柴雪柯, 高 鹏,2, 蒋观滔, 穆兴民,2

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)



渭河流域降雨侵蚀力时空变化研究

柴雪柯1, 高 鹏1,2, 蒋观滔1, 穆兴民1,2

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

降雨侵蚀力是反映流域降雨侵蚀能力的重要指标。基于渭河流域及周边地区25站56年的日降雨量，分析了流域降雨侵蚀力及其时空变化。结果表明：渭河流域降雨侵蚀力与降雨量的空间分布趋势基本一致，由东南向西北递减，变化范围为1 000～3 600 MJ·mm/(hm2·h·a)；降雨侵蚀力在年内呈单峰型分布，8月最大，1月最小，但6—9月占年侵蚀力的70%左右；渭河流域各站降雨侵蚀力年际差异显著；降雨侵蚀力年际变率为0.40～0.54，尤其20世纪80年代以来随机波动大且表现出一定减小趋势，但整体并无显著增加或减少趋势。

日降雨量; 降雨侵蚀力; 时空变化; 渭河流域

降雨是水蚀地区导致土壤侵蚀的主要动力因素。在通用土壤流失方程中，降雨侵蚀力因子反映了降雨因素对土壤侵蚀的潜在作用。Wischmeier等[1]的降雨侵蚀力是基于次降雨过程，资料的摘录和计算过程费时费力，因此，国内外研究者陆续提出降雨侵蚀力的简化算法[2-4]。我国利用雨强、日雨量、月雨量、年雨量等资料估算降雨侵蚀力，取得了有意义的成果[5-15]。章文波等[16]根据我国实测降雨量值，建立了基于日降雨量的降雨侵蚀力模型，并给出了参数估算方法，计算精度较高。穆兴民等[17]据此分析了黄土高原降雨侵蚀力的时空变化；李良东等[18]运用此模型对辽河流域近50年降雨侵蚀力时空变化进行了分析。渭河流域的水土流失相当严重，但是对此流域降雨侵蚀力及时空变化的研究较少。本文基于日降雨资料估算流域降雨侵蚀力，分析渭河流域降雨和降雨侵蚀力年内分配和年际变化，绘制降雨侵蚀力空间分布等值线图，为没有降雨资料的地区估算侵蚀力提供参考，为该流域土壤侵蚀预报、防治和综合治理提供理论依据。

1　研究区概况

渭河是黄河最大支流(图1)，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西3省，在陕西省潼关县附近注入黄河。渭河全长818 km，流域总面积134 766 km2，位于东经104°00′—110°20′，北纬33°50′—37°18′。渭河流域降水量400～800 mm，多年平均蒸发量1 000～2 000 mm。流域多年平均径流量95亿m3，多年平均输沙量4.58亿t。渭河流域水土流失面积约10.36万km2，占流域面积的76.9%。

图1渭河流域示意图

2　数据与方法

本研究采用1985—2013年渭河流域内15站及周边地区10站共计25站的逐日降雨资料。

2.2方 法

降雨侵蚀力采用章文波等[19]提出的日降雨量估算降雨侵蚀力模型，研究认为：当采用最优参数时，该模型估算的多年平均侵蚀力与Wischmeier等[1]提出

的方法所求得的降雨侵蚀力近似，它们之间的决定系数达0.999。具体计算模型如下：

(1)

式中：Ri——第i个半月的侵蚀力值[MJ·mm/(hm2·h)]；α，β——参数；m——半月内侵蚀性降雨日数；Pk——半月内第k天的侵蚀性日降雨量(即日雨量>12 mm)。侵蚀性日降雨量标准为日降雨量≥12 mm，否则以0计算[20]。半月时段的划分以每月第15日为界，每月前15 d作为一个半月时段，15 d后作为另一个半月时段，全年共24个时段。

(2)

