滇中地區(qū)降雨侵蝕力特征研究
——以玉溪市為例

谷桂華,朱文祥

(云南省水文水資源局 玉溪分局,云南 玉溪 653100)

滇中地區(qū)是云南省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域,人口高度集中,城市化發(fā)展快速。隨著滇中地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展、城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快,區(qū)域面臨著巨大的生態(tài)環(huán)境壓力,如水資源嚴(yán)重短缺、水土流失嚴(yán)重等問題,已日益成為滇中地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的制約因素。

降雨是導(dǎo)致土壤發(fā)生水力侵蝕的重要?jiǎng)恿σ蜃覽1],降雨侵蝕在于地表產(chǎn)生的點(diǎn)式擊濺以及徑流沖刷產(chǎn)生的綜合效應(yīng),除降雨的時(shí)間長短、強(qiáng)度大小、次數(shù)多少外,坡面徑流的流速、流量及流態(tài)也會(huì)對降雨侵蝕的綜合效應(yīng)產(chǎn)生影響[2]。關(guān)于降雨侵蝕研究,國內(nèi)外學(xué)者有不同的方法途徑。其中經(jīng)典算法[3]被廣泛應(yīng)用于侵蝕計(jì)算,是1965年國外學(xué)者在通用土壤流失方程(USLE)應(yīng)用中建立的以小時(shí)為單位的降雨強(qiáng)度與動(dòng)能數(shù)學(xué)關(guān)系式,其結(jié)果可表征降雨的侵蝕強(qiáng)度,但是該方法所需數(shù)據(jù)獲取和記錄難度較大。國內(nèi)學(xué)者也研究了多種簡化算法,其中章文波等[4]建立的利用日雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法模型,被廣泛應(yīng)用于不同流域降雨侵蝕力的研究。近年來國內(nèi)關(guān)于降雨侵蝕力的研究比較豐富,如王佳歡等[5]采用日雨量模型分析白洋淀流域降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征,龍訓(xùn)建等[6]采用反距離權(quán)重法和Ward系統(tǒng)聚類分析法對重慶市降雨量和降雨侵蝕力的年內(nèi)、年際時(shí)空變化和分布特征進(jìn)行分析,陳劍南等[7]基于CHELSACRUST數(shù)據(jù)集估算了黃土高原1901—2016年逐月降雨侵蝕力及其時(shí)空變化特征等。國內(nèi)對云南地區(qū)降雨侵蝕力的研究成果也有少許[8-9],主要是對降雨侵蝕力的時(shí)空分布與演變進(jìn)行研究。

玉溪市是滇中經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分,是滇中地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障,屬于西南巖溶區(qū),水土流失類型以水力侵蝕為主[10],位于珠江和紅河流域的上游、中上游段,也是珠江、紅河上游重要生態(tài)安全屏障。研究降雨侵蝕力變化規(guī)律對水土流失預(yù)測具有重要意義[11],對水土保持規(guī)劃編制具有重要指導(dǎo)作用。深入研究區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕特征,是推動(dòng)滇中經(jīng)濟(jì)圈快速發(fā)展、筑牢生態(tài)安全屏障的重要基礎(chǔ)保障。目前,關(guān)于玉溪市降雨侵蝕的研究還比較匱乏,本研究以滇中玉溪市為研究對象,選取區(qū)域內(nèi)具有代表性的國家基本雨量站長系列日雨量數(shù)據(jù),分析降雨侵蝕力模型計(jì)算參數(shù)特征和降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律,可為滇中地區(qū)降雨侵蝕特性的深入研究和水土流失防治提供基礎(chǔ)科學(xué)參考,為玉溪市生態(tài)建設(shè)提供保障。

1 研究區(qū)狀況

玉溪市位于滇中腹地、云貴高原西南邊緣,地理位置為101°16′～103°09′E、23°19′～24°53′N,昆曼、昆河高速公路與泛亞鐵路東線和中線等區(qū)域性國際大通道在境內(nèi)交會(huì),區(qū)位優(yōu)勢突出。地處低緯度高原,山脈縱橫、河湖眾多、高差懸殊,地形地貌復(fù)雜。境內(nèi)最高點(diǎn)為哀牢山主峰大磨巖山,海拔3 165.9 m,最低點(diǎn)為元江河谷小河底河與元江匯合處,海拔328 m,全市大部分地區(qū)海拔在1 500～1 800 m之間。境內(nèi)有流域面積50 km2以上河流102條,主要分屬珠江和紅河兩大流域。全市下轄2區(qū)1市6縣,其中紅塔區(qū)、江川區(qū)、澄江市、通海縣、華寧縣和峨山縣的一部分屬珠江流域,易門縣、新平縣、元江縣和峨山縣的一部分屬紅河流域。全市不同地區(qū)年平均降水量600～2 000 mm,多年平均水資源總量42.45億m3。2015年全市土地利用數(shù)據(jù)顯示,林地面積最大,為9 376.78 km2;其次是耕地,為2 124.34 km2;再次是未利用地,為1 441.90 km2;其余依次為其他用地、水域、建設(shè)用地、園地、草地,草地面積最小,為2.17 km2。據(jù)2015年云南省水土流失調(diào)查成果,玉溪市水土流失面積3 537.62 km2,占土地總面積的23.67%,其中以輕度和中度侵蝕為主,二者占水土流失面積的75.91%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次選取的滇中玉溪市境內(nèi)12個(gè)雨量代表站為水文部門的國家基本雨量站,各站1980—2019年逐日降雨資料均通過了水文部門審查驗(yàn)收。各代表雨量站基本情況及其在全市的相對位置見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1 日降雨侵蝕力計(jì)算模型

