基于GIS的白洋淀流域降雨侵蝕力時空分布特征分析

王佳歡, 張晨星, 楊新兵, 楊文姬, 米秋菊

(1.河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000; 2.山合林(北京)水土保持技術有限公司, 水利部沙棘開發管理中心(水利部 水土保持植物開發管理中心), 北京 100038; 3.河北金洋環境科技有限公司, 河北 保定 071000)

土壤侵蝕作為當前我國面臨的眾多生態問題中最嚴重的一項，其引發因素包括降雨、地形、土壤、植被等，其中降雨引起的土壤水蝕是誘發土壤侵蝕的主要驅動力[1]。降雨侵蝕在于地表產生的點式擊濺以及徑流沖刷產生的綜合效應，除降雨的時間長短、強度大小、次數多少外，坡面徑流的流速、流量以及流態也會對降雨侵蝕的綜合效應產生影響[2]。關于土壤侵蝕的研究，國內外學者致力于土壤侵蝕模型的構建，1965年國外學者在通用土壤流失方程(USLE)應用中建立以小時為單位降雨強度與動能的數學關系，其結果可表征降雨的侵蝕強度，因廣泛應用于侵蝕計算而被定義為經典算法[3]。由于經典算法所需數據獲取與記錄難度較大，為簡化算法，學者們開始致力于新模型的研究[4]，就國內而言，在空間尺度上，王萬中[5-6]、章文波[7]、劉賦濤[8]等先后研究了中國降雨侵蝕力的計算與分布特征；在時間尺度上，賴成光[9]、Huang[10]等分別對珠江流域和長江流域的降雨侵蝕力時間特征進行了研究。

2017年國家成立雄安新區，提出“綠色生態，宜居新城”的生態定位，在這種情況下，防洪建設、水土保持、水資源調節等一系列生態工程成為新區規劃建設的重點，由于新區地處白洋淀流域腹地，上游河流均匯聚于此，生態工程建設無一不受制于大環境，因此，白洋淀流域生態建設成為新區發展的必要前提。高彥春[11]、溫靜[12]、張晨星[13]等先后對白洋淀流域環境因子變化規律、景觀特征及其動態變化進行了研究，為流域治理提供決策性支持。目前，涉及白洋淀流域的研究多集中于生態涵養及景觀變化方面，關于降雨侵蝕的研究鮮有報道，針對白洋淀流域生態戰略地位以及對于打造雄安新區所發揮的重要生態價值，本文應用日雨量模型開展白洋淀流域降雨侵蝕力研究，通過分析降雨侵蝕力空間、時間分布特征，闡明其分布原因，從而揭示其變化規律，旨在為流域內開展土壤水蝕研究、地質災害預警、水土保持建設提供科學參考，為雄安新區生態建設提供有力保障。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白洋淀流域位于中緯度地區(北緯38°01′—40°04′、東經113°40′—116°30′)，地跨京冀晉三地，為海河流域的二級流域，總面積33 877.64 km2。流域自西北向東南傾斜，西部為山地丘陵，區間山巒起伏，溝深谷遠，東部為平原，地勢平坦，高程跨度0～2 781 m。該流域地處溫帶季風氣候區，大陸性較強，多年平均氣溫為13.3℃，1月份氣溫較低，平均氣溫達-4.5℃，7月份氣溫較高，平均氣溫達26.7℃，年均降雨量約500 mm，多集中于6—8月份，全年無霜期138～192 d。白洋淀素有“九河下梢”之稱，源于大清河水系的9條河流均經淀區匯入渤海。土壤類型多樣，以潮土、褐土為主，主要植被類型為溫帶落葉闊葉林、針葉林以及針闊混交林等，優勢樹種包括側柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、油松(PinustabuliformisCarr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、槲樹(QuercusdentataThunb.)等。流域內交通發達、道路完備，其67%地區屬保定轄區，人口多分布于京廣線以東地區，2020年保定市生產總值3.4×103億元。

