重慶市綦江區北部降雨量及降雨侵蝕力變化特征與趨勢分析

［關鍵詞］ 日雨量；降雨侵蝕力；變化趨勢；交叉小波分析；重慶市綦江區

［摘 要］ 降雨侵蝕力對土壤侵蝕定量預測和評估具有重要意義。采用日雨量侵蝕力模型、變異系數、M-K突變檢測和交叉小波分析等方法，研究重慶市綦江區三角鎮2016—2022年降雨量和降雨侵蝕力年際和年內變化規律，結果表明：①年降雨侵蝕力與年降雨量變化趨勢相同，均屬中等變異；年均降雨量和年均降雨侵蝕力分別為1 133.14 mm和4 416.44MJ·mm/（hm2·h），最大值和最小值均分別發生在2020年和2022年。②降雨量年內變化呈單峰式分布，4—10月降雨量占全年的78.07%，夏季侵蝕性降雨量達364.93 mm；降雨侵蝕力主要集中在5—8月。③年降雨侵蝕力在2016年、2018年和2021年發生突變，未通過置信水平90%顯著性檢驗；月降雨侵蝕力M-K檢驗統計值Z為-1.43，通過置信水平90%顯著性檢驗。④月降雨量與月降雨侵蝕力呈顯著正相關（R2為0.867 1），在2017年2月至2021年1月存在顯著共振。

［中圖分類號］ S157.1 "［文獻標識碼］ A "DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.014

［引用格式］ 王宏.重慶市綦江區北部降雨量及降雨侵蝕力變化特征與趨勢分析［J］.中國水土保持，2024（10）：49-54.

降雨是引起土壤水蝕的關鍵動力因子，降雨侵蝕力可反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，也是土壤侵蝕預測模型的重要指標［1-4］。研究降雨與降雨侵蝕力的時間變化趨勢和突變情況，有益于定量估算土壤侵蝕量和合理規劃水土保持措施。

目前有關降雨侵蝕力的研究主要集中在不同量級降雨侵蝕力時空變化、降雨侵蝕力與侵蝕力密度評估、降雨侵蝕力變化規律及影響因素等方面［5-9］，研究方法主要包括建立模型、M-K突變分析、變異系數、熱圖與克里金法等［10］?；谌战涤炅康暮喴姿惴ㄒ蚱滟Y料獲取容易和計算結果與實際情況準確性較高，故得到廣泛應用。章文波等［4］提出的利用日雨量估算降雨侵蝕力的方法在長江流域、新疆維吾爾自治區、香溪河流域、重慶市、成都市等地運用效果良好［10-13］。其中：龐延杰等［11］研究發現，長江流域降雨侵蝕力與經度和年均降水量呈正相關關系，與緯度和海拔呈負相關關系。伊力哈木·伊馬木［12］研究發現，新疆多年平均降雨侵蝕力年內分配集中在春夏。鄒玉霞等［5］采用簡易模型計算1960—2017年重慶市降雨侵蝕力，結果表明降雨侵蝕力年內分配不均，年均降雨侵蝕力呈東高西低格局。吳明洋［10］研究發現，成都降雨侵蝕力具有顯著的季節性特征，集中在夏季。劉惠英等［13］發現，三峽庫區香溪河流域降雨侵蝕力年際分配差異顯著，最大年降雨侵蝕力值為最小年降雨侵蝕力值的3倍，多年平均降雨量和降雨侵蝕力經M-K檢驗無顯著變化趨勢。

本研究選擇重慶市綦江區三角鎮為研究對象，利用降雨監測數據，分析年際、年內、季節降雨及降雨侵蝕力狀況，研究降雨量及降雨侵蝕力突變趨勢，探明降雨與降雨侵蝕力的關系，以期為該區域和綦江流域水土流失調查、水土流失防治和土壤侵蝕風險控制提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

三角鎮位于重慶市綦江區東北部，是一個傳統農業大鎮，位于四川盆地東南邊緣，地形以山地、丘陵為主。屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降水量達1 060 mm，全年無霜期250～300 d。三角鎮境內主要河流為三角鎮河，全長37.6 km，年均流量3.2 m3/s。區域內坡耕地面積較大，水土流失嚴重，生態環境脆弱。據2016—2022年資料統計，年平均降雨量1 133.14 mm，最大年降雨量1 580.50 mm（2020年），最小年降雨量790.50 mm（2022年）［14］。

1.2 數據來源與處理

利用三角鎮的魚欄咀庫區中小河流簡易雨量站獲取2016—2022年的逐日降雨資料，基于日降雨數據計算三角鎮半月降雨侵蝕力，匯總獲得月降雨侵蝕力、年降雨侵蝕力和多年平均降雨侵蝕力。春、夏、秋、冬分別指3—5月、6—8月、9—11月和12月到翌年2月。降雨量、年降雨侵蝕力統計分析采用Excel 2010軟件，M-K突變檢測和交叉小波分析使用MATLAB軟件，繪圖使用Origin 2021軟件。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨侵蝕力計算

