甘肅省降雨侵蝕力時空變化特征研究

陳 平，李曉妤

（永昌縣國土資源規劃勘測室，甘肅 金昌 737200）

1 概述

土壤侵蝕已經成為中國最重要的環境問題之一，隨著國家對生態和資源領域的重視，土壤侵蝕防范治理已成為當下較為迫切的問題[1]。土壤侵蝕按照作用力可分為水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕和重力侵蝕，其中水力侵蝕在中國占據的比例是侵蝕類型中最高的，而降雨是發生水力侵蝕的主要因素[2]，降雨侵蝕力大小直接反映了土壤的侵蝕程度。

美國農業學者首次提出了以次降雨總動能E與30min最大雨強I30的乘積EI30，作為降雨侵蝕能力指標[1]。王萬忠等[2]通過科學方法驗證了威斯奇邁爾提出的計算降雨侵蝕力方法在中國仍然可以使用。但是鑒于計算降雨侵蝕力的大小需要詳細地記錄下連續降雨的過程情況，而我國傳統的氣象觀測現在條件簡陋，不夠全面。文波等[3-4]將全國71個具有代表性的氣象站降雨數據資料，對基于月降雨量的降雨侵蝕力計算方法模型進行了研究，其結果表明了多年平均降雨侵蝕力及其變化的趨勢，因此被廣泛的使用[5]。當前水土流失嚴重依舊是我國生態環境治理中比較突出的問題，在治理過程中氣候因素和降雨是造成土壤侵蝕的主要原因之一。

本文利用2008-2013年和2014-2019年的降雨數據，通過對甘肅省近年來降雨侵蝕力時空變化趨勢的計算和分析，采用月降雨量和年降雨量相結合的研究方法，總結了在國內外的目前研究的現狀，并對降雨侵蝕力的分析研究進行了討論。因此，分析研究甘肅省降雨侵蝕力的時間和空間變化規律和趨勢，對土壤侵蝕程度的評估以及揭示降雨的時空變化特征對甘肅省土壤侵蝕研究意義重大，有利于加強對甘肅省土壤侵蝕影響因素和時空分布特征的認識，還可以為當地科學有效制定水土保持措施和農業用地規劃提供借鑒與參考[6]。

2 研究區域和數據來源

2.1 研究區域

甘肅省位于黃河上游，東臨陜西，西通新疆，南達四川、青海，北靠寧夏、蒙古。全省面積45.37萬km2，占中國面積的4.72%[7]。大陸性特點顯著，冬冷夏熱，年溫差較大，降水相對集中，四季分明，年降雨量較少，大部分地區干旱少雨，降雨主要集中在夏末秋初[7]。自然環境復雜多樣，導致甘肅省土壤侵蝕類型在空間分布上錯綜復雜。隴東地區平坦遼闊的塬面上為微度侵蝕，但一到塬邊則突變為強度或極度水力侵蝕，隴中地區由于特殊的地形使土壤侵蝕細碎而復雜；在白銀市附近地區，存在多種侵蝕，其中水力和風力侵蝕互相交錯在一起；河西走廊地區地勢平坦，水力侵蝕能力十分有限，主要還是以風力侵蝕為主，其中而隴南、天水地區降雨造成的水力侵蝕最為嚴重。

根據近年來甘肅省水利廳關于土壤侵蝕的遙感調查結果，全省土壤侵蝕面積為30.82萬km2，占全省土地總面積的76.17%，主要類型同樣以水力侵蝕、風力侵蝕和凍融侵蝕二種為主[8]，其中水力侵蝕總面積達到15.20萬km2，占總侵蝕面積的50%左右[9]。甘肅省是一個生態環境相對惡劣的省份，由于干旱少雨，降水變率大，降水集中，地形等因素，導致甘肅省大部分面積為侵蝕面積（侵蝕面積達76.17%）。

