范建容,嚴(yán) 冬,郭祥

（1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610041;2.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都610041;3.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京 100039）

水土流失目前仍是長(zhǎng)江上游地區(qū)突出的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題,根據(jù)長(zhǎng)江上游土壤侵蝕遙感調(diào)查資料(2000年),長(zhǎng)江上游水土流失面積(輕度以上土壤侵蝕面積)43.83萬(wàn)km2,約占長(zhǎng)江上游流域總面積的43.6%[1]。降雨則為土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?研究降雨引起土壤侵蝕的潛在能力即降雨侵蝕力,對(duì)定量評(píng)估和預(yù)報(bào)土壤流失量具有重要意義。目前應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型為通用土壤流失方程ULSE[2]和修訂版RULSE[3],降雨侵蝕力是模型中的一個(gè)基本因子。美國(guó)農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的各期農(nóng)業(yè)手冊(cè)都編制了降雨侵蝕力圖表,以用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái),利用雨強(qiáng)、日雨量、月雨量、年雨量等資料估算區(qū)域或全國(guó)降雨侵蝕力,取得了較多有意義的成果[4-11]。但由于計(jì)算方法不同,區(qū)域間缺乏可比性;對(duì)于全國(guó)降雨侵蝕力計(jì)算,由于采用的雨量站資料有限,應(yīng)用到特定區(qū)域時(shí)數(shù)據(jù)精度偏低,難以應(yīng)用于土壤侵蝕敏感性評(píng)估與土壤侵蝕量預(yù)測(cè)。

長(zhǎng)江上游降雨的地域差異十分顯著,除了受大氣環(huán)流的控制外,受山地地形的影響而形成了多個(gè)暴雨中心,降雨侵蝕力也將在較小范圍內(nèi)存在明顯差異。以氣象站多年日雨量整編資料為基礎(chǔ)計(jì)算降雨侵蝕力,并利用GIS空間分析功能,獲得長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力分布圖,為區(qū)域土壤侵蝕定量評(píng)估奠定基礎(chǔ);探討長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力時(shí)空分布特征,以更好地了解長(zhǎng)江上游土壤侵蝕環(huán)境背景,為水土流失治理提供決策依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 資料準(zhǔn)備

對(duì)長(zhǎng)江上游日雨量資料進(jìn)行了廣泛收集,其中涉及117個(gè)氣象站(1961-2004年)和342個(gè)水文站(建站至1987年)。為了確保數(shù)據(jù)的精度,選取觀測(cè)年限在20 a以上的測(cè)站資料。但由于西部地區(qū)測(cè)站相對(duì)較少,且建站一般較晚,考慮到測(cè)站的代表性,對(duì)部分資料積累在10 a以上的測(cè)站進(jìn)行了補(bǔ)充選取。最后選取361個(gè)有效測(cè)站,并整理形成了完整的日雨量資料序列。

1.2 降雨侵蝕力計(jì)算

降雨侵蝕力指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,自Wischmeier[12-13]提出以次降雨總動(dòng)能 E與30 min最大雨強(qiáng)I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo),并應(yīng)用于通用土壤流失方程USLE[2]以來(lái),隨著USLE在世界各國(guó)的推廣,降雨侵蝕力的研究受到越來(lái)越多的重視。以次降雨指標(biāo)EI30計(jì)算降雨侵蝕力的方法以次降雨過(guò)程資料為基礎(chǔ),但由于一般很難獲得長(zhǎng)時(shí)間序列的降雨過(guò)程資料,且資料的摘錄整理十分繁瑣,因此一般建立降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法,即利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料來(lái)評(píng)估計(jì)算

式中:Mi——第 i個(gè)半月時(shí)段的侵蝕力值[MJ?mm/(hm2?h?a)],為了與通用土壤流失方程單位統(tǒng)一,計(jì)算結(jié)果匯總后再將單位統(tǒng)一為[MJ?cm/(km2?h)];k——該半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù);Dj——半月時(shí)段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量,要求日雨量≥10 mm,否則以0計(jì)算;α和β為模型待定參數(shù),利用日雨量參數(shù)估計(jì)模型參數(shù)α和β的公式:

