曹 矞, 高 超, 張曉明, 王順杰, 楊清杰

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 2.湖北省水土保持監(jiān)測中心, 武漢)

雨滴濺蝕與徑流剝蝕是降雨引起土壤侵蝕的主要途徑[1]，為便于研究降雨引起侵蝕的程度，將各種降雨侵蝕類型引起當(dāng)?shù)赝寥狼治g的潛在能力總的定義為降雨侵蝕力。在水土保持研究領(lǐng)域，降雨侵蝕力這一因素對于當(dāng)?shù)厍治g程度和侵蝕潛力的評估以及相關(guān)修復(fù)措施的布置規(guī)劃是十分重要的，因此在通用土壤流失方程USLE和修正土壤流失方程RUSLE中降雨侵蝕力也是十分重要的研究因子[2]，一般用R將其表示。同時，R因子的大小與很多因素有關(guān)，如降雨量、雨強(qiáng)、雨滴特性等。目前學(xué)界已有很多對于降雨侵蝕力計算及預(yù)估模型的研究，如選取次降雨中的降雨動能E和最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積計算表示降雨侵蝕力[3]，該公式是基于經(jīng)驗與美國本土降雨實際觀測資料得出的衡量當(dāng)?shù)亟涤昵治g力的方法。我國學(xué)者結(jié)合國內(nèi)研究區(qū)域?qū)嶋H狀況，做出了根據(jù)次降雨中降雨動能與雨強(qiáng)雨量計算降雨侵蝕力[4-5]，根據(jù)逐日降雨量計算年平均降雨侵蝕力[6]等研究。在眾多降雨侵蝕力計算模型中，通過逐日降雨量計算月降雨侵蝕力最終合成年降雨侵蝕力的計算模型相對來說穩(wěn)定性最好[7]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，對于降雨侵蝕力進(jìn)行計算的時序也越來越精細(xì)化，Jennifer Kreklow研究了通過雷達(dá)對降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的方法[8]，與傳統(tǒng)雨量計相比，氣象雷達(dá)具有超高時空分辨率，超大尺度的優(yōu)點(diǎn)。但是我國的現(xiàn)代化水土保持事業(yè)起步較晚，很多地區(qū)觀測站點(diǎn)的降水資料內(nèi)容不全，降雨強(qiáng)度及降雨動能等數(shù)據(jù)較難獲得，因此通過較為容易獲得的降雨量資料計算降雨侵蝕力成為一種十分可行的方法。而用于計算的降雨量資料一般分為年降雨量資料、月降雨量資料以及日降雨量資料，其中月或年降雨量資料最容易獲取，因此早期研究也多集中于此，如Renard Kenneth G等用月降水量數(shù)據(jù)估算通用流失方程中的R因子[9]。但由于月或年降雨量時間跨度較大，無法反映降水年內(nèi)分布，通過該方法對降雨侵蝕力進(jìn)行估算精度無法得到保證。因此通過逐日降雨量對降雨侵蝕力進(jìn)行計算的方法在確保可行性的同時也大大提升了精度，同時還能反映降雨侵蝕力的年內(nèi)變化特征，章文波[10]及Richarchson[11]等就提出了基于逐日降雨量的降雨侵蝕力模型，這些模型中都有能反映當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯膮?shù)，這大大增加了模型在不同地區(qū)推廣應(yīng)用的可行性。在降雨量資料年限時長的選取方面，金建君等[12]通過分析認(rèn)為，當(dāng)降雨資料年限時長超過五年時，其計算結(jié)果的相對誤差已經(jīng)在可接受范圍內(nèi)。在研究區(qū)域尺度選取上，多為以一整個區(qū)域[13-14]或不同水系[15]為基礎(chǔ)進(jìn)行侵蝕性降雨研究，而較少選擇研究區(qū)域內(nèi)已有的二級或三級水土保持區(qū)劃。本文嘗試將人工觀測記錄數(shù)據(jù)與逐漸興起的自動化監(jiān)測設(shè)備觀測記錄數(shù)據(jù)結(jié)合，通過逐日降雨量資料并考慮湖北省內(nèi)水土保持分區(qū)狀況，對不同水土保持分區(qū)及全省范圍內(nèi)降雨侵蝕力的時空分布特征進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

