廣西典型巖溶區流域降雨侵蝕力變化特征及影響因素研究

莫崇勛，藍華鯤，楊瑩，阮俞理，孫桂凱，黃亞

(1.廣西大學 土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004；2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530004；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004;4.北海藝術設計學院 建筑學院， 廣西 北海 536000)

0 引言

土壤侵蝕是現代農業面臨的主要挑戰之一，也是一種重大的環境危害。降雨侵蝕力作為土壤侵蝕的重要參數之一，在估算和模擬土壤侵蝕及其對社會和環境的綜合影響方面具有重要作用。全球氣候變化正在急劇變化，特別是降水發生的變化，其對土壤侵蝕產生的影響亦趨復雜。氣候變化直接影響區域水文循環變化，水文循環氣象要素的年內/年際間變化已日趨復雜[1-3]。變化環境下降雨量的研究為區域水資源的合理配置、開發、利用和災害預警提供了一定的科學依據[4]，降雨是驅動土壤侵蝕的重要因素[5]，降雨侵蝕力特征變化研究與區域降雨變化有著密切聯系。因此，研究變化環境下降雨量及降雨侵蝕力的變化特征具有重要意義。

當前國內外很多學者對降雨及降雨侵蝕力進行了大量分析，并取得了一定的成果。提出預測土壤流失的最佳單變量是風暴總降雨能量及其最大30強度的乘積，并且降雨侵蝕力是土壤方程USLE的主要影響因素之一[7]，RENARD等[8]研究發現降雨侵蝕力是土壤流失模型(the revised universal soil loss equation, RUSLE)的重要因子。降雨侵蝕力計算模型眾多，考慮到降雨侵蝕力的大小與降雨量、降雨強度、雨日數、暴雨數等降雨特征密切相關[9]，章文波等[10]提出了利用日降雨量估算降雨侵蝕力模型，與基于年、月尺度的降雨侵蝕力計算模型相比，日降雨資料易獲得，精度高，可以更好的反映降雨侵蝕力的特點[11]，因此得到廣泛應用。謝坤堅等[12]利用趨勢分析、氣候傾向率等方法研究了廣西降雨侵蝕力變化特征，發現大部分地區多年降雨侵蝕力日趨增加；林杰等[13]利用M-K檢驗、重度極差法、變異系數等方法研究連云港市區域降雨侵蝕力的變化特征，結果發現該地區降雨侵蝕力分布集中在夏季；程金文等[14]研究了陜南地區近54 a降雨侵蝕力變化特征，結果表明陜南地區降雨侵蝕力變化規律為年內分布差異較大且年際變化較大；周琳等[15]對四川省1955—2015年降雨侵蝕力的年內時空變化趨勢特征進行了分析，結果表明四川省年內降雨侵蝕力與降雨量呈極顯著相關關系，降雨侵蝕力與降雨量的年內分布規律基本一致。上述研究極少涉及巖溶區流域，而中國西南地區廣泛分布巖溶區，其土壤侵蝕特性與其他區域顯著不同。喀斯特地區生態系統敏感度高，災變承受能力低，環境容量小，是典型的生態脆弱區[16]。澄碧河流域位于廣西壯族自治區百色市，是中國西南典型巖溶區流域。西南喀斯特地區的土壤侵蝕疊加了化學溶蝕、重力侵蝕和流水侵蝕的耦合作用，呈現地面流失和地下漏失的混合侵蝕機制[17-19]。鑒于此，論文基于典型巖溶區流域——澄碧河流域壩首站和平塘站1963-2017年逐日降雨量實測資料，對該流域降雨量和降雨侵蝕力時程變化、相關性及影響因素進行分析，以期為巖溶地區有效防治土壤侵蝕和制定科學有效的水土保持方案提供理論依據。

