萬州區降水對農業面源污染變化趨勢研究

程 瑤，牟新利，劉貴強，張 紅

(重慶三峽學院化學與環境工程學院，重慶 404100)

一、引言

降水形成的地表徑流，是水循環的一個重要途徑。當降水強度或年內降水次數增加時，地表徑流量也會增大，而農業生產中殘留在土壤中的農藥、化肥等大量污染物會隨地表徑流匯集到水系，擴大污染面積，造成更為嚴重的農業面源污染［1］。

暴雨是我國主要的災害性天氣之一［2］，它會加重農業面源污染，已成為制約農業發展的重要因素之一［3］。為了探討降雨徑流與農業面源污染發生的可能性以及潛在危害性關系，本文擬探討重慶市萬州區1955—2011年共計57年間的降水形成徑流的大小對農業面源污染的影響以及年內、年際間降水情況變化對農業面源污染的影響，旨在為治理農業面源污染提供理論依據和技術支持。

二、研究方法

1.研究區域

萬州區位于四川盆地東部，重慶市東北邊緣，境內河流縱橫，河流、溪澗切割深，落差大，高低懸殊，呈枝狀分布，多年平均氣溫17.7℃，最高年平均氣溫19℃，最低年平均氣溫17.6℃，多年平均降水1243 mm。

2.數據處理

在我國，一般規定日降水量達到25 mm時為大雨，其中達到50 mm稱為暴雨，達到100 mm的為大暴雨，若日降水量達到200 mm以上的則為特大暴雨［4］。據萬州1955年1月1日－2011年12月31日的日降水量的統計分析，參考有關文獻［5］，在三峽紫色土地區，一年中的土壤侵蝕主要是由數次降雨強度較大的暴雨造成的。根據降水強度分級標準分級，萬州降水強度大都為大雨和暴雨。所以本文選取25 mm以上作為統計量。

選擇建立下面的計量時間序列:(1)大雨(日降水量≥25 mm)降水總量數;(2)大雨(日降水量≥25 mm)日數;(3)最大大雨序列;(4)大雨強度(定義為大雨降水總量/大雨日數)。

3.數據處理方法

Mann-Kendal［6］是非參數統計檢驗的方法，其重點適用于水文、降水等的長期序列變化的趨勢是否具有顯著性。Mann-Kendal檢驗不用樣本遵循一定的分布規律，可以免于少數異常數值的干擾。驗證水文等非正態分布的數據，計算便捷，而且檢測范圍大，定量化程度顯著。在Mann-Kendal檢驗中，設時間序列Xt=(X1X2X3…Xn)是隨機變量，先確定Xj，Xk的關系，統計變量S的計算如下:

其中Sgn()為符號函數

趨勢檢驗設為Z，當n＞10時，其計算公式為:

在雙邊檢驗趨勢中，假設該序列無顯著的變化趨勢，在給定的α顯著水平，若 Z≥則假設成立，即無顯著趨勢。Z為正，系列有上升的趨勢，反之則為下降的趨勢。根據上述時間序列，觀察大雨年際均值和變化趨勢，根據年際變化規律采用的非參數Mann-Kendall統計檢驗法檢驗中的Z值進行趨勢判斷。Z值絕對值達到1.96代表在α=0.05水平達到顯著，Z為正值，序列具有增加的趨勢，Z為負值代表減少的趨勢。

三、結果與討論

1.大雨年內變化狀況

根據歷年各旬發生大雨的情況進行統計分析，得到大雨降水總量、大雨降水次數、最大大雨值，以及大雨強度的分布情況(圖1和圖2)。

圖1 萬州區大雨降水總量和次數年內分布

圖2 萬州區最大大雨值和強度年內分布

根據圖1可以看出萬州區大雨產生主要集中在每年4月下旬至9月下旬之間，其中在6月上旬、7月中旬和9月上旬形成3個高峰，最高的為7月中旬。57年中共有46次暴雨，大雨降水總量接近2743 mm，且降水次數也達到3個小高峰，分別為5月下旬的47次、7月上旬的53次、8月上旬的45次。由圖2可以看出，最大大雨值在萬州有4個時間段超過了150 mm，分別為6月上旬的178.5 mm，6月下旬的163.5 mm，7月中旬的199.3 mm和9月下旬的197.1 mm。7月中旬不僅大雨出現的次數多，同時最大的降水量也大，快達到特大暴雨的標準。

