GIS支持下的長江上游降雨侵蝕力時空分布特征分析*

范建容,嚴(yán) 冬,郭祥

（1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室,成都610041;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都610041;3.中國科學(xué)院 研究生院,北京 100039）

水土流失目前仍是長江上游地區(qū)突出的生態(tài)與環(huán)境問題,根據(jù)長江上游土壤侵蝕遙感調(diào)查資料(2000年),長江上游水土流失面積(輕度以上土壤侵蝕面積)43.83萬km2,約占長江上游流域總面積的43.6%[1]。降雨則為土壤侵蝕的主要動力,研究降雨引起土壤侵蝕的潛在能力即降雨侵蝕力,對定量評估和預(yù)報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基本因子。美國農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的各期農(nóng)業(yè)手冊都編制了降雨侵蝕力圖表,以用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。我國自20世紀(jì)80年代以來,利用雨強(qiáng)、日雨量、月雨量、年雨量等資料估算區(qū)域或全國降雨侵蝕力,取得了較多有意義的成果[4-11]。但由于計算方法不同,區(qū)域間缺乏可比性;對于全國降雨侵蝕力計算,由于采用的雨量站資料有限,應(yīng)用到特定區(qū)域時數(shù)據(jù)精度偏低,難以應(yīng)用于土壤侵蝕敏感性評估與土壤侵蝕量預(yù)測。

長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)計算降雨侵蝕力,并利用GIS空間分析功能,獲得長江上游降雨侵蝕力分布圖,為區(qū)域土壤侵蝕定量評估奠定基礎(chǔ);探討長江上游降雨侵蝕力時空分布特征,以更好地了解長江上游土壤侵蝕環(huán)境背景,為水土流失治理提供決策依據(jù)。

1 計算方法

1.1 資料準(zhǔn)備

對長江上游日雨量資料進(jìn)行了廣泛收集,其中涉及117個氣象站(1961-2004年)和342個水文站(建站至1987年)。為了確保數(shù)據(jù)的精度,選取觀測年限在20 a以上的測站資料。但由于西部地區(qū)測站相對較少,且建站一般較晚,考慮到測站的代表性,對部分資料積累在10 a以上的測站進(jìn)行了補(bǔ)充選取。最后選取361個有效測站,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,隨著USLE在世界各國的推廣,降雨侵蝕力的研究受到越來越多的重視。以次降雨指標(biāo)EI30計算降雨侵蝕力的方法以次降雨過程資料為基礎(chǔ),但由于一般很難獲得長時間序列的降雨過程資料,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易算法,即利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計資料來評估計算

式中:Mi——第 i個半月時段的侵蝕力值[MJ?mm/(hm2?h?a)],為了與通用土壤流失方程單位統(tǒng)一,計算結(jié)果匯總后再將單位統(tǒng)一為[MJ?cm/(km2?h)];k——該半月時段內(nèi)的天數(shù);Dj——半月時段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量,要求日雨量≥10 mm,否則以0計算;α和β為模型待定參數(shù),利用日雨量參數(shù)估計模型參數(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為平臺利用克里格方法對計算所得的降雨侵蝕力數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插。首先對插值數(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,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)量的檢驗數(shù)據(jù)以驗證插值結(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,不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力的精度不同,通過對5種代表性雨量資料計算侵蝕力的效果進(jìn)行對比分析,以日雨量模型計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),計算降雨侵蝕力的相對誤差變化范圍相對較小,模型表現(xiàn)更穩(wěn)定,精度較高[14]。其簡易算法模型如下:

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)可見長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 長江上游降雨侵蝕力分布圖

降雨侵蝕力沿長江干流從源頭而下總體呈現(xiàn)雙峰波動增強(qiáng)的變化特征。如圖2所示,直門達(dá)以上最小,均小于50 MJ?cm/(km2?h?a);直門達(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區(qū)段均值約500 MJ?cm/(km2?h?a)。

圖2 長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)計得到長江上游地區(qū)平均年降雨侵蝕力值,其年際變化見圖3,其中1997年最小,低于250 MJ?cm/(km2?h?a),1998年最大,超過400 MJ?cm/(km2?h?a),但40 a間總體呈無明顯變化趨勢。

在ArcGIS中,利用1961-2000年的 40幅年降雨侵蝕力R值圖計算生成長江上游40 a的降雨侵蝕力變化趨勢圖,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,西部山地、云貴高原區(qū)、三峽庫區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢。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顯著的區(qū)域較分散,主要為四川的西昌、普格、寧南、萬源,貴州的安順、貴陽、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 長江上游地區(qū)平均R值年際變化

圖4 長江上游1961-2000年降雨侵蝕力變化趨勢的空間分布

年降雨侵蝕力與年降雨量多存在一致的變化趨勢,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不完全一致,見圖5,貴陽、奉節(jié),年降雨量無明顯的變化趨勢,而這兩地的年降雨侵蝕力R值卻存在明顯的增強(qiáng)趨勢,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

長江上游各區(qū)域降雨侵蝕力年內(nèi)分配曲線見圖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月三個月,占全年R值的60%～76%,5-9月5個月的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。長江上游地區(qū)平均年降雨侵蝕力值40 a間總體呈無明顯變化趨勢,但降雨侵蝕力年際變化存在明顯的空間差異性,長江源頭地區(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,其余地區(qū)呈增加趨勢。年降雨侵蝕力與年降雨量多存在一致的變化趨勢,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不一致。長江上游各區(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。

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圖6 長江上游主要氣候區(qū)多年平均降雨侵蝕力的年內(nèi)分配特征

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