長江上游水蝕區降雨侵蝕力的時空分布特征

王愛娟，李智廣，劉 峰

（1．長江科學院 水土保持研究所，湖北 武漢430010；2．水利部 水土保持監測中心，北京100055；3．北京師范大學 地理與遙感科學學院，北京100875）

長江上游指湖北省宜昌市以上的長江流域范圍，干流長4 500km，流域面積1．01×106km2［1］，位于我國地勢第1，2級臺階的過渡帶和第2臺階上，高原山地占2／3，低山丘陵占1／3，地形破碎，構造復雜，滑坡、泥石流活動頻繁。受自然和人為因素影響，長江上中游山丘區水土流失加劇，長江流域成為我國7大江河中水土流失面積和年土壤侵蝕總量最大的流域。據統計，長江上游水土流失面積達4．96×105km2，水土流失區的年均侵蝕量為2．18×109t／a，該區山高坡陡，土層薄，雨量大而且集中，水土流失導致水源涵養能力降低，泥沙淤積，不僅造成土層變薄，甚至發生石漠化和砂礫化，土地生產力減退，農業生產環境的退化導致農村貧困，而且還對長江中下游航運，水資源綜合利用以及防汛抗旱帶來不利影響。

對于長江上游水土流失的有效治理是建立在對侵蝕機理及其空間分異規律認識的基礎上。降雨是影響土壤侵蝕的重要外營力之一，用降雨侵蝕力來衡量，它是通用土壤流失方程USLE中的一個基礎因子，指降雨導致土壤侵蝕發生的潛在能力，反映雨滴對土壤的擊濺分離以及降雨形成徑流對土壤沖刷的綜合作用［2］。降雨侵蝕力的計算和空間分布規律研究為土壤侵蝕模數的計算和土壤侵蝕規律的分析提供基礎。總結已有的研究發現，我國學者從量化降雨侵蝕力R值的角度建立了R值與次降雨、日降雨、月降雨、降雨動能等不同指標的簡易計算關系式［3－5］，并得到了很好的應用，長江上游的研究地區涉及貴州［6］、重 慶［7－8］、三 峽 庫 區［9］、湖 北［10］、川 西 北 丘 陵區［11］等，但是對于長江上游整個區域的分異規律研究至今沒有開展。本文以多年連續日降雨量資料為基礎，分析長江上游水蝕區降雨侵蝕力的時空分異規律，為認識長江上游土壤侵蝕的空間分異規律提供基礎。

1 研究方法

我國常規氣象臺站發布的都是逐日降雨資料，它是公開發布的最詳細的降雨整編資料，根據獲得的資料情況和降雨侵蝕力計算方法精度的比較，本研究選用以日降雨量計算降雨侵蝕力的方法。收集到長江上游區域涉及的7省市1980—2010年各縣共704個氣象站點的逐日降水量資料，其中，272個站點分布在長江上游水蝕區內。

不是所有降雨都引起土壤侵蝕，發生侵蝕的降雨稱為侵蝕性降雨［12］。根據雨量大小，Wischmeier等［13］擬定一次降雨量大于12．7mm時為侵蝕性降雨，15min內的降雨量超過6．4mm時也稱為侵蝕性降雨。謝云［14］根據黃河流域子洲團山溝實驗站的降雨徑流資料，擬定坡面侵蝕的侵蝕性雨量標準為12mm。根據收集到的降水量資料，剔除日雨量小于12mm的非侵蝕性降雨后，計算各氣象站24個半月降雨侵蝕力、年降雨侵蝕力和半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例等指標。為消除插值時的邊界效應，采用704個站點數據進行插值，分析時采用的是研究區272個站點的指標值。根據已有研究［4，6］，用逐日降雨量計算多年平均降雨侵蝕力在研究區的計算精度最高，公式如下［15］：