1.2 研究方法

降雨數據源于中國氣象數據網(www.data.cma.cn)，總共涉及流域內及周邊氣象站點64個，選取2003—2018年的逐日降雨數據。DEM高程數據源自地理空間數據云平臺(www.gscloud.cn)。各站點位置見圖1。

1.2.1 降雨侵蝕力計算 降雨侵蝕力計算方法源于日雨量模型[7]，具體計算方法如下：

(1)

式中:R半月為侵蝕力半月值;m為半月;Pk為半月內第k天12.0 mm以上的日雨量;m為半月內日雨量12.0 mm以上的天數;a與β均為日雨量模型參數。

α= 21.586β-7.1891

(2)

β= 0.836 3 + 18.144/Pd12+ 24.455+Py12

(3)

式中:Pd12為12 mm以上的日雨量平均值;Py12為日雨量12 mm以上的年降雨平均值,根據公式(1—3)可計算得到年降雨侵蝕力值。

1.2.2 降雨侵蝕力空間分布 基于DEM數據和《河北省水利志》，采用ArcGIS 10.2軟件中Spatial Analyst模塊的填洼、流向、流量、流域出水口、分水嶺、提取邊界線等水文分析工具，提取白洋淀流域邊界。通過對64個站點降雨侵蝕力插值分析得到空間上連續分布的柵格數據，根據生成的白洋淀流域邊界進行掩膜提取(柵格輸出分辨率30 m×30 m)，生成降雨侵蝕力空間分布圖。計算得到的氣象站點降雨侵蝕力采用SPSS 24.0進行線性逐步回歸分析，輸入因素包括緯度、經度、海拔。

1.2.3 降雨侵蝕力時間分布 時間分布包括年內分布和年際分布，年內分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(1月、2月和12月)，有研究表示，白洋淀流域存在周期為2～6年的降水變化規律[14]，結合前人研究成果，年際變化以4年為一周期，即2003—2006年、2007—2010年、2011—2014年、2015—2018年，通過傾向率[15]表示16年的年內變化和年際變化(具體計算方法如下)，采用ArcGIS克里金插值功能將分析結果反映到圖層上。

(4)

式中:yi為降雨侵蝕力值；xi為時間；a為降雨侵蝕力傾向率；b為計算所得回歸系數。

1.2.4 Mann-Kendall突變檢驗 Mann-Kendall法常用于檢驗時間序列下降雨突變特征顯著情況，具體計算方法如下：

x1，x2，…，xn為氣候序列，Sk為樣本i的xi>xj累計數(i≥j≥1)，定義統計量：

(5)

Sk均值與方差(假定隨機時間序列獨立)：

E(Sk)=k(k-1)/4

(6)

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72， 1≤k≤n

(7)

Sk標準化：

(8)

式中:UF1=0,反序列中UBk=-UFk(k=xn,xn-1,…，x1),UB1=0。

根據UF和UB繪制趨勢圖，氣候序列上升時UF或UB大于0，氣候序列下降時UF或UB小于0，UF與UB交點表示氣候序列發生突變的時間，交點值越過1.96水平線則上升趨勢顯著，交點前后所在區間表示突變區域，突變區域越過1.96水平線則突變顯著。

2 結果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間分布特征

由圖2可知，2003—2018年白洋淀流域年降雨侵蝕力范圍為909.62～3 358.38 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 284.54 (MJ·mm)/(hm2·h)，空間分布上呈東南和西北偏低、西南和東北偏高趨勢，從東南向西北延伸形成一條廊道分割兩個降雨極點(西南極點為阜平縣；東北極點為霞云嶺)，廊道上降雨侵蝕力呈先增后降趨勢，降雨侵蝕力極點位于望都縣、唐縣和定州市范圍內，其中，西南地區降雨侵蝕力大于2 800 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區降雨侵蝕力大于3 000 (MJ·mm)/(hm2·h)，而東南—西北方向上降雨侵蝕力范圍為909.62～2 800 (MJ·mm)/(hm2·h)。結合圖3分析，白洋淀流域高程范圍為0～2 781 m，東南地區地勢平坦，高程跨度0～100 m，西北地區峰巒疊嶂，高程跨度400～2 781 m，東南平原與西北山地交界的海拔起伏帶多為低山丘陵，高程跨度100～400 m，降雨極點多分布于低山丘陵地帶及其緊鄰的平原區，東南地區平原地帶高于西北地區山岳地帶，降雨侵蝕力在東南—西北高程變化梯度上先增后降。

