新疆伊犁河谷降雨侵蝕力時空變化分析

孫國軍，李衛(wèi)紅，朱成剛

(1.河西學(xué)院歷史文化與旅游學(xué)院, 甘肅 張掖 734000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

20世紀以來，全球不同地區(qū)都經(jīng)歷了升溫的過程，中緯度地區(qū)變暖尤為明顯，全球氣候變暖將會加大極端氣候水文事件發(fā)生的頻率和強度[1]。溫度和降水的高位震蕩，使得強降水事件、大雨日數(shù)、強降水量等降水極值事件均表現(xiàn)為增加趨勢，導(dǎo)致極端水文事件呈增加趨勢。最新研究表明，西北干旱區(qū)氣溫升溫明顯，是中國平均氣溫升溫速率的1.39倍，是全球氣溫平均升溫速率的2.78倍。在全球變暖的背景下，西北干旱區(qū)極端氣候水文事件的頻率和強度增加得更為明顯[2]。

降雨是引發(fā)土壤侵蝕的最主要的外營力，是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要動力因素之一[3]。降雨侵蝕力是雨滴擊濺及降雨所產(chǎn)生的徑流引起的潛在侵蝕能力，該值可通過經(jīng)典算法和簡易算法獲得。Wischmeier等利用徑流小區(qū)的實測資料，發(fā)現(xiàn)次降雨動能E與30 min最大雨強的乘積與土壤侵蝕之間相關(guān)性較高，并以此作為評估降雨侵蝕力的主要經(jīng)典方法[4]。在中國，王萬忠等基于140多個重點站R值分析，發(fā)現(xiàn)該經(jīng)典算法同樣適用于中國[5]。由于降雨動能和最大30 min降雨強度等參數(shù)值獲取較難，因此許多學(xué)者開始利用氣象站點的常規(guī)降雨資料構(gòu)建R值的簡易算法[6]。基于不同時間尺度的降雨數(shù)據(jù)，國內(nèi)眾多學(xué)者建立了基于年降雨量、月降雨量、日降雨量來估算降雨侵蝕力的簡易模型[4,7-8]。依據(jù)這些模型，眾多學(xué)者對國內(nèi)降雨侵蝕力進行研究，這些研究區(qū)主要集中在降雨量較多的南方地區(qū)和水土流失嚴重的黃土高原區(qū)，而西北干旱區(qū)因降雨少，研究較少[9-10]。伊犁河谷位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部，是西北干旱區(qū)降雨量最多的地區(qū)，被稱為“瀚海濕島”，輕度以上土壤侵蝕面積為1.63萬km2，占總面積的29.07%，土壤侵蝕極其嚴重[11]，因此研究其降雨侵蝕力變化具有重要意義。

目前，有關(guān)伊犁河谷降雨侵蝕力研究主要以年為時間單位，刻畫降雨侵蝕力的時空變化特征[12]。但是，伊犁河谷土壤侵蝕主要集中的春、夏兩季，主要由該季節(jié)內(nèi)強降雨引起，降雨侵蝕力的年際變化研究已經(jīng)很難滿足科研和實際要求。因此，本文以伊犁河谷10個氣象站點日降雨資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用降雨侵蝕力模型，分析了伊犁河谷降雨2000—2015年降雨侵蝕力年際變化特征，春、夏、秋、冬等4個季節(jié)變化特征，以期為伊犁河谷水土流失調(diào)查、水土保持規(guī)劃和生態(tài)保護等工作提供重要決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷地處42°14′16″～44°50′30″N，80°09′42″～84°56′56″E之間，位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部。天山西部多支脈和縱橫交錯的河流將其分割為伊犁谷地、鞏乃斯谷地、特克斯谷地、喀什河谷和昭蘇盆地等5個地域單元。在行政區(qū)劃上包括伊寧市和伊寧、霍城、察布查爾、鞏留、新源、尼勒克、特克斯、昭蘇等 8 個縣。溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4℃，年平均降水量417.6 mm。土壤類型多樣，主要為黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土和沼澤土[13]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)集為2000—2015年伊犁河谷10個氣象站點的逐日氣溫和逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，氣象站點分布見圖1。數(shù)據(jù)從中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站、新疆氣象局網(wǎng)站上下載。為了便于分析，依據(jù)低山區(qū)、中山區(qū)劃分標準[14]，按照伊犁河谷氣象站點的海拔高度，將伊犁河谷劃分為低山區(qū)和中山區(qū)(表1)。除了計算年降雨侵蝕力外，按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年1—2月)四季劃分標準，計算對應(yīng)的4個季節(jié)的降雨侵蝕力。

