滇中“三湖”流域降雨侵蚀力时空分布特征研究

杨文春，谷桂华，朱伟兵，火寿华

(云南省水文水资源局玉溪分局,云南 玉溪 653100)

降雨侵蚀力是指由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，它是一项客观评价由降雨引起土壤分离和搬运的动力指标，一般是强度较大的暴雨，其强度超过土壤入渗强度而产生地表(超渗)径流，造成对地表的冲刷侵蚀。降雨侵蚀是造成流域内水土流失的重要形式之一，水土流失会造成河道与湖库淤积、土地生产力下降、水质被污染和生态平衡被影响等，研究降雨侵蚀力特征对区域水土保持和防治工作具有重要现实意义。降雨量是造成水土流失的重要气象因子之一，降雨侵蚀力已经成为土壤侵蚀、产沙和水环境建模的主要参数之一[1]。降雨侵蚀力的计算主要利用降雨数据资料进行，目前基于不同时间尺度降雨侵蚀力计算模型均得到普遍运用[2-3]。章文波等[4]建立了利用日雨量估算降雨侵蚀力的简易算法模型，并被广泛用于不同流域降雨侵蚀力的研究。赖成光等[5]将其应用于珠江流域降雨侵蚀力时空变化特征研究；戴金梅等[6]利用日雨量模型计算降雨侵蚀力，对闽西地区降雨侵蚀力的时空变化进行分析；郑哲等[7]利用该模型对怒江流域降雨侵蚀力的时空变化特征进行了研究；赵平伟等[8]将该模型应用于云南不同量级降雨下的降雨侵蚀力特征研究等。各类降雨侵蚀力研究结果均可为流域水土保持、生态修复等工作提供科学参考。

玉溪市“三湖”流域水土流失现象较为严重。抚仙湖流域土壤流失入湖泥沙系数平均为0.385[9]，王林等[10]研究认为长期年复输入加重了湖泊的淤积及入湖污染负荷量；张秀敏等[11]研究得出星云湖流域年平均土壤侵蚀量高于玉溪市水平；王万宾等[12]研究认为水土流失携带各种形态的营养元素入湖，加重了湖泊的淤积及入湖污染负荷量，2020年杞麓湖流域入湖河流水环境承载能力已严重超载。因此，研究玉溪“三湖”流域土壤侵蚀特征，对湖泊保护具有重要意义。

本文基于抚仙湖、星云湖、杞麓湖流域(以下简称“三湖”流域)内梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴4个雨量站1992—2020年逐日降雨观测数据，利用日雨量侵蚀力模型计算降雨侵蚀力，深入分析三湖流域降雨量和降雨侵蚀力时空分布特征。目前，对于高原湖泊流域降雨侵蚀力变化规律的研究成果尚少，本次研究成果可为高原湖泊流域水土流失治理和生态环境保护提供新的科学参考。

1 研究区概况

“三湖”位于云南省玉溪市境内，南盘江流域西江水系，属低纬度、高海拔地带亚热带高原季风气候。抚仙湖属断陷型深水湖泊，流域面积674.69 km2，跨澄江市、江川区和华宁县，地处长江流域和珠江流域分水岭地带，位于滇中湖群五大湖泊(抚仙湖、星云湖、杞麓湖、阳宗海和滇池)的中心部位，南部有2.5 km长的隔河与星云湖相通；星云湖属高原陷落型浅水湖泊，流域面积378 km2，位于江川区境内；杞麓湖属典型的新月形断陷盆地，流域面积354 km2，位于通海县境内。“三湖”流域相对位置见图1。

图1 “ 三湖”流域和代表站点相对位置示意

2 研究数据和方法

2.1 数据

选取的“三湖”流域梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴4个雨量代表站为水文部门的国家基本雨量站，各站1992—2020年逐日降雨观测数据资料来源于流域水文年鉴和云南省水文资料整编成果。其中梁王河和海口站位于抚仙湖流域，茶尔山站位于星云湖流域，沙沟嘴站位于杞麓湖流域。各代表雨量站基本情况及其在“三湖”流域中的相对位置分别见表1、图1。

