三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕力變化趨勢及突變分析

汪言在，茍詩薇，張述林

（1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶400047；2.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京100081）

水土流失導致土壤退化、土地生產力降低，農業減產，影響全球生物化學循環乃至全球氣候變化［1－4］。降水作為水土流失的決定性因素［5］，其年際變化是氣候變化的重要信號［6］，氣候微小變化引起極端降水發生［7］，進而導致水蝕事件增多［6］，增大農業生產的不穩定性［8］，對糧食安全構成威脅［9］。研究者常使用降雨侵蝕力指標表征水蝕潛能［10］。該指標與降雨分布、降雨強度及雨量之間有密切關系，是反映水土流失對全球氣候變化響應的最佳參數［11－12］。降雨侵蝕力年際變化分析對評價水土流失潛在危險性、以及應對氣候變化具有重要意義［6］。

三峽庫區是我國水土流失最嚴重的地區之一［13］，其表現為水土流失面積廣，侵蝕強度大［14－15］，是三峽水庫的主要沙源地［16］。水土流失對三峽庫區農業生產［13］及長江中下游生態環境均有不同程度影響［17－19］。分析和評價三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕變化具有重要科學和實踐意義。目前對該區域降雨侵蝕力時間變化的研究少見于文獻，方法上也多以常規檢驗方法為主。本文選取三峽庫區（重慶段）沿江四個氣象站點1955—2010年共計56a的日降水數據，應用Mann—Kendall非參數檢驗方法分析三峽庫區降雨侵蝕力趨勢變化及突變特征，為三峽庫區（重慶段）水土流失防治提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

三峽庫區（重慶段）地理范圍為28°31′—31°44′N，105°49′—110°12′E，約占整個三峽庫區面積的80%。地跨大巴山斷褶帶、川東褶皺帶和川鄂湘黔隆起褶皺帶三大構造單元；地貌以山地、丘陵為主；屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，多年平均降雨量約為1 150 mm，土壤類型主要有紫色土、黃壤、水稻土等。研究區水土流失嚴重，2005年水土流失面積占全區總面積的48.6%［14］。

1.2 數據獲取

數據來自國家氣象局，選用氣象站點奉節站（站點號：57348），萬縣站（站點號：57432），涪陵站（站點號：57522）和沙坪壩站（站點號：57516）。涪陵降水數據時長為1955年1月1日—2008年12月31日，其余站點數據時長為1955年1月1日—2010年12月31日。氣象站點日降水數據有多種記錄形式，根據研究需要，并參考相關研究［20］，本文僅考慮降雨形成的降水量。

1.3 數據處理與分析

式中：M——某半月時段的降雨侵蝕力（MJ·mm）／（hm2·h）；Pj——半月時段內第j日侵蝕性降雨（侵蝕性降雨標準≥12mm）；k——半月時段內的天數；α，β——簡易模型參數，參數計算公式如下：

依據研究目標，首先計算年、季降雨侵蝕力值，然后就逐年降雨侵蝕力進行趨勢分析及突變檢驗。具體如下：

（1）年、季降雨侵蝕力計算。使用日雨量簡易算法計算逐年降雨侵蝕力［21］。

式中：Pd12——日雨量≥12mm的日均雨量（mm）；Py12——日雨量≥12mm的年均雨量（mm）。上述日雨量算法可直接估算季節及逐年降雨侵蝕力，該算法在我國南方地區具有較高的預測精度。計算奉節、萬縣、涪陵和沙坪壩氣象站逐年降雨侵蝕力，取四個站點相同年份降雨侵蝕力平均值，定義為三峽庫區（重慶段）逐年降雨侵蝕力。

（2）趨勢分析及顯著性檢驗。對于降雨侵蝕力序列x1，x2，…，x56，其變化趨勢可用 Kendall傾斜度β′表示，即單位時間內的變化量［22］，具體計算公式如下：

式中：xj，xk——j，k年的相應測量值（56≥k＞j≥1）。若β′＞0，表示降雨侵蝕力在該時段呈上升趨勢；若β′＜0，表示呈下降趨勢。

對于變化趨勢的顯著性，采用 Mann—Kendall非參數統計方法檢驗。該方法優點在于不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數異常值的干擾，且計算方便。以往常用于降水時間變化分析［22－23］。具體方法如下［24－25］：