分布海拔/m代表站點數(shù)據(jù)年限低山區(qū)<1 000霍城、霍爾果斯、伊寧縣、伊寧、察布查爾、鞏留、新源2000—2015年中山區(qū)1 000～2 000尼勒克、特克斯、昭蘇

2.2 研究方法

2.2.1 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力R主要受到降雨量、降雨強度和降雨時長等因素的影響。Wischmeier and Smith定義了降雨侵蝕力算法。因其實用性強，這種算法在不同國家和地區(qū)得到廣泛的運用[15-16]。依據(jù)此算法，利用月降雨量和年雨量計算春、夏、秋、冬等4個季節(jié)降雨侵蝕力，以及年降雨侵蝕力。公式計算如下：

(1)

式中P——年降雨量，mm；Pi——月降雨量，mm；R——年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)。

2.2.2 氣候傾向率

在氣象要素分析中，一般用一元線性回歸方程系數(shù)表示氣候因子長期變化趨勢[17]。

y=a0+a1×t

(2)

式中，a1為回歸系數(shù)，在氣候?qū)W中，一般用a1×10表示氣候因子(氣溫、降水、濕度、風(fēng)速等)長期變化的趨勢，其單位為(/10a)。若a1為正，表明隨著時間的變化，氣溫、降水等氣候因子呈不斷增加的趨勢；若a1為負，表明隨時間的變化，氣溫、降水等氣候因子呈不斷減小的趨勢。a1的大小反映了氣溫、降水等氣候因子上升或者下降的速率。其計算公式為：

a1=rxt×σx/σt

(3)

式中σx——要素x的均方差；σt——時間序列的均方差；rxt——趨勢系數(shù)。

在氣象氣候中，一般用趨勢系數(shù)來判斷氣候因子長期的變化方向及變化程度，計算公式如下：

(4)

2.2.3 半變異函數(shù)和Kriging插值法

半變異函數(shù)客觀描述了變量之間相關(guān)程度，理論上兩變量距離越近，其相似性越強，與之對應(yīng)的是變異函數(shù)越小；兩變量距離越遠，其相似性越弱，與之對應(yīng)的是半變異函數(shù)越大[18]，即：

(5)

式中h——步長；r(h)——半變異函數(shù)，是區(qū)域化變量Z在點x處和點x+h處的方差一半值。

Kriging空間插值法以半變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析理論為基礎(chǔ)，通過已知采樣點的有限數(shù)據(jù)值，去估計空間上具有相關(guān)性的、未知采樣點信息特征的一種統(tǒng)計學(xué)方法，其主要計算過程如下：

(6)

式中Z(x0)——未知采樣點x0的值，是Kriging空間插值的預(yù)測值；Z(xi)——未知采樣點周圍已知采樣點xi的值，是實際的測量值；λi——未知采樣點與第i已知采樣點之間的權(quán)重，一般而言，當(dāng)未知采樣點與已知采樣點距離越近時，其權(quán)重值越大，反之，其權(quán)重值越小；n——已知采樣點的個數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 年均降雨侵蝕力的空間分布