1 研究區域概況

澄碧河發源于廣西壯族自治區凌云縣境內，由縣城北水源洞流出，向南至彩架入洞，輾轉伏流約12 km，最終匯入澄碧河水庫，屬于珠江流域西江水系右江干流左岸一級支流。澄碧河水庫流域位于106°21′E～106°48′E，23°50′N～24°45′N，流域總面積2 087 km2，其中巖溶區面積400 km2，占流域面積19%，是中國西南典型巖溶區流域。澄碧河流域地處亞熱帶季風氣候區，夏熱冬溫，四季分明，季風發達。流域多年平均降雨量為1 560.0 mm，24 h最大降水量461.3 mm，降水主要集中在汛期。流域內共設有10個氣象站和兩個水文站，其中壩首和平塘水文站記錄有1963—2017年55逐日降雨資料，10個氣象站點逐日降雨資料存在缺失情況。因此，壩首站和平塘站逐日降雨數據對澄碧河流域壩首區域降雨侵蝕力的研究具有良好的代表性和合理性。澄碧河流域DEM及水文站分布如圖1所示，其中框選區域為澄碧河流域壩首區域。

圖1 澄碧河流域DEM及水文站分布

2 研究方法和數據來源

本文以澄碧河流域55逐日降雨資料為數據基礎，結合文獻[10]提出的降雨侵蝕力計算模型分析典型西南巖溶區降雨侵蝕力的變化特征及影響因素，主要從以下3個方面展開研究：①采用相對變率分析法[20]分析降雨量和降雨侵蝕力的年內穩定性特征；①采用趨勢分析方法和相關分析法分析[21]降雨量和降雨侵蝕力的年際變化特征；③最后利用交叉小波分析法研究降雨侵蝕力的影響因素。本章節僅介紹降雨侵蝕力模型計算方法及交叉小波分析方法。

2.1 降雨侵蝕力計算

本文降雨侵蝕力計算模型采用的是文獻[10]提出的日雨量計算降雨侵蝕力的簡易算法模型，按照月尺度統計得到R值。計算公式為

(1)

(2)

α=21.586β-7.189 1，

(3)

(4)

2.2 交叉小波分析

交叉小波分析可以直觀分析氣象和水文要素之間的相干性[23]，且已有研究表明我國氣候受ENSO、太陽活動等大氣環流異常因子影響[24-25]。鑒于此，本文嘗試采用交叉小波分析探究多元ENSO指數(multivariate ENSO index, MEI)、海洋尼諾指數(ocean nino index, ONI)和太陽黑子三個大氣環流異常指標對澄碧河流域降雨侵蝕力變化的影響，文中分析所使用的交叉變換工具包括小波功率譜(cross wavelet, XWT)和小波凝聚譜(wavelet transform coherence, WTC)。

兩個時間序列x(t)和y(t)間的XWT定義為[26-28]

(5)

WTC的定義為

(6)

2.3 數據來源

本論文采用1963—2017年澄碧河流域壩首和平塘水文站逐日降雨資料；降雨侵蝕力影響分析中采用的氣候指標太陽黑子、MEI和ONI數據分別來源于美國航空航天局和美國大氣局物理科學實驗室。

3 結果與分析

3.1 年內分布特征

壩首站和平塘站多年各月降雨量與侵蝕性降雨量2，由圖2知，1963—2017年各月的降雨量和侵蝕性降雨量時間分布趨勢基本一致，降雨量和侵蝕性降雨量主要集中在5～8月，其中壩首站侵蝕性降雨量占全年侵蝕性降雨量的72.48%，平塘站侵蝕性降雨量占全年侵蝕性降雨量的75.07%。壩首站的多年平均月侵蝕性降雨量的最大值出現在6月，172.25 mm，平塘站的多年平均月侵蝕性降雨量的最大值亦出現在6月，值為234.89 mm。綜上所述，侵蝕性降雨的年內變化十分顯著，且年內分布不均勻，呈單峰型變化，侵蝕性降雨集中在汛期。此外，降雨量和降雨侵蝕力的相對變率可以表示降雨量和降雨侵蝕力的年內穩定性特征，對壩首站和平塘站月降雨和月降雨侵蝕力進行相對變率計算分析，降雨量和降雨侵蝕力相對變率如圖3所示。從圖3(a)可以看出壩首站降雨量相對變率最大值出現在12月份，達84.76%，可知壩首站12月份降雨量最不穩定，8月份相對變率最小，值為37.38%，壩首站8月份的降雨量最穩定；從圖3(b)可以看出平塘站降雨量相對變率最大值亦是出現在12月份，達86.68%，可知平塘站12月份降雨量最不穩定，6月份相對變率最小，值為35.80%，平塘站6月份的降雨量最穩定；從圖3(c)可以看出壩首站降雨侵蝕力相對變率最大值出現在12月份，達149.09%，可知壩首站12月份降雨侵蝕力最不穩定，8月份相對變率最小，值為53.25%，壩首站8月份的降雨侵蝕力最穩定；從圖3(d)可以看出平塘站降雨侵蝕力相對變率最大值亦是出現在2月份，達145.45%，可知平塘站12月份降雨侵蝕力最不穩定，7月份相對變率最小，值為50.22%，平塘站7月份的降雨侵蝕力最穩定。