對于降雨侵蝕力序列x1，x2，…，x56，Mann—Kendall法首先定義統計量S：

式中：xj，xk——j，k年的相應測量值（56≥k＞j≥1）。計算統計量Z值，進行統計檢驗。

式中：Z——符合正態分布的統計量；var（S）——方差。給定α置信水平，若︱Z︱≥Z1－a，則拒絕原假設，即在α置信水平上，降雨侵蝕力序列存在明顯上升或下降趨勢。由此來判斷降雨侵蝕力時間變化趨勢是否顯著。

（3）突變檢驗。突變檢驗主要檢驗時間序列的不連續性［26］，本文分析降雨侵蝕力序列的均值突變。突變檢驗的方法有多種［27］。本文采用Sequential Mann—Kendall檢驗方法［23，28］。

對于降雨侵蝕力序列x1，x2，…x56，構造秩序列：

其中

定義統計量：

式中：E（sk），var（sk）——sk的均值和方差，由以下公式計算：

按時間序列x逆序x56，x55，…，x1，重復上述（8）—（10）過程，同時使 UBk＝－UFk（k＝56，55，…，1），若UBk和UFk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻是降雨侵蝕力突變開始的年份［26］。根據上述方法，確定降雨侵蝕力突變顯著的年份及突變開始的年份。

2 結果與分析

2.1 多年平均降雨侵蝕力特征

三峽庫區（重慶段）1955—2010年降雨侵蝕力平均值為5 589（MJ·mm）／（hm2·h·a）（表1），屬中等強度侵蝕［29］。春、夏、秋季節降雨侵蝕力分別占全年降雨侵蝕力的24%、54%和21%。對于沿江各氣象站點年降雨侵蝕力，多年平均值范圍為4 688.24～6 567.17（MJ·mm）／（hm2·h·a），其中萬縣站年降雨侵蝕力多年平均值最大，涪陵站最小。夏季是三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕的主要季節（又以6月、7月比例最大），其次為春、秋兩季。夏季降雨侵蝕力占全年降雨侵蝕力比例范圍為50%～61%，其中奉節站比例最?。?0%），沙坪壩最大（61%），說明不同氣象站點降雨侵蝕力年內分布存在較大差異。本文分析三峽庫區（重慶段）年、季降雨侵蝕力變化的同時，也對各氣象站點年、季降雨侵蝕力變化特征進行初步探討，以獲取研究區降雨侵蝕力變化的空間異同。

表1 三峽庫區（重慶段）1955－2010年降雨侵蝕力統計特征

由極差和標準差看（表1），降雨侵蝕力年際差異較大。年與季節降雨侵蝕力時間序列均為正偏；年降雨侵蝕力與春季降雨侵蝕力偏度與峰度值偏小，服從正態分布，其余季節降雨侵蝕力不服從正態分布。

2.2 降雨侵蝕力變化趨勢分析

2.2.1 逐年降雨侵蝕力變化趨勢 三峽庫區（重慶段）年降雨侵蝕力（1955—2010年）呈增大趨勢（Kendall傾斜度β′值為15.19），但在0.05顯著水平下，該變化趨勢不顯著（表2）。研究表明三峽庫區近50a來降水量線性變化也不顯著［30－31］，本文使用 Mann—Kendall非參數檢驗方法對年降雨侵蝕變化檢驗結果與降水量變化一致，說明年降雨侵蝕力變化除與強降水變化有關，還與降水平均變化有關。沿江氣象站點年降雨侵蝕力時間序列Kendall傾斜度β′值均為正值（表2），說明氣象站點年降雨侵蝕力也呈增大趨勢。其中涪陵站Kendall傾斜度β′值最大（22.21），萬縣最小（0.07），即研究區內各站點年降雨侵蝕力變化存在空間分異。但趨勢顯著結果表明，在0.1顯著性水平下，僅有涪陵站降雨侵蝕力增大趨勢顯著。