湖北省介于北緯29°01′53″—33°6′47″、東經(jīng)108°21′42″—116°07′50″，東西長約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2，占中國總面積的1.94%。其地形東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。在全省總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%，屬長江水系。湖北省地處亞熱帶，全省除高山地區(qū)屬高山氣候外，大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，因此降水資源充沛，且多集中在5—9月，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，在花崗巖地區(qū)及西南部分土石山區(qū)也發(fā)生有水力與重力共同影響下的崩崗、泥石流等混合侵蝕(引自湖北省人民政府)。

在全國水土保持區(qū)劃中，湖北省橫跨南方紅壤區(qū)與西南紫色土區(qū)兩個一級區(qū)。省內(nèi)包括5個二級水土保持分區(qū)，分別是大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長江中游丘陵平原區(qū)、江南山地丘陵區(qū)、秦巴山山地區(qū)以及武陵山山地丘陵區(qū)。其中大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長江中游丘陵平原區(qū)及江南山地丘陵區(qū)這3個二級分區(qū)位于南方紅壤區(qū)內(nèi)，秦巴山山地區(qū)以及武陵山山地丘陵區(qū)這兩個二級分區(qū)位于西南紫色土區(qū)內(nèi)。由于武陵山山地區(qū)與長江中游丘陵平原大致處于同一緯度范圍內(nèi)，降雨類型大致相同，因此將兩區(qū)合為一個水土保持分區(qū)進(jìn)行計算(圖1)。全省共有24個自動觀測站點(diǎn)，其中7個位于大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)，2個位于江南山地丘陵區(qū)，5個位于秦巴山山地區(qū)，10個位于長江中游丘陵平原區(qū)和武陵山山地丘陵區(qū)內(nèi)。本文采用的自動化監(jiān)測設(shè)備觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)均來自于中國氣象網(wǎng)湖北省2014—2020年資料，人工記錄數(shù)據(jù)來自于湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)整編數(shù)據(jù)。

圖1 全省分區(qū)狀況

2 研究方法

2.1 侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)的計算

并不是每次降雨都會產(chǎn)生侵蝕，只有當(dāng)降雨達(dá)到一定條件后才有可能造成土壤侵蝕。在對于降雨量的研究中，當(dāng)降雨量超過某一個臨界點(diǎn)后才能達(dá)到造成土壤侵蝕的條件，稱這一臨界點(diǎn)為侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)[16]。設(shè)置這一標(biāo)準(zhǔn)有助于篩選出真正造成侵蝕的降雨，能在減少工作量的同時提升結(jié)果精度。

對于侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)的計算，采用王萬忠[16]提出的侵蝕性降雨一般雨量標(biāo)準(zhǔn)的計算模型。該計算方法是將逐日降雨量進(jìn)行降序排列，對每次降雨量R′產(chǎn)生的侵蝕量進(jìn)行累加，從而得到侵蝕性降雨的總侵蝕量q，每次降雨對應(yīng)的累計侵蝕量為Q，再以次降雨量R′為橫坐標(biāo)，累計侵蝕量(Q)占總侵蝕量(q)的百分比P為縱坐標(biāo)繪制曲線并進(jìn)行擬合，當(dāng)P為某個值時，其對應(yīng)的次降雨量R′即為侵蝕性降雨一般雨量標(biāo)準(zhǔn)，具體公式如下：

(1)

P=alnR′+b

(2)

式中:P為累計侵蝕量占總侵蝕量的百分比(%);Q為累計侵蝕量(kg);q為總侵蝕量(kg);R′為次降雨量(mm);a、b為每個站點(diǎn)具體的擬合公式參數(shù),由各站點(diǎn)P與R′曲線擬合得出。

根據(jù)湖北省水土流失特點(diǎn)及下墊面因素，選取P等于90%，即擬定的侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)以上的降雨量引起土壤流失的概率為90%，代入公式(2)，在曲線上找到對應(yīng)的次降雨量R′，即為侵蝕性降雨雨量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 降雨侵蝕力的計算