根據多年平均半月降雨侵蝕力計算多年平均年降雨侵蝕力：

計算多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例：

計算得到年降雨侵蝕力后采用Kriging內插方法［16］將各離散測站的降雨侵蝕力值進行空間內插，得到空間連續分布的降雨侵蝕力值，并繪制等值線圖。

2 結果與討論

2．1 長江上游侵蝕性降雨及降雨侵蝕力R值分布

通過計算研究區多年平均侵蝕性降雨量得到，該區侵蝕性年均降雨大多分布在600～1 200mm，以甘肅省舟曲縣和武都縣降雨量最小，多年平均降雨不到200mm，四川省峨眉山市的年均降雨量最大，達到1 685mm。長江上游有3個降雨高值區，位于四川省峨眉山市、貴州省畢節地區和湖北省宜昌市附近。峨眉山市位于四川省西南部，樂山市西，地處四川盆地西南邊緣，是盆地到高山的過渡地帶，地勢起伏大，屬亞熱帶濕潤性季風性氣候，受季風和地形抬升作用的影響，氣候濕潤，降雨豐沛。樂山市的年均降雨量也達到1 230mm。貴州畢節地處滇東高原向黔中山原丘陵過渡的傾斜地帶，屬于喀斯特地貌，地形西高東低，屬暖溫帶濕潤季風氣候。金沙、黔西和織金縣東部屬低中山丘陵地帶，織金縣的多年平均降雨量達1 380mm。湖北省宜昌市地處長江上游和中游交界，鄂西山區向江漢平原的過渡地帶，西部山區主要分布在秭歸、興山、長陽等縣，地形復雜，高低相差懸殊，屬亞熱帶濕潤季風氣候，強降水過程頻繁，多年平均降雨達1 160mm。總結發現高值區均出現在地形起伏較大的過渡地帶，因為受地形影響，暖濕氣流遇到高山等地形阻擋沿山坡抬升，水汽冷卻凝結導致地形雨造成降水量大。

在研究區所有272個站點中，多年平均年降雨侵蝕力R值最高的達到10 000MJ·mm／（hm2·h·a）以上，最大值在四川省樂山市為11 394MJ·mm／（hm2·h·a），甘肅省隴南的沙壩R值最小只有273MJ·mm／（hm2·h·a）。對各站點R值進行空間插值得到長江上游的降雨侵蝕力R值分布（圖1），從圖1中可見R值的分布趨勢與侵蝕性年均降雨的趨勢基本一致，R值分布呈現南部大于北部，東部大于西部，中間亦有高值區的現象，R值小于1 000的范圍很小，只在甘肅、陜西地區有，其余大多分布在4 000MJ·mm／（hm2·h·a）以上。R值分布也存在3個高值區，與降雨量的分布一致，主要受山地地形的影響，在盆地或平原和山區的過渡地帶，R值都出現高值。

圖1 長江上游降雨侵蝕力分布

Wischmeier等［17］通過分析降雨各影響因素和侵蝕量的關系發現最大30min雨強和降雨總動能的乘積與土壤流失量密切相關，并用其度量降雨侵蝕力因子。但是這2個指標在常規降雨資料中很難獲得，很多學者采用常規降雨資料建立了研究區域降雨侵蝕力的簡易算法，在其他區域應用時需要驗證。統計分析研究區704個站點的30a降水量和降雨侵蝕力資料，建立多年平均降水量與降雨侵蝕力之間的關系（圖2）得到：

R＝0．6278×P1．2708（R2＝0．80） （4）式中：R——降 雨 侵 蝕 力 〔MJ mm／（hm2·a）〕；P——年降水量（mm）。長江上游R值可以通過該關系式計算，也可以根據等值線圖讀取。

圖2 年均降水量與降雨侵蝕力的關系

2．2 降雨侵蝕力R值的年內分布

降雨侵蝕力年內分配的集中度對于分析土壤侵蝕的季節變化十分重要，以連續6個半月的最大R值與年平均R值的百分比來表示降雨侵蝕力年內分配的集中程度。在長江上游所有272個站點的降雨數據中該集中度均值為69%，說明降雨侵蝕力R值年內分布集中度較大。相對而言，陜西省的集中度最高為75%，湖北省和重慶市的降雨侵蝕力分布最均勻，集中度為59%。

用各月R值占年R值的百分比表示R值的月分布情況，得到多年平均降雨侵蝕力的年內分配曲線；計算月R值占年R值的累積百分比表示R值的月集中分布狀況。長江上游各省市5—10月的降雨侵蝕力占到年均降雨侵蝕力的93%。由圖3中可見，長江上游各省R值年內分配曲線峰頂較尖銳，貴州、湖北、重慶R值分布主要集中在5—8月，平均占到年均降雨侵蝕力的73%，甘肅、陜西、四川和云南的R值主要集中在6—9月，平均占到年均降雨侵蝕力的84%。所有省市集中度最大的月份都是7月。

圖3 各省市降雨侵蝕力R值的年內分布

3 結 論

降雨侵蝕力R值的空間分布不僅直接影響土壤侵蝕的空間分布，而且可用于模型中的生物措施因子值和多年平均土壤可蝕性K值的計算。利用長江上游水蝕區272個站點1981—2010年30a的降雨量資料計算了多年平均降雨侵蝕力R值，分析了長江上游水蝕區降雨侵蝕力的空間分布規律。

（1）長江上游水蝕區降雨侵蝕力R值范圍為273～11 394MJ·mm／（hm2·h·a）。

（2）長江上游R值的空間分布與降水量的空間分布特征相似，主要受地形的影響，有3個高值區，位于四川省峨眉山市、貴州省畢節地區和湖北省宜昌市附近。

（3）建立了多年平均降雨量和降雨侵蝕力R值的關系，相關系數R2達到0．80。

（4）研究區降雨侵蝕力的年內分布集中度較大，均值為69%，主要集中在5—10月。

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