圖2 研究區降雨侵蝕力空間分布

圖3 研究區DEM分布

2.2 降雨侵蝕力空間變化特征

由表1可知，單因子輸入中經度和海拔的降雨侵蝕力回歸方程均存在極顯著相關關系(p<0.001)，而緯度與降雨侵蝕力沒有明顯顯著關系(p>0.05)，雙因子輸入中緯度、經度、海拔任意雙因子的降雨侵蝕力回歸方程都達極顯著相關關系(p<0.001)，三因子輸入中因子與降雨侵蝕力同樣具有極顯著相關關系(p<0.001)。根據回歸方程R2值判斷，經度和海拔與回歸方程偏離較小，緯度偏離較大，隨著輸入因子的增多，R2值越大，說明多因子可更好地與降雨侵蝕力產生關聯。

表1 降雨侵蝕力線性逐步回歸分析

2.3 降雨侵蝕力時間分布特征

2.3.1 年內分布特征 由圖4可知，白洋淀流域春季(3—5月)降雨侵蝕力范圍為83.91～262.03 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均190.94 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南邊緣地區降雨侵蝕力較大，其他地區較小。夏季(6—8月)降雨侵蝕力范圍為650.77～2 719.00 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均1 826.75 (MJ·mm)/(hm2·h)，西北邊緣地區降雨侵蝕力較大，其他地區較小。秋季(9—11月)降雨侵蝕力范圍為184.43～445.29 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均325.75 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南地區、西北地區和中部地區降雨侵蝕力較大，西南和東北地區較小。冬季(1月、2月和12月)降雨侵蝕力范圍為0.16～3.91 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均1.77 (MJ·mm)/(hm2·h)，由西南向東北逐漸增大。總的來說，從春季到秋季，降雨侵蝕力峰值線由東南向西北再到東南移動，而冬季降雨侵蝕力呈不均勻分布。

2.3.2 年際分布特征 由圖5可知，白洋淀流域2003—2006年降雨侵蝕力范圍為862.91～2 726.92 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 053.79 (MJ·mm)/(hm2·h)，西南地區定州市、無極縣、行唐縣和東北地區易縣范圍內降雨侵蝕力較大，其他地區較小。2007—2010年降雨侵蝕力范圍為1 027.75～3 031.42 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 266.32 (MJ·mm)/(hm2·h)，西南地區曲陽縣、行唐縣、新樂市、靈壽縣、正定區和東北地區高碑店市、涿州市范圍內降雨侵蝕力較大，其他地區較小。2011—2014年降雨侵蝕力范圍為870.40～3 185.66 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 584.82 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區高碑店市、涿州市范圍內降雨侵蝕力較大，其他地區較小。2015—2018年降雨侵蝕力范圍為1 060.13～3 104.70 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均2 475.96 (MJ·mm)/(hm2·h)，東北地區霞云嶺、房山區范圍內降雨侵蝕力較大，其他地區較小。總的來說，2003—2010年降雨侵蝕力峰值地區偏向西南和東北地區，2011—2018年偏向東北地區。