對于降雨侵蝕力的計算，采用章文波[10]的基于日降雨量的半月侵蝕力計算模型，具體公式如下：

(3)

(4)

(5)

α=21.586β-7.1891

(6)

式中:Pd為侵蝕性降雨的日平均降雨量(mm);Py為侵蝕性降雨的年平均降雨量(mm)。

2.3 空間插值方法

目前通過ArcGIS進(jìn)行空間插值的方法大致有以下幾種：反距離加權(quán)模型(IDW)、樣條函數(shù)模型(SPLINE)、克里格模型(Kriging)。黃利燕等[17]通過對比分析認(rèn)為，在站點(diǎn)數(shù)量較為適宜時，克里格模型預(yù)測效果要明顯優(yōu)于其他幾種模型。李巍等[18]對普通克里格模型(OK)與協(xié)同克里格模型(OCK)進(jìn)行對比認(rèn)為，相同情況下協(xié)同克里格模型還考慮了高程因素，因此其預(yù)測結(jié)果要更為精準(zhǔn)。在相同情況下，反距離加權(quán)模型的可行性最高，預(yù)測結(jié)果精確性適中。綜合考慮計算結(jié)果精確性與可行性，本文采用普通克里格方法進(jìn)行空間插值，具體公式如下：

(7)

2.4 各站點(diǎn)權(quán)重確定方法

采用泰森多邊形法對各站點(diǎn)權(quán)重進(jìn)行分析確定，即將所有相鄰站點(diǎn)連成三角形，作這些三角形各邊的中垂線，于是每個氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個多邊形，該多邊形即代表該站點(diǎn)的實際控制面積，將其控制面積占總面積的百分比作為每個站點(diǎn)在平均降雨侵蝕力計算中的權(quán)重(圖2—3)。

圖2 全省自動監(jiān)測站點(diǎn)分布及泰森多邊形

圖3 各分區(qū)內(nèi)站點(diǎn)控制面積

3 結(jié)果與分析

3.1 湖北省降雨量及侵蝕性降雨量特征分析

從地理位置來看，湖北省位于亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，降雨充沛且降雨時段集中。由2014—2020年這7 a間數(shù)據(jù)分析可知，全省年平均降雨量在813.88～1 590.15 mm，其中年降雨量最低年份為2019年，最高年份為2020年。年平均侵蝕性降雨量在319.99～864.14 mm，其中侵蝕性降雨量最低年份為2019年，最高年份為2020年(圖4)。多年平均年降雨量為1 201.98 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為603.53 mm(表1)。多年平均年侵蝕性降雨量占多年平均年降雨量的50.21%，年平均侵蝕性降雨頻次(天數(shù))為14次，平均次侵蝕性降雨量為46.88 mm。且由年降雨量與年侵蝕性降雨量曲線可以看出，年降雨量P與年侵蝕性降雨量Py之間存在著明顯的相關(guān)性，通過趨勢線擬合可得二者之間關(guān)系為Py=0.752P-311，相關(guān)性可達(dá)0.980 9(圖5)。

從分區(qū)來看，全省降雨量大致呈現(xiàn)從西北向東南增加的趨勢，其中秦巴山山地區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量都為最低，其多年平均年降雨量為995.13 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為489.97 mm。而江南山地丘陵區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量均為最高，其多年平均年降雨量為1 507.54 mm，多年平均侵蝕性年降雨量為1 172.39 mm(圖6)?？傮w上多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量排序為秦巴山山地區(qū)<大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)<長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)<江南山地丘陵區(qū)。