依據(jù)公式(1)，首先計算每一個站點的月降雨侵蝕力，經(jīng)累加得到該站點的年降雨侵蝕力，求各個站點降雨侵蝕力平均值，得到多年平均降雨侵蝕力，通過Kriging外插法進行降雨侵蝕力空間插值，依據(jù)研究區(qū)邊界進行裁剪，得到伊犁河谷年均降雨侵蝕力空間分布(圖2)。圖2表明，伊犁河谷年均降雨侵蝕力呈西部地區(qū)小，東部地區(qū)高；平原地區(qū)小，山地地區(qū)高；迎風(fēng)坡高，背風(fēng)坡低的空間分布特征。伊犁河谷降雨侵蝕力空間分布與其多年平均降雨量空間分布特征極其相似[19]。從年均降雨侵蝕力分布看，年均降雨侵蝕力有2個高值區(qū)：①昭蘇縣全境和特克斯縣部分地區(qū)，年均降雨侵蝕力分布范圍在55.40～66.91 MJ·mm/(hm2·h)之間；②新源縣和尼勒克縣東部地區(qū)，年均降雨侵蝕力在51.37～60.58 MJ·mm /(hm2·h)之間。年均降雨侵蝕力低值區(qū)主要分布在霍城縣全境，伊寧縣和鞏留縣部分地區(qū)，年均降雨侵蝕力分布范圍在20.82～34.46 MJ·mm /(hm2·h)之間。

對伊犁河谷的年均降雨侵蝕力和年均降雨量進行統(tǒng)計分析(表2)。表2表明，伊犁河谷年降雨侵蝕力平均值為38.66 MJ·mm /(hm2·h)，標準差為13.07。與之對應(yīng)的是，降雨量分布范圍為249.59～491.97 mm之間，標準差為64.09。可以看出，伊犁河谷年均降雨侵蝕力和年均降雨量的變化較大。

表2 伊犁河谷年均降雨侵蝕力和年均降雨量統(tǒng)計值

侵蝕性降雨是引發(fā)土壤侵蝕的主要外營力， 而降雨的時空變化主要受控于氣候和地形因素。而經(jīng)度、緯度和海拔等是影響降雨時空分配的主要因素，也是影響降雨侵蝕力的重要因子[6]。因此，采用線性擬合方法分別繪制年均降雨侵蝕力與經(jīng)度、緯度、海拔、降雨量等之間的相關(guān)關(guān)系(圖3)。圖3表明，年均降雨侵蝕力隨經(jīng)度的增加而增加，隨緯度的增加而減小；隨著海拔升高而增大，隨降雨量的增加而增大。

3.2 降雨侵蝕力的年內(nèi)分布

依據(jù)公式(1)，計算伊犁河谷低山區(qū)、中山區(qū)各個氣象站點的季均降雨侵蝕力，求其降雨侵蝕力平均值及其所占的比重(圖4)。圖4表明：低山區(qū)季均降雨侵蝕力夏季最大，為10.49 MJ·mm/(hm2·h)；春季次之，為9.32 MJ·mm/(hm2·h)；秋季排第3位，為8.59 MJ·mm/(hm2·h)；冬季最小，僅為4.61 MJ·mm/(hm2·h)。中山區(qū)季均降雨侵蝕力夏季最大，為32.62 MJ·mm/(hm2·h)；春季次之，為15.38 MJ·mm/(hm2·h)；秋季排第3位，為5.66 MJ·mm/(hm2·h)；冬季最小，僅為1.20 MJ·mm/(hm2·h)。

3.3 降雨侵蝕力季節(jié)變化特征

依據(jù)公式(1)，計算低山區(qū)、中山區(qū)2000—2015年春、夏、秋、冬4個季節(jié)降雨侵蝕力隨時間變化趨勢(圖 5)。圖5表明，2000—2015年，低山區(qū)春、夏兩季降雨侵蝕力呈減小趨勢，其中，夏季減小趨勢微弱；而秋、冬兩季降雨侵蝕力呈增加趨勢，其中，冬季增加趨勢更大。低山區(qū)降雨侵蝕力回歸系數(shù)的絕對值表明，低山區(qū)春、夏、秋、冬4個季降雨侵蝕力變化中，春季變化趨勢最明顯，其次為夏季和秋季，而冬季變化趨勢最小。