表2 年降雨侵蝕力Kendall傾斜度β′

2.2.2 季節降雨侵蝕力變化趨勢 三峽庫區（重慶段）季節降雨侵蝕力（1955—2010年）時間變化趨勢結果顯示（表3），除秋季降雨侵蝕力減小外，其他三個季節均呈增大趨勢。其中夏季降雨侵蝕力增大幅度最大，Kendall傾斜度為17.85，且通過0.05顯著水平檢驗，說明三峽庫區（重慶段）夏季降雨侵蝕力56a來增大顯著。研究認為，重慶市近50a來夏季（汛期）降水有增加趨勢［32－33］，秋季降水呈減小趨勢［34］，這與本文季節降雨侵蝕力的變化趨勢近似，只是汛期和秋季降水變化未通過顯著性檢驗，說明降雨侵蝕力近56a來的變化是氣候變化的反映，但其對氣候變化響應的顯著程度明顯偏強。

氣象站點季節降雨侵蝕力變化趨勢結果顯示（表3），對于季節降雨侵蝕力Kendall傾斜度的數值大小，奉節、涪陵兩站春、夏季節數值明顯偏大；萬縣比其它三個站點明顯偏小。春季降雨侵蝕力變化趨勢顯示，涪陵和沙坪壩Kendall傾斜度均為正值，且通過0.05顯著水平檢驗，表明近56a來，這兩個站點降雨侵蝕力呈顯著增大趨勢；奉節、萬縣兩站點Kendall傾斜度均為負值，且未通過顯著水平檢驗（sig＝0.05）。夏季降雨侵蝕力變化趨勢為，奉節站降雨侵蝕力顯著增大（sig＝0.05），涪陵站也顯著增大（sig＝0.1）。對于秋季降雨侵蝕力變化，涪陵和沙坪壩Kendall傾斜度均為負值，且僅沙坪壩站變化顯著（sig＝0.1）；奉節、萬縣兩站點Kendall傾斜度則為正值，且變化不顯著。各氣象站點冬季降雨侵蝕力變化均不顯著。總體來看，奉節、涪陵和沙坪壩三個站點夏季降雨侵蝕力增大是導致整個研究區夏季降雨侵蝕顯著增強的主要原因。奉節、萬縣兩站春、秋季節降雨侵蝕力變化與涪陵、沙坪壩兩站差異較大，表現為傾斜度正負值相反，這與研究區地形有一定關系，沙坪壩、涪陵海拔較低，地勢平緩，萬縣、奉節地形復雜，坡度較大，強降水引起的降雨侵蝕變化較復雜。

表3 季降雨侵蝕力時間序列Kendall傾斜度β′

以20a為尺度，分析三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕力年代際變化（表4）。三峽工程動工（1994年）以來，三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕力多年平均值（1995—2010年）相比1955—1974年增大幅度為467.08（MJ·mm）／（hm2·h·a），但與1975—1994年多年平均值相比增大幅度僅為17.10（MJ·mm）／（hm2·h·a）。季節降雨侵蝕力變化結果顯示（表4），1995—2010年春、秋季降雨侵蝕力多年平均值相比 1955—1974 年、1975—1994 年 均 略 有 減 ??；1995—2010年夏季降雨侵蝕力則明顯增大，相比1955—1974年增大幅度達740.78（MJ·mm）／（hm2·h·a），相比1975—1994年增大幅度達到291.08（MJ·mm）／（hm2·h·a）。

由此可見，夏季降雨侵蝕力多年平均值增大是研究區年降雨侵蝕力增大的主要原因。這也說明，夏季（6—8月）降雨對全年水土流失潛在危險貢獻最大，1994年以來，夏季降雨侵蝕力呈增大趨勢，夏季水土流失防治亟待加強。

表4 三峽庫區（重慶段）降雨侵蝕力年代際變化

2.3 逐年降雨侵蝕力突變分析

2.3.1 年降雨侵蝕力突變分析 根據Mann—Kendall突變檢驗定義［26］，時間序列均值突變開始年份應為UF—UB曲線交點對應的年份，由圖1可知，三峽庫區（重慶段）年降雨侵蝕力突變出現的年份為1967年，即1967年后降雨侵蝕力開始增大，至1980s—1990sUF值超過臨界值，表明該時間段降雨侵蝕力增大顯著（sig＝0.05）。