(a) 壩首站多年各月降雨量與侵蝕性降雨量

(a) 壩首站降雨量相對變率

3.2 年際變化特征

采用線性趨勢分析法對澄碧河流域壩首站和平塘站年降雨量和年降雨侵蝕力進行趨勢分析，壩首站和平塘站降雨量降雨侵蝕力年變化如圖4所示。從圖4(a)可以看出壩首站多年平均降雨量為1 099.12 mm，年最大降雨量為1 636.50 mm，年最小降雨量為721.00 mm，壩首站降雨量年際變化總體上呈現下降趨勢；從圖4(b)可以看出平塘站多年平均降雨量為1 320.67 mm，年最大降雨量為2 293.90 mm，年最小侵蝕性降雨量為816.00 mm，平塘站降雨量年際變化總體上也是呈現下降趨勢。通過上述數據可以看出，澄碧河流域降雨侵蝕力R值和降雨量年際變化總體呈現下降趨勢，且降雨侵蝕力R值的年際變化更強烈，變化幅度更大。總體說來，澄碧河流域壩首區域降雨侵蝕力和降雨量的年際波動明顯，逐年的變化幅度較大且不均勻。從圖4(c)可以看出澄碧河流域壩首站多年平均R值為6 879.13 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，壩首站年最大R值為14 720.19 (MJ·mm)/(hm2·h)，年最小R值為3 443.76 (MJ·mm)/(hm2·h)，壩首站降雨侵蝕力總體呈現下降趨勢；從圖4(d)可以看出平塘站多年平均R值為9 507.43 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，年最大R值達到21 023.35 (MJ·mm)/(hm2·h)，年最小R值為4 796.31 (MJ·mm)/(hm2·h)，平塘站降雨侵蝕力年際變化總體上呈現下降趨勢。

(a) 壩首站降雨年變化

3.3 相關性

1963—2017年間，澄碧河流域壩首站多年平均降雨量為1 099.12 mm，壩首站降雨侵蝕力變化范圍為3 434.76～14 720.19 (MJ·mm)/(hm2·h)；平塘站多年平均降雨量為1 320.67 mm，平塘站降雨侵蝕力變化范圍為4 796.31～21 023.35 (MJ·mm)/(hm2·h)。圖5所示為壩首站、平塘站降雨與降雨侵蝕力相關關系。從圖5中可以看出壩首站和平塘站的多年降雨量與降雨侵蝕力之間呈顯著正相關關系，R2值分別為0.89和0.85，二者擬合效果較好。分別計算壩首站、平塘站降雨和降雨侵蝕力的皮爾遜相關系數，其中壩首站為0.923，平塘站為0.941，同樣證明澄碧河流域的降雨與降雨侵蝕力兩者極其顯著相關。

(a) 壩首站降雨與降雨侵蝕力相關關系

3.4 影響因素

3.4.1 MEI對降雨侵蝕力的影響

壩首站、平塘站降雨侵蝕力與MEI的交叉小波能量譜如圖6所示，從圖6(a)可以看出，70年代初在小波功率譜高能量區存在3.1～3.9的周期，降雨侵蝕力和MEI相關顯著，存在負相位的相關關系，1984—1990年和1992—2001年在小波功率譜高能量區存在3.5～4.3和4～5的周期，降雨侵蝕力和MEI相關顯著，且存在正相位的相關關系；從圖6(b)可以看出，壩首站1994—2006年在低能量區顯著周期為6.1～6.5，存在正相位的相關關系。從圖6(c)可以看出，70年代初在小波功率譜高能量區存在3.1～3.9的周期，降雨侵蝕力和MEI相關顯著，存在負相位的相關關系，1983—1990年和1995—2001年在小波功率譜高能量區存在3.6～4.2和3.9～5.1的周期，降雨侵蝕力和MEI相關顯著，且存在正相位的相關關系；從圖6(d)可以看出，平塘站1981—2015年在低能量區顯著周期為3.0～7.1，并存在正相位的相關關系。