圖4 不同季節降雨侵蝕力分布

圖5 不同年份降雨侵蝕力分布

2.4 降雨侵蝕力時間變化特征

2.4.1 年內變化特征 降雨侵蝕力的變化趨勢常以線性趨勢表示，即傾向率，通過對白洋淀流域2003—2018年各季節降雨侵蝕力傾向率進行插值得到流域內季節侵蝕力的變化分布圖。由圖6可知，白洋淀流域春季傾向率整體為正，范圍為34.49～69.55 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均49.81 (MJ·mm)/(hm2·h)，無極縣、深澤縣、安國市、蠡縣和肅寧縣范圍內傾向率較大，其他地區相對較小。夏季傾向率整體為正，范圍為34.60～293.88 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均162.84 (MJ·mm)/(hm2·h)，流域北方的靈丘縣、淶源縣和霞云嶺地區傾向率較大，保定市、高陽縣和蠡縣范圍內出現傾向率高于周邊地區的峰值結構，其他地區相對較小。秋季傾向率整體為負，范圍為-133.49～-60.30 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均-89.47 (MJ·mm)/(hm2·h)，阜平縣范圍內傾向率最大，易縣范圍內傾向率次之，其他地區相對較小。冬季傾向率整體為負，范圍為-0.13～-0.01 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均-0.07 (MJ·mm)/(hm2·h)，冬季傾向率變化甚微。整體上看，春夏兩季降雨侵蝕力逐年增加，而秋季逐年下降，冬季變化不明顯。

圖6 降雨侵蝕力傾向率分布

2.4.2 年際變化特征 由圖7可知，2003—2018年白洋淀流域降雨侵蝕力傾向率范圍為-49.48～129.22 (MJ·mm)/(hm2·h)，平均24.54 MJ·mm/(hm2·h)，說明16年來流域的降雨侵蝕力逐年遞增。流域降雨侵蝕力傾向率呈東北高、西南低的分布特征，其中，東北方向為61.22～129.22 (MJ·mm)/(hm2·h)，而西南方向為-49.48～0.56 (MJ·mm)/(hm2·h)，且多分布于石家莊轄區內，流域內其他區域傾向率基本為正值，并在唐縣、望都縣、定州市和阜平縣附近出現傾向率峰值結構。

2.4.3 Mann-Kendall突變檢驗 對白洋淀流域各年降雨侵蝕力進行分析(圖8)，得到其16年的變化趨勢，2003—2018年間UF統計量均≥0，說明降雨侵蝕力整體上為上升勢態，但UF統計量低于U0.05顯著性水平，說明流域的上升勢態不顯著。UF統計量和UB統計量在2003—2007年、2013—2016年兩個時間段內出現交點，交點絕對值均小于1.96，低于U0.05顯著性水平，因此，16年間白洋淀流域降雨侵蝕力不存在顯著性突變點以及突變區間。

圖7 研究區降雨侵蝕力傾向率分布

圖8 研究區降雨侵蝕力Mann-Kendall突變檢驗

3 討 論

3.1 降雨侵蝕力空間分布差異

白洋淀流域地形復雜多樣，氣候多變，各區域降雨侵蝕力存在不同程度變化，同時，白洋淀流域作為環京津水土流失重點防治區，深入了解流域降雨侵蝕力特征，可為及時落實水土保持措施提供依據。白洋淀流域地勢西北高、東南低，在保定阜平至北京霞云嶺一線上形成海拔起伏帶，東南暖氣流隨地勢升高而被抬升，伴隨氣團垂直向上運動的同時溫度降低，水汽凝結形成降雨，在風速和坡度增加的共同作用下，降雨效應更加明顯[16-17]，西北地區，東南暖氣流沿河谷向西北腹地深入，但西北方向海拔升高和太行山區背風坡增加的地形變化[18]抑制了氣流的前進，東部地區為廣袤平原，東南暖氣流受地形因素的抬升作用降低而向西北快速推進，降雨多匯聚于海拔起伏帶上，因此，本研究中西南、東北以及東南—西北方向上的中部地區降雨侵蝕力較大，西北山區和東南平原相對較小。降雨侵蝕力影響因素眾多，因而不同地區侵蝕力值大小也存在差異，賴成光等[9]對珠江流域展開研究，結果顯示，降雨侵蝕力隨經度增加、緯度降低而逐漸增大。劉斌濤等[19]對西南地區降雨侵蝕力與海拔關系進行研究，結果顯示，降雨侵蝕力變化趨勢在高海拔地區明顯增加，在低海拔地區明顯降低。本研究中，降雨侵蝕力雖與不同輸入因子相關關系存在差異，但與緯度、經度、海拔等三因子的相關關系最緊密，且與三者分別呈負、正、負的相關關系，出現該結果的原因在于白洋淀流域輪廓東西、南北距離差異小，其緯度跨度2°3′、經度跨度2°50′，且地形起伏地帶位于中部的東北—西南分界線上，致使降雨線呈東南—西北走向，隨緯度變大、經度變小、海拔升高，東南季風逐漸降低，侵蝕性降雨銳減。基于上述的線性逐步回歸分析，可為白洋淀流域降雨侵蝕力測算提供依據。