圖1 研究區年降雨侵蝕力突變分析

2.3.2 季降雨侵蝕力突變分析 三峽庫區（重慶段）季節降雨侵蝕力突變結果顯示（圖2），春季降雨侵蝕力突變開始年為1955年，在1970s—1980s中期增大顯著（sig＝0.05）。夏季降雨侵蝕力突變開始年為1979年，在2000年后顯著增大。秋季降雨侵蝕力突變開始年為1957年，在1970s—1980s顯著增大。冬季降雨侵蝕力UF—UB曲線均未超過臨界線，說明冬季降雨侵蝕力未出現顯著變化?？傮w來看，春、秋季降雨侵蝕力突變開始年份在1950s末，在1970s—1980s顯著增大；夏季降雨侵蝕力突變開始年在1979年，在2000年后顯著增大，這一結果與上文1995—2010年降雨侵蝕力明顯偏大的結果一致。

各氣象站點降雨侵蝕力突變結果顯示（表5），年、季節降雨侵蝕力時間序列突變開始時間主要出現在1960s。降雨侵蝕力時間序列突變開始后，多數降雨侵蝕力時間序列顯著增大（sig＝0.05）。春、秋季節降雨侵蝕力顯著變化的站點數量較多，春季為涪陵和沙坪壩，對應研究區坡度較緩的地區；秋季為奉節和萬縣，對應研究區坡度較大的地區。夏、冬季節降雨侵蝕力突變顯著的站點只有奉節。該結果說明，地形對季節降雨侵蝕力變化具有明顯影響，奉節在夏、秋和冬季均發生顯著變化，與其他三個站點明顯不同，主要與奉節海拔較高，坡度較大有關，也說明奉節地區水土流失防治工作難度更大。

圖2 研究區季節降雨侵蝕力突變分析

表5 三峽庫區（重慶段）沿江氣象站點降雨侵蝕力突變檢驗

3 結論

（1）三峽庫區（重慶段）1955—2010年降雨侵蝕力呈增大趨勢，但趨勢不顯著（sig＝0.05），1995—2010年間年降雨侵蝕力多年平均值相比1975—1994年變化較小，而與1955—1974年平均值相差較大。研究區季節降雨侵蝕力變化趨勢上，僅夏季降雨侵蝕力顯著增大（sig＝0.05），夏季水土流失防治工作需進一步加強。

（2）三峽庫區（重慶段）年降雨侵蝕力突變開始時間為1967年；春、秋季降雨侵蝕力突變開始年多為1950s末，并在1970s—1980s顯著增大；夏季降雨侵蝕力突變開始年為1979年，在2000年后顯著增大，近10a是夏季降雨侵蝕潛能增大最明顯的時期。

（3）各氣象站點1955—2010年降雨侵蝕力均呈增大趨勢，僅涪陵站趨勢顯著（sig＝0.1）。奉節、萬縣站春、秋季節降雨侵蝕力變化與涪陵、沙坪壩存在差別。

（4）各氣象站點降雨侵蝕力突變開始年份多對應1960s，突變年后降雨侵蝕力呈增大趨勢。奉節在夏季、秋季和冬季都發生顯著變化，與其他3個站點差異最大，一定程度上與奉節站地形復雜有關。

致謝：寫作中得到北京師范大學環境學院閆冬同學的幫助，表示感謝！

［1］ 李月臣，劉春霞.三峽庫區水土流失問題研究［M］.北京：科學出版社，2011.

［2］ Renschler C S，Mannaerts C，Diekkrüger B.Evaluating spatial and temporal variability in soil erosion risk—rainfall erosivity and soil loss ratios in Andalusia，Spain［J］.Catena，1999，34（3／4）：209－225.

［3］ Ramos M C，Martinez J A.Nutrient losses from a vineyard soil in Northeastern Spain caused by an extraordinary rainfall event［J］.Catena，2004，55（1）：79－90.

［4］ 李月臣，劉春霞，趙純勇，等.三峽庫區重慶段水土流失的時空格局特征［J］.地理學報，2008，63（5）：502－513.

［5］ 王光謙，李鐵鍵.流域泥沙動力學模型［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［6］ Diodato N，Ceccarelli M，Bellocchi G.Decadal and century—long changes in the reconstruction of erosive rain fall anomalies in a Mediterranean fluvial basin［J］.Earth surface Processes and Landforms，2008，33（13）：2078－2093.

［7］ 張天宇，程炳巖，唐紅玉，等.21世紀重慶中雨以上天數的預估分析［J］.氣象科學，2010，30（2）：151－157.