式中:Pd10——日雨量 ≥10 mm 的日平均雨量(mm);Py10——日雨量≥10 mm的年平均雨量(mm)。

1.3 插值與分析方法

由于降雨侵蝕力的分布存在空間自相關(guān)性,所以ArcGIS為平臺(tái)利用克里格方法對(duì)計(jì)算所得的降雨侵蝕力數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插。首先對(duì)插值數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析,利用直方圖檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布并進(jìn)行正態(tài)變換,結(jié)合Voronoi圖和QQPlot分布圖區(qū)分出離群值,判斷這些離群值是否為異常點(diǎn),如果是合理離群值則保留,若不合理則刪除。然后把所得的符合克里格插值條件的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,并設(shè)置一定數(shù)量的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證插值結(jié)果的準(zhǔn)確性,從而得到空間連續(xù)的降雨侵蝕力分布圖,采用空間剖面工具獲得降雨侵蝕力沿程分布圖。利用降雨侵蝕力分布圖、年降雨量分布圖、暴雨分布圖,應(yīng)用圖像分析工具分析降雨侵蝕力與年降雨、暴雨分布的關(guān)系。降雨侵蝕力。已有研究表明,不同類(lèi)型雨量資料估算降雨侵蝕力的精度不同,通過(guò)對(duì)5種代表性雨量資料計(jì)算侵蝕力的效果進(jìn)行對(duì)比分析,以日雨量模型計(jì)算侵蝕力的精度明顯最高,其余依次為逐月雨量、逐年雨量、年平均雨量和月平均雨量模型,且后4種模型之間差別不明顯。在降雨量較豐富的南方地區(qū),計(jì)算降雨侵蝕力的相對(duì)誤差變化范圍相對(duì)較小,模型表現(xiàn)更穩(wěn)定,精度較高[14]。其簡(jiǎn)易算法模型如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間分布

從降雨侵蝕力分布圖(圖1)可見(jiàn)長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力的地域差異十分顯著,由東向西減少,源頭的五道梁一帶最小,小于25 MJ?cm/(km2?h?a),四川盆地較大,一般在800 MJ?cm/(km2?h?a)以上。降雨侵蝕力大的區(qū)域與多雨中心、暴雨中心分布基本一致,主要出現(xiàn)于四川盆地西部雅安、峨嵋多雨中心,四川盆地西部北川、安縣多雨中心,四川盆地東北部的萬(wàn)源多雨中心,黔西高原的普定、織金多雨中心。其中降雨侵蝕力最大的出現(xiàn)在四川盆地東北部的南江縣關(guān)壩,達(dá)到2 527 MJ?cm/(km2?h?a)。

圖1 長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力分布圖

降雨侵蝕力沿長(zhǎng)江干流從源頭而下總體呈現(xiàn)雙峰波動(dòng)增強(qiáng)的變化特征。如圖2所示,直門(mén)達(dá)以上最小,均小于50 MJ?cm/(km2?h?a);直門(mén)達(dá)至石鼓段略有增強(qiáng),但仍小于100 MJ?cm/(km2?h?a);石鼓至宜賓段呈先增強(qiáng)后減弱的波形,峰值接近600 MJ?cm/(km2?h?a);宜賓至宜昌段呈先急劇增強(qiáng)后逐漸減弱的偏峰波形,峰值出現(xiàn)在宜賓與瀘州段中間,其值近1 000 MJ?cm/(km2?h?a),重慶至宜昌的三峽庫(kù)區(qū)段均值約500 MJ?cm/(km2?h?a)。

圖2 長(zhǎng)江上游干流沿線的降雨侵蝕力沿程變化

2.2 降雨侵蝕力年際變化的空間特征

由1961-2000年的40幅年降雨侵蝕力R值圖統(tǒng)計(jì)得到長(zhǎng)江上游地區(qū)平均年降雨侵蝕力值,其年際變化見(jiàn)圖3,其中1997年最小,低于250 MJ?cm/(km2?h?a),1998年最大,超過(guò)400 MJ?cm/(km2?h?a),但40 a間總體呈無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

在ArcGIS中,利用1961-2000年的 40幅年降雨侵蝕力R值圖計(jì)算生成長(zhǎng)江上游40 a的降雨侵蝕力變化趨勢(shì)圖,從圖4中,可以看出降雨侵蝕力年際變化存在明顯的空間差異性,長(zhǎng)江源頭地區(qū)、四川盆地及盆北山地區(qū)年降雨侵蝕力呈下降趨勢(shì),西部山地、云貴高原區(qū)、三峽庫(kù)區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)。降雨侵蝕力下降顯著區(qū)域集中在四川盆地丘陵區(qū),平均10 a下降達(dá)20 MJ?cm/(km2?h)以上;降雨侵蝕力增加趨勢(shì)顯著的區(qū)域較分散,主要為四川的西昌、普格、寧南、萬(wàn)源,貴州的安順、貴陽(yáng)、余慶、思南,重慶的涪陵、奉節(jié)等地,平均10 a增加20～50 MJ?cm/(km2?h)。

