泾河流域降雨侵蚀力的时空变化

何奂

（新兴县气象局，广东 新兴 527400）

土壤侵蚀会导致一系列的环境问题，如泥石流、洪水、干旱等，还会导致大量的耕地资源被破坏［1］。降雨是侵蚀的直接气象驱动力，同时也是水文循环必不可少的环节，因此会进一步加剧土壤侵蚀。研究降雨侵蚀力的变化规律，可以为土壤侵蚀风险评估、水土流失防控等提供重要参考依据［2］。

降雨侵蚀力（R）表示降雨对土壤侵蚀的严重程度，准确评价和计算R值可以预报土壤流失［1］。20世纪60年代，由Wischmeier［3］初次提出把EI30作为降雨侵蚀力指标，得到了广泛应用。但该指标所需数据获取难度较大、计算方法复杂且耗时，在实际应用时受到一定限制［4-5］。有学者选取EI10、EI60、EI75作为指标，但计算此类指标需长时间序列（至少20年）场次降雨数据。杨轩［6］、章文波等［7］在EI30的基础上，利用日雨量数据进行了修订，修订的日雨量侵蚀力模型因数据获取容易且计算精度高，适用于中国大部分地区，得到了广泛的应用。

泾河流域面积4.5万km2，泾河是渭河的最大支流。流域的土壤损失非常严重，是生态环境最脆弱的流域之一。本研究利用泾河流域1957—2017年5个代表性雨量站的历史日降雨资料，使用章文波等［7］模型来计算降雨侵蚀力，通过均值、变异系数等指标分析降雨侵蚀力的时空分布规律，为泾河流域水土流失防治和农业开发提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本研究选取1957—2017年泾河流域5个气象站点（长武（53929）、环县（53821）、崆峒（53915）、西峰（53923）、固原（53817））逐日降水资料，数据来源于国家气象局数据中心。所用泾河流域基础空间数据来源于地理空间数据云网站下载的30 m×30 m数字高程模型（图略）。

1.2 研究方法

研究气候变化背景下R的变化规律，参考中国第1次全国水利普查水土保持专项普查的方法［8］，把12.0 mm作为侵蚀性降雨量标准。运用章文波等［7］模型计算R：

其中，Rj为半月降雨侵蚀力（MJ·mm／（hm2·h））；Pj为日雨量（mm）（P0≥12 mm）；Pd12为日雨量≥12 mm 的日均雨量（mm）；Py12为日雨量≥12 mm的年均雨量（mm）；k为半月时段内的日数（d）；α和β是模型参数。该方程的效果与区域降雨量有关；降雨量丰富的地区，模型误差较小；降雨量少的地方，模型误差大。运用该模型计算可得到24个半月降雨侵蚀力，累加可得月、季、年降雨侵蚀力。

R的突变检验使用M-K检验法［9-10］；周期性分析使用小波分析法［11-12］。未来变化趋势分析则使用R／S分析法。R／S分析法可以通过计算序列的Hurst值来预测未来变化趋势。若Hurst＞0.5，则具有与上一个阶段相同的趋势；若Hurst在0.0～0.5之间，则具有逆持续性，与上一个阶段的变化趋势相反［8］。

2 结果与分析

2.1 月季变化

从逐月R分布（图略）可以看出，R呈双峰分布，7、8月的降雨侵蚀力为年内最大值，大于300 MJ·mm／（hm2·h），占全年总量的58.43%。从空间分布来看，月均R最大值出现在7月的西峰，为501.415 MJ·mm／（hm2·h），而5个站点在12、1、2月的R值基本为0或接近0；3—11月R的平均值为158.192 MJ·mm／（hm2·h）。

本研究中季节划分标准：3、4、5月份为春季；6、7、8月份为夏季；9、10、11月份为秋季；12月、次年1、2月份为冬季。考虑到12、1、2月份的降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量基本为0，因此不计算冬季降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量。

R的季节分布如图1所示，从图1可以看出，春季降雨侵蚀力突变情况较为明显，幅度跨越较大且次数较多。春季平均R为151.983 MJ·mm／（hm2·h），占全年的10.67%，占比较小。春季降雨侵蚀力最大的是长武，其后依次为西峰、崆峒、环县、固原。夏季5个站点的R值总体在500～2 000 MJ·mm／（hm2·h）之间，均值为983.87 MJ·mm／（hm2·h），突变不显著。夏季均值占全年的68.86%。固原和环县的年降雨侵蚀力总体上小于西峰、长武和崆峒。夏季R最大值站点是长武，然后依次为西峰、崆峒、固原、环县。秋季R值占全年的20.46%。与春夏两季一样，长武、崆峒、西峰的变化情况类似，而固原和环县相似。