3.2 降雨侵蝕力時間分布差異

白洋淀流域氣候特點為雨熱同期，年內降水分配不均勻，年際降水同樣存在不確定性，由于該流域內存在洪災史，因此，研究降雨侵蝕力的時間分布特征可預防降水帶來的災害。年內分布中，流域降雨侵蝕力春季東南地區大、增長趨勢高，夏季西北地區大、增長趨勢高，秋季東南—西北方向大、降低趨勢低，冬季東北地區大、降低趨勢低，原因在于春季為雨季前季，東南暖氣流率先到達流域東南區域，雨季的到來使西北半干旱區相比其他地區雨量驟增程度大，而秋季受西伯利亞寒流影響降雨線向東南移動，冬季主要以降雪形成產生。在霞云嶺—阜平沿線上出現的秋季降雨侵蝕力以及傾向率變化可能是由局部地區地形地貌引起的水汽差異造成的，鐘科元等[20]對松花江流域降雨侵蝕力的研究結果顯示，山地區域的水汽差異可引起局部異于整體的現象。研究結果顯示，冬季降雨侵蝕力以及春季、冬季降雨侵蝕力傾向率均呈不均勻分布，原因在于流域內降雨侵蝕力及其傾向率的局部差異在大范圍內極易引起地域上明顯的變化，這種明顯變化造成分布上的不均勻。年際變化中，西南地區降雨侵蝕力整體上呈降低趨勢，東北地區整體上呈增加趨勢，造成西南地區降雨侵蝕力傾向率為負，東北地區傾向率為正，原因可能是東北方向受季風氣候、海平面高壓、太平洋氣流以及溫室氣體的影響大于西南地區[11]，同時，東北地區一側為低山丘陵半環形環繞，一側為山前平原，山間河谷呈喇叭口向東南開放，利于季風氣流長驅直入，地形因素也是導致東北地區多年降雨侵蝕力增大的重要原因。整體上流域的降雨侵蝕力呈逐年增加趨勢，但Mann-Kendall突變檢驗結果顯示該趨勢不顯著，說明流域降雨帶來的侵蝕變化平穩、波動小，干旱、洪澇等災害性年份少見。

4 結 論

2003—2018年白洋淀流域年降雨侵蝕力范圍為909.62～3 358.38 (MJ·mm)/(hm2·h)，東南—西北方向上變化趨勢為先增后降，而西南和東北地區降雨侵蝕力變化劇烈程度高于其他地區，通過分析站點降雨侵蝕力在空間上的分布規律發現，其值大小與緯度、經度、海拔的相關關系分別為負、正、負。降雨侵蝕力峰值線季節變化基本呈東南—西北方向移動，年際變化基本呈西南—東北方向移動；傾向率峰值線春季和夏季在東南—西北方向上移動，秋季、冬季和年際變化在西南—東北方向上變化。Mann-Kendall檢驗結果顯示，16年間的降雨侵蝕力變化不明顯。根據本研究結果，流域內海拔起伏帶的降雨侵蝕力以及西北山區夏季傾向率的變化均較大，該地區應提高水土流失防范意識，汛期積極落實相關措施，減少降雨侵蝕。