表1 “三湖”流域降水侵蚀力研究代表站基本情况

2.2 方法

2.2.1日降雨侵蚀力计算模型

采用章文波等[13]日雨量估算降雨侵蚀力的简易算法模型计算降雨侵蚀力，计算表达式如下：

(1)

式中RJ——第J个半月的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；Pk——半月时段内第k天的侵蚀性雨量(日降雨量大于等于12 mm)，mm；n——半月内日降雨量大于等于12 mm的降雨天数，d。

α和β为模型计算参数，计算公式分别为：

α=21.586β-7.1891

(2)

(3)

式中Pd12——侵蚀性降雨日雨量平均值；Py12——年侵蚀性降雨量的平均值。

2.2.2趋势变化与突变分析方法

采用Mann-Kendall(M-K)秩次相关检验[14]对降雨侵蚀力的年际变化趋势进行分析。该方法是用来评估气候要素时间序列趋势的检验方法，以适用范围广、定量化程度高而著称[15]，能有效区分某一自然过程是处于自然波动还是存在确定的变化趋势，特别是对于非正态分布的水文数据，Mann-Kendall秩次相关检验具有较好的适用性，无需对数据系列进行特定的分布检验，对于极端值也可参与趋势检验；在时间序列分析中，无需指定是否是线性趋势，可以定量地计算出时间序列的变化趋势，是水文气象序列研究中经常采用的方法[16-17]。

对时间序列x1，x2，…，xn(n为样本数)，所有对偶观测值(xi，xj，j>i)中xi

(4)

式中τ——Kendall秩统计量；U——Kendall秩次相关系数；P——系列中所有对偶观测值(xi,xj,i

累积距平法是一种常用于判别水文气象要素变化趋势的方法，它可以直观准确地确定要素年际变化的阶段性特征[18]。对于时间序列xi累积距平的计算方法表示为:

(5)

2.2.3Kriging空间插值法

克里金法(Kriging)是一项实用的空间估计技术，是地质统计学的重要组成部分，也是地质统计学的核心[19]，其计算原理是用空间上所有已知点的数据加权求和来估计未知点的值[20]。本文基于ArcGIS 平台的Kriging空间插值方法，进行降雨量和降雨侵蚀力的空间分布特征分析。

3 结果与分析

根据式(1)—(3)计算半月侵蚀力累计得到月降雨侵蚀力和年降雨侵蚀力。代表站降雨侵蚀力算术平均值为“三湖”流域平均降雨侵蚀力。

3.1 时间变化特征

3.1.1年际变化

a)多年变化特征。“三湖”流域多年平均降雨量907.6 mm，多年平均降雨侵蚀力3 475 MJ·mm/(hm2·h)。梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴站多年平均降雨量分别为：993.3、888.8、888.7、859.5 mm，多年平均降雨侵蚀力分别为4 172、3 448、3 191、3 088 MJ·mm/(hm2·h)；1992—2020年，“三湖”流域内最大年降雨侵蚀力发生在1994年的梁王河站，为7 815 MJ·mm/(hm2·h)，最小年降雨侵蚀力发生在2011年的沙沟嘴站，为1 618 MJ·mm/(hm2·h)；流域平均年降雨侵蚀力变异系数为0.23，其中梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴站依次为0.32、0.30、0.27、0.25，可见流域内梁王河站年降雨侵蚀变化较为离散，沙沟嘴站较为均衡。

1992—2020年期间，各站发生侵蚀性降雨日数686～759 d，梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴站日最大降雨侵蚀力依次为2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般发生在7、9月。各代表站中，梁王河站侵蚀性降雨发生日数最多，日降雨侵蚀力较大；海口站和沙沟嘴站日降雨最大侵蚀力发生时间一致，见表2。

