨侵蚀力和降雨量的年际波动明显，逐年的变化幅度较大且不均匀。从图4(c)可以看出澄碧河流域坝首站多年平均R值为6 879.13 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，坝首站年最大R值为14 720.19 (MJ·mm)/(hm2·h)，年最小R值为3 443.76 (MJ·mm)/(hm2·h)，坝首站降雨侵蚀力总体呈现下降趋势；从图4(d)可以看出平塘站多年平均R值为9 507.43 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，年最大R值达到21 023.35 (MJ·mm)/(hm2·h)，年最小R值为4 796.31 (MJ·mm)/(hm2·h)，平塘站降雨侵蚀力年际变化总体上呈现下降趋势。

(a) 坝首站降雨年变化

3.3 相关性

1963—2017年间，澄碧河流域坝首站多年平均降雨量为1 099.12 mm，坝首站降雨侵蚀力变化范围为3 434.76～14 720.19 (MJ·mm)/(hm2·h)；平塘站多年平均降雨量为1 320.67 mm，平塘站降雨侵蚀力变化范围为4 796.31～21 023.35 (MJ·mm)/(hm2·h)。图5所示为坝首站、平塘站降雨与降雨侵蚀力相关关系。从图5中可以看出坝首站和平塘站的多年降雨量与降雨侵蚀力之间呈显著正相关关系，R2值分别为0.89和0.85，二者拟合效果较好。分别计算坝首站、平塘站降雨和降雨侵蚀力的皮尔逊相关系数，其中坝首站为0.923，平塘站为0.941，同样证明澄碧河流域的降雨与降雨侵蚀力两者极其显著相关。

(a) 坝首站降雨与降雨侵蚀力相关关系

3.4 影响因素

3.4.1 MEI对降雨侵蚀力的影响

坝首站、平塘站降雨侵蚀力与MEI的交叉小波能量谱如图6所示，从图6(a)可以看出，70年代初在小波功率谱高能量区存在3.1～3.9的周期，降雨侵蚀力和MEI相关显著，存在负相位的相关关系，1984—1990年和1992—2001年在小波功率谱高能量区存在3.5～4.3和4～5的周期，降雨侵蚀力和MEI相关显著，且存在正相位的相关关系；从图6(b)可以看出，坝首站1994—2006年在低能量区显著周期为6.1～6.5，存在正相位的相关关系。从图6(c)可以看出，70年代初在小波功率谱高能量区存在3.1～3.9的周期，降雨侵蚀力和MEI相关显著，存在负相位的相关关系，1983—1990年和1995—2001年在小波功率谱高能量区存在3.6～4.2和3.9～5.1的周期，降雨侵蚀力和MEI相关显著，且存在正相位的相关关系；从图6(d)可以看出，平塘站1981—2015年在低能量区显著周期为3.0～7.1，并存在正相位的相关关系。

(a) 坝首站降雨侵蚀力和MEI交叉小波功率谱

3.4.2 ONI对降雨侵蚀力的影响

坝首站、平塘站降雨侵蚀力与ONI的交叉小波能量谱如图7所示，由图7(a)可知，坝首站的降雨侵蚀力和ONI在1965—1973年存在2.2～3.8的显著周期，存在负相位的相关关系，1984—1991年和1994—2001年分别存在3.6～4.2和5.5～6.1的显著周期，此时间段降雨侵蚀力和ONI相关关系显著，且为正相位相关关系；由图7(b)所以看出，在低能量区，降雨侵蚀力和ONI在1993—2005年以6.3～7.2为显著周期，同时1996—1998年叠加2.1～2.3，且正相位关系明显；由图7(c)可以看出,平塘站降雨侵蚀力和ONI具有的高能量区显著周期2.5～3.7、3.8～4.2和6.0～7.0分布在1965—1971年、1983—1989年和1996—2002年；由图7(d)可以看出，低能量区在1982—2015年显著周期为3.1～7.5。

(a) 坝首站降雨侵蚀力和ONI交叉小波功率谱

3.4.3 太阳黑子对降雨侵蚀力的影响

坝首站、平塘站降雨侵蚀力与太阳黑子的交叉小波能量谱如图8所示，由图8(a)知，降雨侵蚀力和太阳黑子在1963—2013年的显著周期为8～10.2，且存在负相位的相关关系；在低能量区[图8(b)]，降雨侵蚀力和太阳黑子在1985—1997年以2.0～3.5为显著周期，负相位关系明显；由图8(c)可以看出，平塘站降雨侵蚀力和太阳黑子具有的高能量区的显著周期为8.2～12.9分布在1963—2003年，其中1963—1985年存在周期为8.1～12.9显著正相关关系，在1985—2003年存在周期为9.1～10.5显著负相关关系；由图8(d)可以看出低能量区在1994—1998年显著周期为2.9～3.8，同时在2009—2017年叠加有3.8～4.3的显著周期。

(a) 坝首站降雨侵蚀力和太阳黑子交叉小波功率谱

由以上结果可以看出，降雨侵蚀力与大气环流异常有着密切的联系，且MEI、ONI、太阳黑子对降雨侵蚀力的影响大致相似，其周期和相关性基本相同。对于降雨侵蚀力的影响，太阳黑子最强，ONI次之，MEI最弱。

4 结论

① 坝首站和平塘站侵蚀性降雨与降雨侵蚀力的年内变化十分显著，且年内分布不均匀，均为单峰型，主要集中在汛期，坝首站和平塘站的降雨侵蚀力倾向率均在6月达到最高。

② 坝首站和平塘站的降雨量和降雨侵蚀力年际变化极不均匀，存在较大的变幅，平塘站多年平均R值大于坝首站。

③ 澄碧河流域坝首站和平塘站降雨量和降雨侵蚀力之间存在显著的正相关关系，R2值分别为0.89和0.85，皮尔逊相关系数分别为0.923和0.941。

④ MEI、ONI和太阳黑子对降雨侵蚀力均具有一定的影响，其中太阳黑子影响最大。在高能区，降雨侵蚀力和MEI及ONI存在正相位共振周期均为3～6，降雨侵蚀力与太阳黑子的共振周期为8～13；在低能区，降雨侵蚀力和MEI及ONI均存在3～7.5的正相位共振周期，与太阳黑子存在2.9～4.3的共振周期。

本文仅针对流域坝首区域展开研究，存在一定的局限性，建议进一步研究澄碧河流域降雨侵蚀力空间分布特征，为全流域水土流失防治、水土保持建设和生态修复等工作提供科学依据。