圖3 長(zhǎng)江上游地區(qū)平均R值年際變化

圖4 長(zhǎng)江上游1961-2000年降雨侵蝕力變化趨勢(shì)的空間分布

年降雨侵蝕力與年降雨量多存在一致的變化趨勢(shì),如金沙江中下游的西昌年降雨侵蝕力R值隨年降雨量的增加而增強(qiáng),四川盆地的成都年降雨侵蝕力R值隨年降雨量的減少而降低。但在一些地區(qū)年降雨侵蝕力的變化與年降雨量的變化趨勢(shì)不完全一致,見(jiàn)圖5,貴陽(yáng)、奉節(jié),年降雨量無(wú)明顯的變化趨勢(shì),而這兩地的年降雨侵蝕力R值卻存在明顯的增強(qiáng)趨勢(shì),是由于這些地區(qū)暴雨增多的原因。

2.3 降雨侵蝕力年內(nèi)分配特征

長(zhǎng)江上游各區(qū)域降雨侵蝕力年內(nèi)分配曲線見(jiàn)圖6,由曲線圖可以看出,除西部高山峽谷暖溫帶R值年內(nèi)分配曲線呈鈍峰外,其余區(qū)域均為尖峰狀分布,降雨侵蝕力十分集中,多集中在6-8月三個(gè)月,占全年R值的60%～76%,5-9月5個(gè)月的R值則占全年R值的80%～97%;降雨侵蝕力的峰值多出現(xiàn)在7月,而盆西邊緣山地亞熱帶出現(xiàn)在8月,盆南邊緣山地亞熱帶出現(xiàn)在6月,尖峰單月R值占全年R值的25%～37%。

圖5 年降雨侵蝕力與年降雨量變化的特征

3 結(jié)論

長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力的地域差異十分顯著,由東向西減少,江源區(qū)一帶最小,且降雨侵蝕力大的區(qū)域與多雨中心和暴雨中心分布基本一致。長(zhǎng)江上游地區(qū)平均年降雨侵蝕力值40 a間總體呈無(wú)明顯變化趨勢(shì),但降雨侵蝕力年際變化存在明顯的空間差異性,長(zhǎng)江源頭地區(qū)、四川盆地區(qū)及盆北山地區(qū)年降雨侵蝕力呈下降趨勢(shì),其余地區(qū)呈增加趨勢(shì)。年降雨侵蝕力與年降雨量多存在一致的變化趨勢(shì),但由于降雨侵蝕力還取決于雨強(qiáng),在一些地區(qū)年降雨侵蝕力的變化與年降雨量的變化趨勢(shì)不一致。長(zhǎng)江上游各區(qū)域降雨侵蝕力年內(nèi)分配曲線為尖峰狀分布,降雨侵蝕力十分集中,在短期內(nèi)即可能產(chǎn)生較強(qiáng)的土壤侵蝕。

[1]崔鵬,張小林.中國(guó)水土流失防治與生態(tài)安全:長(zhǎng)江上游及西南諸河區(qū)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[2]Wischmeier W H,Smit h D D.Predicting rainfall erosion losses:A guide to conservation planning[M].Agriculture Handbook,USDA,1978.

[3]Renard K G,Foster G R,Weesies G A,et al.Predicting soil Erosion By Walter:A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss E-quation(RUSLE)[M].National Technical Information Service,USDA,1997.

圖6 長(zhǎng)江上游主要?dú)夂騾^(qū)多年平均降雨侵蝕力的年內(nèi)分配特征

[4]王萬(wàn)忠.黃土地區(qū)降雨侵蝕力R指標(biāo)的研究[J].中國(guó)水土保持,1987(12):34-40.

[5]黃炎和,盧程隆,鄭添發(fā),等.閩東南降雨侵蝕力指標(biāo)R值的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1992,6(4):1-5.

[6]卜兆宏,董勤瑞,周伏建,等.降雨侵蝕力因子算法的初步研究[J].土壤學(xué)報(bào),1992,29(4):408-417.

[7]吳素業(yè).安徽大別山區(qū)降雨侵蝕力簡(jiǎn)化算法與時(shí)空分布規(guī)律研究[J].中國(guó)水土保持,1994(4):12-13.

[8]周伏建,陳明華,林福興,等.福建省降雨侵蝕力指標(biāo)R值[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(1):13-18.

[9]王萬(wàn)忠,焦菊英,郝小品,等.中國(guó)降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(I)[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(4):5-18.

[10]王萬(wàn)忠,焦菊英,郝小品.中國(guó)降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(II)[J].水土保持學(xué)報(bào),1996,2(1):29-39.

[11]章文波,謝云,劉寶元.中國(guó)降雨侵蝕力空間變化特征[J].山地學(xué)報(bào),2003,21(1):33-40.

[12]Wischmeier W H,Smith D D.Rainfall energy and its relationship to soil loss[J].Transactions of American Geophysical Union,1958,39(3):285-291.

[13]Wischmeie W H.A rainfall erosion index for a universal soil loss equation[J].Soil Science Society Proceedings,1959,23(3):246-249.

[14]章文波,付金生.不同類(lèi)型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學(xué),2003,25(1):35-41.