α=21.586β-7.1891

US-FANC是一项系统工程，包括患者是选取、标本取材、结果的判定等环节，涉及甲状腺外科、超声、病理等科室，每个环节的欠缺都影响到US-FANC诊断的准确率及临床应用价值。

(3)

式中：Pd12——一年侵蚀性降雨日雨量的平均值；Py12——年侵蚀性降雨量的多年平均值。利用公式(1)—(3)来计算逐年各半月的降雨侵蚀力，经汇总得到月降雨侵蚀力、年降雨侵蚀力和多年平均降雨侵蚀力。

3　结果与分析

3.1年降雨量和年侵蚀性降雨量特征

如表1所示，渭河流域的年均降雨量及侵蚀性降雨量有自东南向西北递减趋势，宝鸡、华山一带年降雨量高达600～750 mm，西吉、固原一带年降雨量减至400 mm左右。流域内各站侵蚀性降雨量占全年降雨总量的比例不同，最多的华山占66.5%，而最少的西吉占48.5%，平均约为59.5%。

表1　渭河流域各站点侵蚀性降雨特征

3.2降雨侵蚀力年内分配

渭河流域降雨侵蚀力年内分配呈单峰型(图2)，最大8月，为482.4 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的22.7%，最小1月，仅占全年的0.2%。在雨季的6—9月累积降雨侵蚀力占全年的70%左右。

3.3降雨侵蚀力年际变化

渭河流域各站降雨侵蚀力年际差异显著。如表2所示，不同地区的年降雨侵蚀力差异及波动范围都比较大，如华山站的最大年降雨侵蚀力为5 508.7 MJ·mm/(hm2·h)，而最小年仅644.1 MJ·mm/(hm2·h)，前者是后者的8.55倍，变异系数达0.407。西吉的最大年降雨侵蚀力为1 241.7 MJ·mm/(hm2·h)，而最小年仅140.8 MJ·mm/(hm2·h)，前者是后者的17.9倍，变异系数达0.542。不同地区间，渭河流域西北部西吉一带降雨侵蚀力年际差异较大，东南部华山一带降雨侵蚀力年际差异相对较小。

由图3可以看出，渭河流域降雨侵蚀力年际变化显著，随机波动大。最大值为2 654.9 MJ·mm/(hm2·h)，最小值为938.6 MJ·mm/(hm2·h)。分析距平累积曲线可知，1990—2002年变化明显，降雨侵蚀力累积距平曲线斜率为负，说明降雨侵蚀力值逐渐减少，但整体并无显著增加或减少趋势。

渭河流域年降雨量及年降雨侵蚀力均无显著增加或减小的趋势性变化。采用Mann-Kendall检验法对渭河流域15站降雨侵蚀力年际变化进行趋势性辨析(表3)，尽管年降雨量的Mann-Kendall检验统计检验参数Z均为正，但没有达到0.05的信度水平，降雨侵蚀力的Z值有正也有负，但也均未达到0.05的信度水平。表明渭河流域各站的年降雨量及侵蚀力的年际变化统计学上未表现出显著的趋势性增加或减小。

图2　渭河流域各站降雨侵蚀力年内分布

图3渭河流域平均降雨侵蚀力年际变化及距平累积变化

3.4降雨侵蚀力空间分布

通过日降雨量计算求得渭河流域及周边地区25站的降雨侵蚀力值。25站平均为2 081 MJ·mm/(hm2·h)，渭河流域15站平均为2 045 MJ·mm/(hm2·h)。从图4中可知，渭河流域多年平均降雨侵蚀力呈从东南到西北逐渐递减趋势。在空间上形成两个明显的高值区和一个低值区，其中在流域东南部地区形成以华山为中心的高值区，南部形成以佛坪为中心的高值区，西北地区形成以会宁为中心的低值区。降雨侵蚀力多年平均值变化范围是1 241.7～3 583.9 MJ·mm/(hm2·h)。在佛坪与武功之间等值线密度较大，说明此地区降雨侵蚀力变化梯度大。