采用章文波等［4］提出的日降雨量侵蝕力模型計算三角鎮降雨侵蝕力，該模型廣泛應用于長江流域和三峽庫區的降雨侵蝕力計算［13］。計算公式為

Ri=α∑kj=1（Pj）β（1）

α=21.586β－7.189 1（2）

β=0.836 3+18.144Pd12+24.455Py12（3）

式中：Ri為第i個半月時段內降雨侵蝕力，單位MJ·mm/（hm2·h）；Pj為半月時段內第j天侵蝕性日降雨量（≥12 mm的降雨量），單位mm；k為第i個半月內日降雨量≥12mm的降雨日數，單位d，半月時段以每月前15 d為一個半月時段，剩下為另一個半月時段［3］；α、β為模型計算參數；Pd12為≥12 mm日降雨量，單位mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年均降雨量，單位mm。

1.3.2 M-K突變檢測

Mann和Kendall提出的M-K檢驗法具有不需要樣本服從正態分布和不受少數異常值干擾的優點，適用于氣候變化趨勢分析［15-16］。

本研究采用其檢驗年、月降雨量和年、月降雨侵蝕力變化趨勢和時間突變。

1.3.3 變異系數分析

采用SPSS進行變異系數（CV）分析，其大小能反映要素的離散程度。CV≤10%為弱變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV≥100%為強變異［17］。

1.3.4 交叉小波分析

交叉小波可揭示兩序列在高能量區的位相關系，發現兩時間序列的變化特征和耦合波動，本研究在MATLAB軟件中采用交叉小波分析降雨侵蝕力與降雨量的關系［18-19］。

2 結果與分析

2.1 降雨量與降雨侵蝕力年際變化

三角鎮2016—2022年平均降雨量為1 133.14 mm，年均降雨侵蝕力為4 416.44 MJ·mm/（hm2·h）。年降雨侵蝕力與年降雨量7 a間變化趨勢基本相同（見圖1），最大值均發生在2020年，分別為7 824.45 MJ·mm/（hm2·h）和1 580.50 mm，最小值均在2022年，分別為1 722.79 MJ·mm/（hm2·h）和790.50 mm。最大年降雨量分別是年均降雨量和最小年降雨量的1.39倍和2.00倍，年際差異較大。多年平均侵蝕性降雨量為712.79 mm。年均降雨侵蝕力和年均降雨量極值比分別為1∶4.54和1∶2.00，說明年均降雨侵蝕力變化幅度較大。年均降雨量和年均降雨侵蝕力變異系數分別是21.69%和41.33%，均屬于中等變異，但年均降雨侵蝕力變異系數接近年均降雨量的2倍，進一步表明降雨侵蝕力年際變化劇烈。

2.2 降雨量與降雨侵蝕力年內變化

由表1可知，三角鎮降雨集中在4—10月，降雨量年內變化呈單峰式分布，該時段降雨量占全年的78.07%；年內侵蝕性降雨主要集中在5—9月，占年總侵蝕性降雨量的79.43%；夏季侵蝕性降雨量達364.93 mm，占年總侵蝕性降雨量的51.20%，春季和秋季侵蝕性降雨量分別為210.85、126.50 mm，占年總侵蝕性降雨量的29.58%、17.75%，冬季基本不發生侵蝕性降雨。

由表2可知，三角鎮降雨侵蝕力主要集中在夏季，占全年的59.23%，其次是春季，占25.90%，冬季的降雨侵蝕力最小，占全年的1.16%，表明降雨侵蝕力季節分布不均。春季5月及夏季（6—8月）降雨侵蝕力較大，達3 292.74 MJ·mm/（hm2·h），占全年的74.56%，說明該時期是三角鎮水土流失最嚴重的時候，應加強水土流失治理和減少開發建設。春季的3—4月和秋季的9—10月降雨侵蝕力占全年的23.17%。低值期為秋季的11月、冬季的12月和次年的1月，占全年的2.27%，無侵蝕期主要發生在次年的2月，表明該時期可開展坡改梯工程、基本農田建設等生產建設活動。另外，1月、3月、11月和12月的降雨侵蝕力變異系數均大于100%，屬強變異。

2.3 降雨量與降雨侵蝕力突變分析

年降雨量與年降雨侵蝕力變化的M-K檢驗Uf（正序列統計量）、Ub（反序列統計量）均存在3個較明顯交點，見圖2（a）和圖2（b）。年降雨量突變點主要在2016年、2017年和2021年，年降雨侵蝕力突變點主要是在2016年、2018年和2021年。年降雨量和年降雨侵蝕力M-K檢驗的統計值Z分別為-0.90和-1.20，說明三角鎮年降雨量和年降雨侵蝕力隨著時間推移均呈減小趨勢。|Z|≥1.28或|Z|≥1.64時，分別表示通過置信水平90%和95%的顯著性檢驗，因此年降雨量和年降雨侵蝕力沒有通過置信水平90%的顯著性檢驗，減小趨勢不明顯［17］。對2016年1月至2022年12月共計84個月的月降雨量、月降雨侵蝕力進行M-K檢驗，所得結果見圖2（c）、圖2（d），由圖2（c）、圖2（d）可知，Uf、Ub曲線在2016年12月、2017年5月、2017年11月、2018年2月、2021年12月、2022年8月和2022年10月存在7個突變點，但月降雨侵蝕力僅2016年3月和10月存在突變點，這說明降雨侵蝕力不僅僅受降雨影響，還受其他因素影響。月降雨量和月降雨侵蝕力M-K檢驗的統計值Z分別為-1.19和-1.43，表明月降雨量和月降雨侵蝕力隨時間推移而減小，月降雨侵蝕力通過置信水平90%的顯著性檢驗。