表2 1992—2020年各站及流域降雨侵蚀力统计

b)降雨量与降雨侵蚀力关系。建立流域内各代表站年降雨量与年降雨侵蚀力相关关系，可知流域内年降雨量与年降雨侵蚀力关系呈指数分布，相关系数在0.79～0.89，其中梁王河站和海口站的相关系数为0.88和0.89，相关性较好，见图2。

a)梁王河站

b)海口站

c)茶尔山站

d)沙沟嘴站

c)变化趋势。1992—2020年，“三湖”流域年降雨侵蚀力总体呈波动变化，基本随年降雨量的增大而增大，两者变化高低值基本对应。最大年降雨侵蚀力年份与最大年降雨年份一致(1994年)，年降雨侵蚀力在3 000 MJ·mm/(hm2·h)以下对应的年降雨量基本在660～880 mm，见图3。

图3 “三湖”流域年降雨量和年降雨侵蚀力变化过程

表3 1992—2020年“三湖”流域降雨侵蚀力变化趋势与突变

1992年以来，“三湖”流域年降雨侵蚀力总体变化为不显著增加趋势，序列无显著跳跃。其中梁王河站和沙沟嘴站变化为不显著增加趋势，序列在2013年前后发生突变；海口站变化为不显著增加趋势，序列无显著跳跃；茶尔山站变化为不显著减少趋势，序列无显著跳跃。

3.1.2降雨侵蚀力年内变化

根据“三湖”流域气候及降雨特征，春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至次年2月；汛期为5—10月，主汛期为6—9月，非汛期为11月至次年4月。各站降雨侵蚀力年内变化差异较大。多年平均年内最大降雨侵蚀力除了海口站出现在6月外，其余站均出现在7月，年内最小值各站均出现在2月，见图4。

图4 各站多年平均年内降雨侵蚀力变化

从图5看出，“三湖”流域降雨侵蚀力具有明显的季节性变化特点，各季节降雨侵蚀力主要集中在夏季，占全年的61.4%；其次是秋季，占全年的23.4%；第三是春季，占全年的11.2%；最少是冬季，仅占全年的4.0%。年内四季降雨侵蚀力变化表现为夏季>秋季>春季>冬季。

图 5 “三湖”流域多年平均季节降雨侵蚀力组成

从图6可以看出，相比季节变化，“三湖”流域降雨侵蚀力在汛期和非汛期存在更加明显的变化差异。多年平均降雨侵蚀力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%，非汛期占全年不到10%。年内枯汛期降雨侵蚀力变化表现为汛期>主汛期>(枯季)非汛期。

图6 “三湖”流域枯季和汛期降雨侵蚀力变化

3.2 空间分布特征

建立流域内各代表站年内不同时段降雨侵蚀力分布图，根据各站点在流域内的位置(梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴站点方位依次为北、东中、中西、南)，可直观地看出，年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蚀力基本呈从北向南逐渐递减的趋势；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蚀力基本呈东北向西南递减的趋势，见图7。

图7 各站年内不同时段降雨侵蚀力分布

3.2.1年降雨与年降雨侵蚀力空间分布

1992—2020年，“三湖”流域多年平均降雨量在空间上基本呈北多南少的分布趋势，抚仙湖流域北部为降雨高值区，年降雨量超过980 mm；杞麓湖流域为降雨量低值区，年降雨量低于860 mm；星云湖流域在“三湖”中位，年降雨量在860～900 mm。多年平均降雨侵蚀力空间分布趋势基本与年降雨量分布趋势一致，为北大南小，抚仙湖流域北部为降雨侵蚀力高值区，年降雨侵蚀力超过4 000 MJ·mm/(hm2·h)；南部的杞麓湖流域为降雨侵蚀力低值区，年降雨侵蚀力为3 000 MJ·mm/(hm2·h)左右；“三湖”流域中部的星云湖流域年降雨侵蚀力在3 000～3 200 MJ·mm/(hm2·h)，见图8。