2.2 數據來源

本文研究數據主要來源于中國氣象科學數據共享服務網，該平臺公開的氣候資料數據詳細收錄了甘肅省自1951年以來的常規氣象觀測站及自動站的降雨數據集，其原始數據文件經過較嚴格的質量控制和檢查，并對近十年部分統計數據進行了極值檢驗和時間一致性檢驗，并對己查出的錯誤記錄進行改正，本文選取地面氣候資料月值數據和年值數據相對集中的甘肅地區28個氣象站點月降雨量數據和年降雨量數據作為數據來源。

2.3 研究方法

本文研究利用了第一次全國水利普查水土保持專項普查使用的降雨侵蝕力的計算方法，該方法由章文波等[6，10，11]估算模型改進而來，其公式如下:

從每年的1月份至12月份，每1個月為1個計算時間段，一年共有12個時間段，每個月采用英文單詞命名，本文計算了月降雨侵蝕力以及每五年內平均降雨侵蝕力。逐月計算各氣象臺站的每月降雨侵蝕力和年平均降雨侵蝕力[13]，將結果導入ArcGIS構建基礎數據庫[13]。采用普通克里金方法[9-11]對平均降雨侵蝕力進行空間插值分析運算，插值柵格大小取30m×30m[14]。從時間和空間兩個維度對甘肅省降雨侵蝕力演變特征進行分析討論。以時間t為自變量，繪制折線圖就能得出各地區每月侵蝕力的變化趨勢。

3 結果與分析

3.1 甘肅省月降雨量及降雨侵蝕力的時間變化和空間分布特征

3.1.1 月降雨量及降雨侵蝕力的時間變化

甘肅省2008-2013年和2014-2019年各氣象站點的月平均降雨侵蝕力變化較為相似，時間上分布特征上也基本相似。圖1為2008-2013年和2014-2019年兩期月平均降雨及侵蝕力最小值和峰值的變化趨勢折線圖。從圖1可以看出2008-2013年最大降雨侵蝕力為180MJ·mm/（hm2·h·a），2014-2019年最大降雨侵蝕力為 230MJ·mm/（hm2·h·a），降雨侵蝕力呈現單峰型分布，7月是峰值拐點，超過7月后降雨侵蝕力逐漸下降。全年內1～4月和11～12月兩個時間段內降雨侵蝕力較低。隨著時間的變化，降雨侵蝕力在4～5月份開始上升趨勢較為明顯，9、10月份下降趨勢增加，表明了平均降雨侵蝕力在空間序列上相差較大，7月和8月之間差異最為顯著。

圖1 兩期月平均降雨侵蝕力變化趨勢折線圖

3.1.2 月降雨量及降雨侵蝕力空間分布

圖2和圖3所示為甘肅省月平均降雨量空間分布圖。可知，冬季（圖a）和春天（圖b）兩個季節降雨量比較稀少，主要原因是近年來無侵蝕性降雨發生，因此冬春季降雨侵蝕力較小，而夏季（圖c）和秋季（圖d）兩季降雨侵蝕作用力比較大。隴南和天水兩個地區降雨侵蝕力在7月左右達到最高值，其余地區在8月左右達到最高值；酒泉地區6～9月份降雨侵蝕力最小。2014-2019年年西北部降雨量和侵蝕性降雨量最小的地區為酒泉，進一步說明了南部隴南地區與其余各地區降雨侵蝕力誘因的差異，即隴南地區侵蝕性降雨比較頻繁，其余各地區侵蝕性降雨較為集中。

2008-2013年較2014-2019年的月平均降雨量有所增加，但總體的變化趨勢大體一致，具體變現為東南多，西北少，時間上分布集中在6、7、8、9月份，中部黃土高原地區降雨量基本持續在一個穩定的水平，河西走廊降雨量呈下降趨勢，蘭州、白銀及周圍地區降雨量有明顯較低。

