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 冬,郭祥

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

水土流失目前仍是長江上游地區突出的生態與環境問題,根據長江上游土壤侵蝕遙感調查資料(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,對定量評估和預報土壤流失量具有重要意義。目前應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。美國農業部頒發的各期農業手冊都編制了降雨侵蝕力圖表,以用于指導農業生產實踐。我國自20世紀80年代以來,利用雨強、日雨量、月雨量、年雨量等資料估算區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,應用到特定區域時數據精度偏低,難以應用于土壤侵蝕敏感性評估與土壤侵蝕量預測。

長江上游降雨的地域差異十分顯著,除了受大氣環流的控制外,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存在明顯差異。以氣象站多年日雨量整編資料為基礎計算降雨侵蝕力,并利用GIS空間分析功能,獲得長江上游降雨侵蝕力分布圖,為區域土壤侵蝕定量評估奠定基礎;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境背景,為水土流失治理提供決策依據。

1 計算方法

1.1 資料準備

對長江上游日雨量資料進行了廣泛收集,其中涉及117個氣象站(1961-2004年)和342個水文站(建站至1987年)。為了確保數據的精度,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以上的測站進行了補充選取。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I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標,并應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EI30計算降雨侵蝕力的方法以次降雨過程資料為基礎,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,即利用氣象站常規降雨統計資料來評估計算

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一,計算結果匯總后再將單位統一為[MJ?cm/(km2?h)];k——該半月時段內的天數;Dj——半月時段內第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,利用日雨量參數估計模型參數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據進行空間內插。首先對插值數據進行探索性數據分析,利用直方圖檢驗數據分布并進行正態變換,結合Voronoi圖和QQPlot分布圖區分出離群值,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練數據進行插值,并設置一定數量的檢驗數據以驗證插值結果的準確性,從而得到空間連續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,應用圖像分析工具分析降雨侵蝕力與年降雨、暴雨分布的關系。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,計算降雨侵蝕力的相對誤差變化范圍相對較小,模型表現更穩定,精度較高[14]。其簡易算法模型如下:

2 結果與分析

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。降雨侵蝕力大的區域與多雨中心、暴雨中心分布基本一致,主要出現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在四川盆地東北部的南江縣關壩,達到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雙峰波動增強的變化特征。如圖2所示,直門達以上最小,均小于50 MJ?cm/(km2?h?a);直門達至石鼓段略有增強,但仍小于100 MJ?cm/(km2?h?a);石鼓至宜賓段呈先增強后減弱的波形,峰值接近600 MJ?cm/(km2?h?a);宜賓至宜昌段呈先急劇增強后逐漸減弱的偏峰波形,峰值出現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值圖統計得到長江上游地區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、四川盆地及盆北山地區年降雨侵蝕力呈下降趨勢,西部山地、云貴高原區、三峽庫區降雨侵蝕力呈增加趨勢。降雨侵蝕力下降顯著區域集中在四川盆地丘陵區,平均10 a下降達20 MJ?cm/(km2?h)以上;降雨侵蝕力增加趨勢顯著的區域較分散,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、奉節等地,平均10 a增加20～50 MJ?cm/(km2?h)。

圖3 長江上游地區平均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,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,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趨勢,是由于這些地區暴雨增多的原因。

2.3 降雨侵蝕力年內分配特征

長江上游各區域降雨侵蝕力年內分配曲線見圖6,由曲線圖可以看出,除西部高山峽谷暖溫帶R值年內分配曲線呈鈍峰外,其余區域均為尖峰狀分布,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在7月,而盆西邊緣山地亞熱帶出現在8月,盆南邊緣山地亞熱帶出現在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,江源區一帶最小,且降雨侵蝕力大的區域與多雨中心和暴雨中心分布基本一致。長江上游地區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、四川盆地區及盆北山地區年降雨侵蝕力呈下降趨勢,其余地區呈增加趨勢。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,在一些地區年降雨侵蝕力的變化與年降雨量的變化趨勢不一致。長江上游各區域降雨侵蝕力年內分配曲線為尖峰狀分布,降雨侵蝕力十分集中,在短期內即可能產生較強的土壤侵蝕。

[1]崔鵬,張小林.中國水土流失防治與生態安全:長江上游及西南諸河區卷[M].北京:科學出版社,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 長江上游主要氣候區多年平均降雨侵蝕力的年內分配特征

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