從圖4中可以看出，大雨的最大降水強度［7］主要集中在7月中旬和9月上旬，大雨強度分別達到了59.6 mm和56.9 mm，達到了全年最高值;從3月到12月，各旬降水強度都有不同程度的增加，總體水平呈增長態勢;兩者相比較可得，最大大雨值與大雨強度成正比關系，大雨強度越大，降水量也就越大，徑流也隨降水量增加，降水量減少，徑流強度也減少。圖中表明每年在這個時間段內長江流域大幅增加的降水量［8］會形成較大的地表徑流。因萬州處長江流域，地形復雜，且山地陡峭，故降水形成的地表徑流會沖刷地表，帶走大量泥土和污染物質匯集到江河、開闊地等，導致長江流域污染并增加面源污染。

由表1分析可知，萬州每年施肥時間集中在5月到7月，而此時段與最大大雨值及大雨的高峰期吻合。一旦降雨量過大，殘留在土壤和水中的化肥、農藥等就會隨著地表徑流遷移擴散，污染更多的水體。同時，萬州地區由于氣候條件會有大量降水，隨降水產生的徑流流進江河以及隨地表水滲入地下層或擴散到其他未被污染的地表，從而造成更大的面源性污染。

2.大雨年際變化趨勢

由表1結合Mann-Kendal統計檢驗法可知，年大雨降水總量和年大雨降水次數的Z值分別為0.52、0.95;年大雨強度、年最大大雨值的Z值分別為－0.71、－0.31，都為負值。Z值的絕對值都小于1.96，說明變化不顯著。由此可以得出57年間萬州區的年大雨降水總量、年大雨降水次數均有增加的趨勢，年大雨強度、年最大大雨值均呈現減小的變化趨勢，總體降水呈增加趨勢。分析得出年大雨降水次數影響年大雨降水總量，降水次數越多，降水總量越大，造成的地表徑流也相對較大。雖然大雨強度有所減小，但降水次數增加，大雨降水總量也增加，同樣也會形成較大的雨量。這表明在氣候變化下，萬州區的降水在增加，徑流量也隨著增大，表明潛在對面源污染影響的因素也相對增大。

然而在降水長期處于增加的趨勢下，污染物隨降水的滲流以及地表徑流等流入江河或其他未經污染的區域，進而會造成更大的環境污染，降水作用的滲透比自然情況下氮、磷、鉀的流動污染更快、更廣，造成的面源性更廣。在強降水的情況下，固體懸浮物以及細菌微生物等被徑流攜帶，從而滲入到土壤中。在降水較大時，如何做好降水引流以及污染物的處理是一個嚴峻的問題。加強對降水的預測，以及做好污染源的防控對農業面源污染的控制是一種有效的手段。

表1 萬州主要作物及施化肥、農藥時間

表2 萬州區大雨年際均值和變化趨勢

四、結論

1.萬州每年降水月份基本都在集中4月到9月，最大雨值和強度也在相同的時間，因此此時段的徑流量會變大。此時段正值農作物施肥施藥時期，因而農業面源污染情況會更加嚴重。

2.萬州每年的大雨降水次數增加，大雨降水總量增加，雖然增加趨勢不顯著，但降水量的增加會使徑流量增加，從而可能導致農業污染面積擴大。

［1］Zhenyao S，Hong Q.Parameter uncertainty analysis of the non-point source pollution in the Daning River watershed of the Three Gorges Reservoir Region［J］.Science of the Total Environment，2008，40(5):195 －205.

［2］何玉龍，吳古會，楊朝梅.貴州2009年6月7—9日暴雨過程特征分析［J］.貴州氣象，2012，36(2):17－20.

［3］張志奎，肖新成.經濟發展與農業面源污染關系的協整檢驗［J］.中國資源與環境，2012(1):57 －61.

［4］丁一匯，張建云.暴雨洪澇［M］.北京:氣象出版社，2009:1－2.

［5］涂恩強，廖曉勇，陳治諫，等.三峽庫區典型小流域降雨因子對產流的影響分析［J］.水土保持通報，2010，30(5):7－11.

［6］李保敏，張俊芝，吳旭，等.基于Mann-Kendall法和有序聚類法的徑流變化特征研究［J］.技術與應用，2012(2):38－44.

［7］李冰，潘安定.近50年來廣東不同強度降水的變化特征及其對農業的影響［J］.廣東農業科學，2011(5):182－188.

［8］王展，申雙和，劉榮花.近40a中國不同量級降水對年降水變化量的影響性分析［J］.氣象與環境科學，2011，34(4):7－13.