［8］ 高陽華，居輝，Jan Verhagen，等.氣候變化對重慶農業的影響及其對策研究［J］.高原山地氣象研究，2008，28（4）：46－50.

［9］ 李永華，高陽華，張建平，等.氣候波動對重慶水稻產量的影響及其對策［J］.中國農業氣象，2008，29（1）：75－78.

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

［11］ Loureiro N S，Coutinho M A.A new procedure to estimate the RUSLE EI30index，based on monthly rainfall data and applied to the Algarve region，Portugal［J］.Journal of Hydrology，2001，250（1／4）：12－18.

［12］ Sepaskhah A R，Sarkhosh P.Estimating storm erosion index in southern region of I.R.IRAN［J］.Iranian Journal of Science＆Technology：Transaction B，Engineering，2005，29（3）：357－363.

［13］ 胡勇，張晟，鄭堅，等.三峽庫區水土流失狀況及防治對策［J］.安徽農業科學，2008，36（3）：1147－1149.

［14］ Shen Z Y，Gong Y W，Li Y H，et al.A comparion of WEPP and SWAT for modeling soil erosion of the Zhangjiachong Watershed in the Three Gorges Reservoir Area［J］.Agricultural Water Management，2009，96（10）：1435－1442.

［15］ 水利部，中國科學院，中國工程院.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，2010.

［16］ LU X X，Higgitt D L.Estimating erosion rates on sloping agricultural land in the Yangtze Three Gorges，China，from137Cs measurements［J］.Catena，2000，39（1）：33－51.

［17］ Jiao Nianzhi，Zhang Yao，Zeng Yonghui，et al.Ecological anomalies in the East China sea：impacts of the Three Gorges Dam［J］.Water Research，2007，41（6）：1287－1293.

［18］ Richard S.Three Gorges Dam：into the Unknown［J］.Science，2008，321：628－632.

［19］ Richard S.The Legacy of the Three Gorges Dam［J］.Science，2011，333（6044）：817.

［20］ 房巧敏，龔道溢，毛睿.中國近46年來冬半年日降水變化特征分析［J］.地理科學，2007，27（5）：711－718.

［21］ 章文波，謝云，劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究［J］.地理科學，2002，22（6）：705－712.

［22］ 徐宗學，張玲，阮本清.北京地區降水量時空分布規律分析［J］.干旱區地理，2006，29（2）：186－193.

［23］ 張生軍，王天明，王濤，等.新疆近50a來降水量時空變化及其突變分析［J］.中國沙漠，2010，30（3）：668－675.

［24］ 康淑媛，張勃，柳景峰，等.基于 Mann—Kendall法的張掖市降水量時空分布規律分析［J］.資源科學，2009，31（3）：501－508.

［25］ Hamed K H，Rao A R.A modified Mann－Kendall trend test for autocorrelated data［J］.Journal of Hydrology，1998，204（1／4）：182－196.

［26］ 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術［M］.北京：氣象出版社，2007.

［27］ 符淙斌，王強.氣候突變的定義和檢測方法［J］.大氣科學，1992，16（4）：482－493.

［28］ Zhang Qiang，Liu Chunling，Xu Chong－yu，et al.Observed trends of annual maximum water level and streamflow during past 130years in the Yangtze River basin，China［J］.Journal of Hydrology，2006，324（1／4）：255－265.

［29］ Silva A M.Rainfall erosivity map for Brazil［J］.Catena，2004，57（3）：251－259.

［30］ 周浩，楊寶鋼，程炳巖.重慶近46a氣候變化特征分析［J］.中國農業氣象，2008，29（1）：23－27.

［31］ 鄭剛，劉祥梅，郭志華，等.基于GIS的三峽庫區生態環境綜合評價—降水量變化［J］.中國農業氣象，2009，30（4）：486－491.

［32］ 劉毅，何金海，王黎娟.近40a重慶地區夏季降水的氣候特征［J］.氣象科學，2005，25（5）：490－498.

［33］ 葉香，陸維松，張天宇，等.近46a重慶汛期極端降水量異常特征［J］.南京氣象學院學報，2008，31（5）：646－654.

［34］ 周浩，李梗，程炳巖.重慶秋季降水特征及大氣環流異常分析［J］.氣象科學，2008，28（4）：444－449.