圖2 2008-2013年月平均降雨量空間分布圖

圖3 2014-2019年月平均降雨量空間分布圖

3.2 甘肅省年降雨量及降雨侵蝕力分布特征

3.2.1 年平均降雨量分布特征

如圖4所示，2008-2013年甘肅省各氣象觀測站年均降雨量從東南部隴南地區的826.93mm逐漸下降至西北部酒泉地區的28.34mm；2014-2019年從829.94mm下降至24.91mm。隴南、天水、甘南等地區年降水量比較豐富，而隴東地區有所減少，河西走廊地區年降雨量維持在一個穩定的水平當中，表現為干旱少雨。年平均侵蝕性降雨量從隴南地區一直遞減至張掖地區，表明了區域內各站點侵蝕性降雨量占全年降雨總量的比例有所不同，其中東南部的隴南地區、慶陽地區、定西地區等侵蝕性降雨量所占比例明顯高于西北各地區；說明東南地區降水量大于西北地區，強降雨頻率較高，武威、金昌、張掖等28個站點年平均降水量較小，而南部和天水地區偏多，總體性能較低，西北地區南部空間分布呈上升趨勢，其中南部地區年降雨量最大，達221.22mm。

圖4 2008-2013年和2014-2019年年平均降雨量空間分布圖

3.2.2 年平均降雨侵蝕力分布特征

由圖5可知甘肅省各站點近年來年均降雨侵蝕力的變幅為3334.27MJ·mm/（hm2·h）～22.70MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蝕力空間分布特征總體表現為東南偏高西北偏低。150MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與200mm年均降水量等值線接近；2000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與400mm年均降水量等值線接近；3000MJ·mm/（hm2·h·a）年均降雨侵蝕力等值線大致與 800mm 年均降水量等值線接近，說明甘肅省東南地區年均降雨侵蝕力一般高于 2000MJ·mm/（hm2·h·a），中部地區年均降雨侵蝕力一般介于 150～2000MJ·mm/（hm2·h·a）之間，西北部地區年均降雨侵蝕力一般小于150MJ·mm/（hm2·h·a）。

3.3 甘肅省降雨侵蝕力的年際變化

為了分析甘肅省2008-2013年和2014-2019年降雨侵蝕力的年際變化分布特征（如圖5所示），在甘肅省對一些具有代表性的氣象站進行了定量分析，在這些氣象站中隴南、天水和甘南等周圍各氣象站年降雨侵蝕力呈上升趨勢；酒泉、敦煌和嘉峪關呈下降趨勢；蘭州、臨夏近年來降雨侵蝕力變化趨勢很不明顯。從這些代表性氣象站的分布位置和變化趨勢來看，甘肅省的大部分地區年降雨侵蝕力呈增加趨勢，張掖周圍地區年降雨侵蝕力在近年來無太大的變化，只有少數地區年降雨侵蝕力存在下降的趨勢。

4 結論

1）甘肅省年均降雨侵蝕力基本在380.20MJ·mm/（hm2·h）～3334.27MJ·mm/（hm2·h）之間，降雨量分布具有顯著的地域性和時間性，中西北地區降雨量較小，南部地區降雨量豐富，從高緯度到低緯度、從高海拔到低海拔遞增。經過兩期降水數據資料的對比，呈現出明顯的南多北少的現象，其空間變化的總體趨勢大致從東南向西北遞減。其中蘭州地區、武威地區、金昌地區侵蝕性降雨集中，隴南地區和天水地區較高，其他地區較低。

2）甘肅省降雨侵蝕力年內分布高度集中，雨季主要集中在下半年，時間分布為夏季多冬季少，下半年的降雨侵蝕力占全年的80.4%，集中在6～9月份，呈顯著的單峰型分布，近10年來冬季幾乎沒有侵蝕性降雨發生。從空間分布上看，隴南地區和天水地區年內最大降雨侵蝕力出現在7月份，其余各地區均出現在8月份。