图1 泾河流域站点春季（a）、夏季（b）、秋季（c）降雨侵蚀力堆积图

通过线性回归分析发现，1957—2017年泾河流域夏季降雨侵蚀力呈上升状态，春季和秋季R呈下降状态。泾河流域春、夏、秋季降雨侵蚀力的变异系数分别为0.851、0.419、0.646，春季降雨侵蚀力变化最为明显。

2.2 年际变化

各站点年R见图2a，从图2a可以看出，R值集中在500～2 500 MJ·mm／（hm2·h），固原和环县的R总体小于西峰、长武和崆峒。

各站点侵蚀性降雨量总体上年际变化与降雨侵蚀力相类似（图2b），其中长武站点的侵蚀性降雨量最大，其后依次是西峰、崆峒、固原、环县，变化规律与季节R、年R相同。线性回归分析可知，1957—2017年泾河年R和年侵蚀性降雨量呈波动上升趋势，且通过显著性检验。该研究结果与珠江流域［13］、长江流域［14］等相关研究结果一致。用R／S分析法，计算得到泾河流域年R的hurst指数为0.556，表明泾河流域在未来的一段时间内，年R和年侵蚀性降雨量将维持此种上升趋势，这与艾明乐等［15］的研究结论一致。

图2 泾河流域各站点年降雨侵蚀力（a）和侵蚀性年降雨量（b）分布

2.3 突变

M-K突变检验是分析两条统计序列，即UFk和UBk。UFk＞0，则时间序列呈上升趋势；反之下降；超过临界值，则变化状态明显。对泾河流域1957—2017年的R进行M-K分析（图略），可以看到，UFk和UBk未达到临界线，故变化趋势不明显。但两条曲线交点很多，一定程度上表明1957—2017年泾河流域年均R突变比较严重。R值在1957—1968和2012—2017年呈上升趋势，在1969—2011年呈下降趋势。

2.4 周期

对泾河流域年降雨侵蚀力作小波分析（图略），可以看出，1957—2017年泾河流域R值有2个峰值尺度，分别是准3年、准17年，并以准17年的周期幅度最大，为R序列的第1主周期，准3年次之。在准17年尺度下，R序列共经历约10个波动周期，平均变换周期约为6年；在准3年尺度下，共经历32个波动周期，平均变换周期为2年。

2.5 空间变化

由图3a的R分布可以看出，泾河流域北部R整体偏小，南部、东部整体偏大，西部偏小。长武站点地区为流域R的最大点，最大值为1 745 MJ·mm／（hm2·h），固原为流域R的最小点，最小值为1 133 MJ·mm／（hm2·h）。从降雨侵蚀力统计值Z值图上（图3b）可以看出，西部和中部区域R的变化趋势是减小的，而东部、南部、北部R值的变化趋向是逐渐增大的，其中东南部分区域的变化趋势极为明显。总体而言，随着经度的增加，纬度的减少，R也随之增加，变化趋向也越来越明显。

图3 各站点R值（a）和Z值（b）等值线分布

3 讨论

降雨是影响降雨侵蚀力的主要因素，泾河流域降雨量与降雨侵蚀力呈显著正相关，多年平均降雨量与多年平均降雨侵蚀力空间变化趋势一致，都是从西北到东南递增。表明降雨侵蚀力的时空变化在一定程度上取决于降雨量，其分布也可根据降雨量来粗略分析，并定性地估计降雨侵蚀力，这为评价降雨侵蚀力提供了一种简便的方法。

泾河流域年内降雨量与降雨侵蚀力在7、8月份出现峰值，原因在于流域地处北温带，受大陆季风气候的影响，夏季侵蚀性降雨增多［16］。泾河流域下游降雨侵蚀力较大，需进一步强化当地公众的水保意识，提高区域的水土保持措施。

本研究基于章文波简易模型计算了泾河流域1957—2017年的降雨侵蚀力，分析了流域降雨侵蚀力时空变化特征。

1）泾河流域的全年降雨侵蚀力主要聚集在7、8月。按季节占比划分，夏季占总体的68.63%，秋季20.46%，春季10.67%，冬季占比接近0。1957—2017年泾河流域春季和秋季降雨侵蚀力呈下降趋势，夏季呈上升趋势。

2）1957—2017年泾河流域的降雨侵蚀力总体呈上升趋势且在未来一段时间内会继续上升。存在准17年的第1主周期和准3年的次周期。

3）泾河流域多年平均降雨量和降雨侵蚀力总体从西北到东南呈递增趋势。最大值在长武站，为1 745 MJ·mm／（hm2·h），最小值在固原，为1 133 MJ·mm／（hm2·h）。

此项研究在一定程度上揭示了泾河流域降雨侵蚀力的时空演变规律，但仅使用5个站点的降雨资料，可靠性明显不够；使用的计算模型方法较简单，误差较大。未来将会纳入更多站点，使用更准确的降雨侵蚀力计算方法，为降雨侵蚀和土壤侵蚀防护工作提供更有价值的参考依据。