(a) 壩首站降雨侵蝕力和MEI交叉小波功率譜

3.4.2 ONI對降雨侵蝕力的影響

壩首站、平塘站降雨侵蝕力與ONI的交叉小波能量譜如圖7所示，由圖7(a)可知，壩首站的降雨侵蝕力和ONI在1965—1973年存在2.2～3.8的顯著周期，存在負相位的相關關系，1984—1991年和1994—2001年分別存在3.6～4.2和5.5～6.1的顯著周期，此時間段降雨侵蝕力和ONI相關關系顯著，且為正相位相關關系；由圖7(b)所以看出，在低能量區，降雨侵蝕力和ONI在1993—2005年以6.3～7.2為顯著周期，同時1996—1998年疊加2.1～2.3，且正相位關系明顯；由圖7(c)可以看出,平塘站降雨侵蝕力和ONI具有的高能量區顯著周期2.5～3.7、3.8～4.2和6.0～7.0分布在1965—1971年、1983—1989年和1996—2002年；由圖7(d)可以看出，低能量區在1982—2015年顯著周期為3.1～7.5。

(a) 壩首站降雨侵蝕力和ONI交叉小波功率譜

3.4.3 太陽黑子對降雨侵蝕力的影響

壩首站、平塘站降雨侵蝕力與太陽黑子的交叉小波能量譜如圖8所示，由圖8(a)知，降雨侵蝕力和太陽黑子在1963—2013年的顯著周期為8～10.2，且存在負相位的相關關系；在低能量區[圖8(b)]，降雨侵蝕力和太陽黑子在1985—1997年以2.0～3.5為顯著周期，負相位關系明顯；由圖8(c)可以看出，平塘站降雨侵蝕力和太陽黑子具有的高能量區的顯著周期為8.2～12.9分布在1963—2003年，其中1963—1985年存在周期為8.1～12.9顯著正相關關系，在1985—2003年存在周期為9.1～10.5顯著負相關關系；由圖8(d)可以看出低能量區在1994—1998年顯著周期為2.9～3.8，同時在2009—2017年疊加有3.8～4.3的顯著周期。

(a) 壩首站降雨侵蝕力和太陽黑子交叉小波功率譜

由以上結果可以看出，降雨侵蝕力與大氣環流異常有著密切的聯系，且MEI、ONI、太陽黑子對降雨侵蝕力的影響大致相似，其周期和相關性基本相同。對于降雨侵蝕力的影響，太陽黑子最強，ONI次之，MEI最弱。

4 結論

① 壩首站和平塘站侵蝕性降雨與降雨侵蝕力的年內變化十分顯著，且年內分布不均勻，均為單峰型，主要集中在汛期，壩首站和平塘站的降雨侵蝕力傾向率均在6月達到最高。

② 壩首站和平塘站的降雨量和降雨侵蝕力年際變化極不均勻，存在較大的變幅，平塘站多年平均R值大于壩首站。

③ 澄碧河流域壩首站和平塘站降雨量和降雨侵蝕力之間存在顯著的正相關關系，R2值分別為0.89和0.85，皮爾遜相關系數分別為0.923和0.941。

④ MEI、ONI和太陽黑子對降雨侵蝕力均具有一定的影響，其中太陽黑子影響最大。在高能區，降雨侵蝕力和MEI及ONI存在正相位共振周期均為3～6，降雨侵蝕力與太陽黑子的共振周期為8～13；在低能區，降雨侵蝕力和MEI及ONI均存在3～7.5的正相位共振周期，與太陽黑子存在2.9～4.3的共振周期。

本文僅針對流域壩首區域展開研究，存在一定的局限性，建議進一步研究澄碧河流域降雨侵蝕力空間分布特征，為全流域水土流失防治、水土保持建設和生態修復等工作提供科學依據。