a)多年平均降雨量

b)多年平均降雨侵蚀力

3.2.2汛期和非汛期降雨侵蚀力空间分布

1992—2020年，“三湖”流域汛期和非汛期降雨侵蚀力在空间分布上有较大差异。汛期降雨侵蚀力在2 600～4 000 MJ·mm/(hm2·h)，分布趋势为北大南小；非汛期降雨侵蚀力在300～360 MJ·mm/(hm2·h)，流域东部海口站附近为高值区，中部茶尔山站附近为低值区，其他大部分区域在320～330 MJ·mm/(hm2·h)，见图9。

a)汛期

b)非汛期

3.2.3季节降雨侵蚀力空间分布

1992—2020年，“三湖”流域不同季节降雨侵蚀力在空间分布上也有较大差异。春季在340～440 MJ·mm/(hm2·h)，北部抚仙湖流域为高值区，中部星云湖流域和南部杞麓湖流域为低值区；夏季在1 800～2 800 MJ·mm/(hm2·h)，抚仙湖流域北部为高值区，南部杞麓湖流域为低值区；秋季在700～950 MJ·mm/(hm2·h)，抚仙湖流域东北部为高值区，南部杞麓湖流域为低值区；冬季仅在120～150 MJ·mm/(hm2·h)，抚仙湖流域东部和杞麓湖流域中部为高值区，中部星云湖流域为低值区，见图10。

a)春季

b)夏季

c)秋季

d)冬季

4 结论与讨论

a)“三湖”流域多年平均降雨量907.6 mm，多年平均降雨侵蚀力3 475 MJ·mm/(hm2·h)，年降雨侵蚀力变异系数各站在0.25～0.32，北部梁王河站年降雨侵蚀变化较为离散，南部沙沟嘴站较为均衡。

b)各站发生侵蚀性降雨日数686～759 d，梁王河、海口、茶尔山、沙沟嘴站最大日降雨侵蚀力依次为2 240、1 783、1 866、1 749 MJ·mm/(hm2·h)，一般发生在7、9月。抚仙湖流域的梁王河站侵蚀性降雨发生日数最多，日降雨侵蚀力最大。各站年降雨量与年降雨侵蚀力关系呈指数分布，相关系数在0.79～0.89，流域年降雨侵蚀力总体呈波动变化，系列总体为不显著增加趋势，无突变。

c)降雨侵蚀力年内变化差异较大。降雨侵蚀力夏季最为集中，占全年的61.4%；冬季最小，仅占全年的4.0%，四季降雨侵蚀力变化表现为夏季>秋季>春季>冬季。降雨侵蚀力汛期占全年的90.5%，主汛期占全年的74.4%。

d)流域多年平均降雨侵蚀力空间分布趋势基本与年降雨量分布趋势一致，为北大南小，在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，抚仙湖流域北部为高值区，南部的杞麓湖流域为低值区。年、汛期、夏季和秋季，流域降雨侵蚀力基本呈从北向南逐渐递减的趋势；而非汛期、春季和冬季，降雨侵蚀力基本呈从东北向西南递减的趋势。

珠江流域多年平均降雨侵蚀力值分布范围为1 858.0～14 656.6 MJ·mm/(hm2·h)[5]，本文分析结果“三湖”流域多年平均降雨侵蚀力在3 088～4 172 MJ·mm/(hm2·h)，在珠江流域属于低值区，主要是因为滇中“三湖”流域属于珠江源头年降雨量低值区。降雨侵蚀力仅为反映降雨对土壤侵蚀的潜在能力，其大小并不能直接表征流域水土流失潜力的大小，需结合下垫面和人类活动情况具体而定。“三湖”流域大部分地区属于岩溶地貌，存在一定程度石漠化问题，地面土层薄且容易遭强降雨冲刷，再加上人类活动影响，容易引发一系列的生态环境问题。建议参考降雨侵蚀力时空分布规律，并结合流域下垫面及人类活动实际情况，有针对性地做好“三湖”流域水土保持措施，为保护治理“三湖”做好基础性工作。