2000—2015年，中山區(qū)春、夏、秋3個季節(jié)降雨侵蝕力也呈減小趨勢，冬季呈增加趨勢。其中，秋季減小趨勢微弱，夏季減小趨勢大，冬季增加更為強烈。中山區(qū)降雨侵蝕力回歸系數(shù)的絕對值表明，在中山區(qū)春、夏、秋、冬4個季節(jié)降雨侵蝕力變化中，夏季變化幅度最大，其次為春季和冬季，而秋季變化趨勢最小。

3.4 降雨侵蝕力年際變化特征

通過解析不同季節(jié)的降雨侵蝕力發(fā)現(xiàn)，2000—2015年，低山區(qū)、中山區(qū)春、夏、秋、冬等4個季節(jié)降雨侵蝕力均發(fā)生增、減變化，但是其年際變化位未知。因此，解析低山區(qū)、中山區(qū)年降雨侵蝕力隨時間變化具有十分重要的意義。為此，分別繪制低山區(qū)、中山區(qū)2000—2015年降雨侵蝕力變化趨勢(圖6)。圖6表明，2000—2015年，低山區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢， 中山區(qū)呈減小趨勢。回歸系數(shù)絕對值分析表明，中山區(qū)年降雨侵蝕力變化趨勢較大，低山區(qū)較小。

4 討論

伊犁河谷降雨侵蝕力時空分布的地域性和季節(jié)性差異明顯。這與其所處的地理緯度和氣候明顯相關(guān)。伊犁河谷其東、南、北均為高山環(huán)繞，呈喇叭口形狀，向西面敞開，地勢由東向西傾斜[13]。西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)和極地冰洋系統(tǒng)較濕氣流進入盆地后，受東南部高山攔截，在山區(qū)形成地形雨[2]。受此影響，降雨西部、平原偏小，而東部、山地偏高，降雨侵蝕力空間分布與之相同。伊犁河谷年內(nèi)降雨春夏兩季多、秋冬兩季少，所以降雨侵蝕力春夏高、秋冬小。因受全球氣候變化的影響，近50 a來，新疆天山西部地區(qū)氣候向暖濕轉(zhuǎn)變的信號較為明顯，增暖增濕特征明顯[19]，年降水量和極端降水量總體呈現(xiàn)明顯增加的趨勢[20]，在此背景下，伊犁河谷區(qū)潛在的土壤水力侵蝕將會加劇。未來，在區(qū)域規(guī)劃及治理上，伊犁山地河谷區(qū)，更應(yīng)加強對因降雨引起的滑坡、泥石流等其他次生災(zāi)害發(fā)生監(jiān)控與防治工作，而在季節(jié)上，更應(yīng)防范低山區(qū)秋、冬兩季因降雨引發(fā)的次生災(zāi)害。

5 結(jié)論

根據(jù)伊犁河谷10個氣象站點2000—2015年16 a逐日降雨資料，對河谷季節(jié)、年的降雨侵蝕力進行分析，得到以下結(jié)論。①伊犁河谷年均降雨侵蝕力降雨侵蝕力呈西部偏小，東部偏高；平原偏小，山地偏高的空間格局。②降雨侵蝕力四季分布不均，春、夏兩季降雨侵蝕力所占比重大，秋冬降雨侵蝕力所占比重小。③降雨侵蝕力四季未來趨勢變化中，低山區(qū)春、夏兩季降雨侵蝕力呈減小趨勢，而秋、冬兩季降雨侵蝕力呈增加趨勢；中山區(qū)春、夏、秋3個季節(jié)降雨侵蝕力也呈減小趨勢，冬季呈增加趨勢。④降雨侵蝕力年際未來趨勢變化中，低山區(qū)降雨侵蝕力呈增加趨勢，中山區(qū)呈減少趨勢。