2.4 降雨量與降雨侵蝕力相關性分析

對三角鎮2016—2022年月降雨量及月降雨侵蝕力進行線性擬合分析（見圖3）可知，擬合方程為y=6.313 9x-228.17，降雨侵蝕力與降雨量呈顯著正相關

（決定系數R2為0.867 1），說明降雨侵蝕力隨著降雨增大而增大。基于交叉小波分析得到月降雨侵蝕力與月降雨量相關關系結果，見圖4。由圖4可知，粗實線包圍區域通過95%置信水平紅噪聲標準譜檢驗，細弧包圍區域為小波影響錐內的有效譜值，色條右側的數字為相對功率譜值，箭頭為降雨與降雨侵蝕力間相位關系。箭頭基本指向右下方，說明降雨侵蝕力與降雨同相位且存在正相關關系，降雨侵蝕力滯后于降雨。降雨對月尺度的降雨侵蝕力有較強影響，降雨侵蝕力與降雨量在2017年2月至2021年1月（以10～14個月為周期）存在顯著共振，高能量區對應頻段相關性均呈正相關，主要原因是作為水土流失動力之一的降雨變化幅度大，故對降雨侵蝕力變化的影響較大。

3 討論

重慶市綦江區北部年降雨侵蝕力與年降雨量變化趨勢一致，均隨時間推移呈下降趨勢。本研究區域年均降雨量與年均降雨侵蝕力均屬中等變異，同時重慶年均降雨侵蝕力也屬中等變異［5］，與本研究結果一致。齊斐等［20］研究也發現沂蒙山國家級水土流失重點治理區降雨侵蝕力年際波動屬中等變異。降雨侵蝕力集中在夏季，四季差異明顯，表明夏季發生土壤侵蝕風險最高，需重點關注夏季降雨侵蝕力監測、模擬與評估。本研究年內降雨量和降雨侵蝕力集中在5—8月，最大月為6月，與魏興萍等［6］發現的規律相同，該月應避免實施較大強度開挖、擾動和堆棄土體的生產建設活動，加強水土流失防護措施［21］。另外，5—9月也是三峽庫區陳家溝小流域降雨集中期［22］。本研究中年降雨侵蝕力與年降雨量均未通過置信度90%的顯著性檢驗，但月降雨侵蝕力通過檢驗。本研究中降雨侵蝕力與降雨量呈顯著正相關，這與姬興杰等［9］的研究結果一致，表明降雨是導致降雨侵蝕力變化的主要驅動因素。本研究對三角鎮的降雨量和降雨侵蝕力進行了時間分布研究，今后應關注三角鎮降雨侵蝕力與侵蝕性降雨之間的關系、降雨量和降雨侵蝕力空間變化規律和驅動因素等研究。

4 結論

1）研究區2016—2022年的年均降雨量和年均降雨侵蝕力分別為1 133.14 mm和4 416.44 MJ·mm/（hm2·h），年均降雨侵蝕力與年均降雨量最大值均發生在2020年，年際差異較大；年均降雨量和年均降雨侵蝕力均屬中等變異。

2）研究區年內侵蝕性降雨主要集中在5—9月，夏季侵蝕性降雨量達364.93 mm；降雨侵蝕力主要集中在夏季（占全年的59.23%），其均值為2 616.05 MJ·mm/（hm2·h）；5—8月為降雨侵蝕力高值期，達3 292.74 MJ·mm/（hm2·h）。

3）年降雨量和年降雨侵蝕力的突變點均包括2016年和2021年，且均未通過信度90%的顯著性檢驗；月降雨量與月降雨侵蝕力突變點出現時間差異較大，降雨侵蝕力通過了信度90%的顯著性檢驗（Z=-1.43）。

4）月降雨侵蝕力與月降雨量呈顯著正相關（R2為0.867 1），降雨對月尺度的降雨侵蝕力有較強影響。降雨侵蝕力與降雨量在2017年2月至2021年1月（以10～14個月為周期）存在顯著共振。

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收稿日期： 2024-02-03

第一作者： 王宏（1981—），男，重慶綦江人，高級工程師，主要從事水土保持預防監督管理、水土流失治理和水土保持監測工作。

E-mail： 23417814@qq.com

（責任編輯 楊傲秋）