表3　渭河流域降雨量及年降雨侵蚀力变化趋势的M-K检验

注：统计量为正值表示增加趋势，为负值表示减少趋势。显著性水平0.05时，检验临界值为±1.96；显著性水平0.01时，检验临界值为±2.58。

图4渭河流域1958-2013年平均降雨侵蚀力等值线

图5渭河流域不同年代平均降雨侵蚀力等值线

采用克里金插值分别作出20世纪60年代至21世纪初5个阶段的降雨侵蚀力空间分布图。由图5可见，5个年代的降雨侵蚀力空间分布是动态变化的，R的高值区处于不断变化中且无显著规律。多年平均降雨侵蚀力均有从东南到西北递减的趋势。20世纪60年代(1960—1969年)，降雨侵蚀力的高值区在渭河流域南部、以华山为中心的地区，低值区在渭河流域西北部；70年代(1970—1979年)，降雨侵蚀力高值区在渭河流域南部，华山和长武一带降雨侵蚀力值也较高，低值区偏向西吉地区；80年代(1980—1989年)没有明显的低值区，高值区是渭河流域南部、以华山为中心的高值区；90年代(1990—1999年)，出现了一个小范围的高值区——平凉，渭河流域南部、华山仍是两个明显的高值区，低值区呈向西移动的趋势；21世纪00年代(2000—2009年)，等值线密集，洛川也是一个小范围的高值区，低值区在渭河流域西北部。

综上所述，渭河流域不同年代降雨侵蚀力的空间分布是动态变化的，高值区变化较明显，低值区变化不大，每一年代渭河流域降雨侵蚀力的空间差异也不同，有的年代分布较均匀，有的年代相差较大。

4　结 论

(1) 渭河流域内年均降雨侵蚀力为1 000～3 600 MJ·mm/(hm2·h)，其空间变化趋势从东南向西北递减，不同年代降雨侵蚀力空间分布、等值线疏密度等也有显著差异。

(2) 渭河流域降雨侵蚀力年内分配呈单峰型，最大8月为482.4 MJ·mm/(hm2·h)，占全年的22.7%，最小1月仅占全年的0.2%。在雨季的6—9月累积降雨侵蚀力占全年的70%左右。

(3) 渭河流域各站降雨侵蚀力年际差异显著。渭河流域各站的年降雨量及侵蚀力的年际变化统计学上未表现出显著的趋势性增加或减小。

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Spatiotemporal Variability of Rainfall Erosivity in Weihe River Basin

CHAI Xueke1, GAO Peng1,2, JIANG Guantao1, MU Xingmin1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

Rainfall erosivity is an index of erosion ability of rain water. Using the daily rainfall data of twenty-five meteorological sites in Weihe River, we estimated the rainfall erosivity and analyzed its spatiotemporal variability. The results showed that the spatial characteristic of rainfall erosivity was consistent with the spatial distribution of rainfall, declining from southeast to northwest and varying from 1 000 to 3 600 MJ·mm/(hm2·h·a). The distribution of rainfall erosivity is unimodal，the max value occurred in August, the minimum was observed in January and rainfall erosivity from June to September occupied about 70% of the whole year. The inter-annual variation was significant and coefficient of variation was between 0.4 and 0.54. Especially random fluctuations and a decreasing trend had been showed since the 1980s, but there was no significant trends of variation totally.

daily rainfall; rainfall erosivity; spatiotemporal variability; Weihe River Basin

2015-01-18

2015-06-18

国家自然基金(41371277);中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-04-03);中国科学院青年创新促进会(2011289)

柴雪柯(1993—),女,山西运城人,硕士研究生,研究方向为流域生态水文和水土保持。E-mail:chaixueke@163.com

高鹏(1976—),男,陕西宝鸡人,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事水土保持和流域生态水文研究。E-mail:gaopeng@ms.iswc.ac.cn

S157.1

A

1005-3409(2016)03-0025-04