圖4 年降雨量與年侵蝕性降雨量

圖5 年降雨量與年侵蝕性降雨量相關(guān)性

圖6 各分區(qū)多年平均年降雨量及多年平均侵蝕性年降雨量

3.2 湖北省降雨侵蝕力時空分布特征分析

表1 全省降雨信息

湖北省整體的降雨侵蝕力從西北到東南逐漸增加(圖10)，與降雨量的空間分布表現(xiàn)出相同特征。從不同分區(qū)來看，位于湖北省西北部的秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為4 450.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最小值。而位于湖北省東南部的江南山地丘陵區(qū)多年平均降雨侵蝕力為10 110.35 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最大值，比秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力高出127.17%。分析具體原因為秦巴山山地區(qū)較江南山地丘陵區(qū)緯度高，且更為靠近內(nèi)陸，受大陸性氣候影響更深。而江南山地丘陵區(qū)緯度更低，更為靠近海洋，且地勢較為平坦無高大山脈阻斷海洋暖濕氣流吹入，因此降雨較秦巴山山地區(qū)更為充沛且集中，這種集中且大量的降雨其本身的動能較大，更容易引起土壤侵蝕的發(fā)生，因此降雨侵蝕力更高。而比較大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)與長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)，兩者多年平均降雨侵蝕力較為接近，前者略高于后者。其中大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)年降雨侵蝕力為7 299.48 MJ·mm/(hm2·h·a)，長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)年降雨侵蝕力為6 736.10 MJ·mm/(hm2·h·a)，前者比后者高出8.36%。分析其原因是因為兩部分地區(qū)緯度相差不大，雨熱條件較為接近，因此降雨侵蝕力差別不大。

4 討 論

在湖北省相關(guān)水土保持規(guī)劃中，應(yīng)重點(diǎn)考慮該時間段內(nèi)特別是7月份前后的具體水土保持措施，做好應(yīng)對短歷時強(qiáng)降雨氣候類型造成土壤侵蝕的準(zhǔn)備。同時由于湖北省東西向跨度大，因此省內(nèi)氣候條件較為復(fù)雜，不完全是典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候，越靠近西部內(nèi)陸其氣候中的大陸性特征越明顯降雨量及侵蝕性降雨頻次(天數(shù))越低。而越靠近東部，其氣候受海洋季風(fēng)影響越顯著，特別是江南山地丘陵區(qū)，其氣候特征與典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)已十分接近，且降雨發(fā)生時段、降雨量及降雨侵蝕力等與臨近省份江西已無明顯差別[19]。因此在對湖北省整體進(jìn)行水土保持規(guī)劃時，不僅要注意降雨量的年內(nèi)時間分布，還要注意其在空間上的東西橫向分布。

圖7 年內(nèi)半月降雨侵蝕力分布

圖8 半月降雨量與半月侵蝕力

本文在降雨量層面上研究討論其與降雨侵蝕力之間的關(guān)系，而每次侵蝕性降雨的降雨特征如次降雨雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)及降雨歷時等都會對降雨侵蝕力產(chǎn)生更深層次的影響，同時侵蝕性降雨產(chǎn)生的徑流量以及地面植被覆蓋狀況等也是影響土壤侵蝕發(fā)生特別是影響紅壤地區(qū)土壤侵蝕發(fā)生的重要因素[20]，后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入。

圖9 半月降雨量與半月侵蝕力相關(guān)性

圖10 降雨侵蝕力等值線

5 結(jié) 論

(1) 湖北省降雨充沛且降雨時段集中，多年平均年降雨量為1 201.98 mm，集中降雨時段為每年4—10月，年內(nèi)侵蝕性降雨也多集中于該時段，多年平均侵蝕性年降雨量為603.53 mm，占多年平均年降雨量的50.21%，其中4—10月總降雨侵蝕力值為6 202.1 MJ·mm/(hm2·h·a)，占全年降雨侵蝕力值的93.26%。

(3) 全省范圍內(nèi)的降雨侵蝕力空間分布總體上呈現(xiàn)自西北向東南增加的趨勢，位于湖北省西北部的秦巴山山地區(qū)多年平均降雨侵蝕力為4 450.56 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最小值。而位于湖北省東南部的江南山地丘陵區(qū)多年平均降雨侵蝕力為10 110.35 MJ·mm/(hm2·h·a)，為全省最大值，其他兩個分區(qū)降雨侵蝕力差別不大?？傮w排序為秦巴山山地區(qū)<長江中游丘陵平原區(qū)—武陵山山地丘陵區(qū)<大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)<江南山地丘陵區(qū)。

致謝：在數(shù)據(jù)處理以及論文撰寫過程中，感謝湖北省水土保持監(jiān)測中心及各級監(jiān)測點(diǎn)對于本文的數(shù)據(jù)支持以及相關(guān)指導(dǎo)。