采用日雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法模型計(jì)算降雨侵蝕力[7,12],計(jì)算表達(dá)式為

(1)

其中

β=0.836 3+18.144/Pd12+24.455/Py12

(2)

α=21.586β-7.189 1

(3)

式中:Rj為第j個(gè)半月的降雨侵蝕力,單位MJ·mm/(hm2·h);Pk為半月時(shí)段內(nèi)第k天的侵蝕性降雨量(日降雨量≥12 mm),單位mm;n為半月內(nèi)日降雨量≥12 mm的降雨天數(shù),單位d;α和β為模型計(jì)算參數(shù),無量綱;Pd12為日侵蝕性降雨量平均值,單位mm;Py12為年侵蝕性降雨量平均值,單位mm。

2.2.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差率)是衡量資料中各觀測值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。當(dāng)進(jìn)行兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度的比較時(shí),如果單位相同,可以直接利用標(biāo)準(zhǔn)差來比較;單位不同時(shí),比較其變異程度就不能采用標(biāo)準(zhǔn)差,而需采用標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值來比較。標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值稱為變異系數(shù),記為Cv。變異系數(shù)可以消除單位或平均數(shù)不同對兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度比較的影響。其計(jì)算公式為

(4)

2.2.3 Kriging空間插值法

克里金(Kriging)空間插值法是以結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)為基礎(chǔ),在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[13]。Kriging空間插值法通過變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)及其各項(xiàng)參數(shù),從不同角度反映變量的空間變異性,描述變量在空間中隨位置變化的規(guī)律,是一項(xiàng)實(shí)用的空間估計(jì)技術(shù)。其計(jì)算原理是用空間上所有已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)求和來估計(jì)未知點(diǎn)的值[14]。本研究基于ArcGIS平臺(tái)的Kriging空間插值方法,進(jìn)行模型參數(shù)和降雨侵蝕力的空間分布特征分析。

3 成果與分析

3.1 降雨侵蝕力參數(shù)特征

估算降雨侵蝕力的簡易算法模型計(jì)算公式(1)中,α和β是兩個(gè)重要計(jì)算參數(shù),根據(jù)式(2)、式(3)計(jì)算得到各代表站估算降雨侵蝕力模型參數(shù)β、α值,見表1。

表1 代表站降雨侵蝕力模型參數(shù)成果

根據(jù)章文波等[15]研究的全國部分城市(站點(diǎn))降雨侵蝕力簡易算法模型參數(shù)α和β值相關(guān)關(guān)系成果,綜合本次用同樣方法計(jì)算得到的滇中12個(gè)雨量站點(diǎn)計(jì)算參數(shù)(見圖2),可發(fā)現(xiàn)本次所選12個(gè)代表站點(diǎn)的模型參數(shù)α和β與全國其他地區(qū)的變化趨勢基本一致,說明滇中玉溪地區(qū)的降雨侵蝕力模型參數(shù)變化符合地區(qū)總體分布規(guī)律,計(jì)算成果合理。

圖2 滇中12個(gè)站點(diǎn)與全國其他城市(站點(diǎn))降雨侵蝕力模型參數(shù)α、β關(guān)系

玉溪地區(qū)降雨侵蝕力模型參數(shù)α和β值在空間變化上有較大差異,其中α的變化范圍相對較大,而β的變化范圍相對較小。全市α值在0.511～0.986之間,平均為0.743,中部化念站附近較小,西部街子河站附近較大;全市β值在1.536～1.683之間,平均為1.601,中部化念站附近較大,西部街子河站附近較小(見圖3)。珠江流域α、β平均值分別為0.753、1.596,紅河流域α、β平均值分別為0.656、1.425。

圖3 玉溪市降雨侵蝕力模型參數(shù)空間分布

3.2 年降雨侵蝕力及其與降雨量相關(guān)性

1980—2019年,全市多年平均降雨量1 010.3 mm。根據(jù)(1)式計(jì)算各站月降雨侵蝕力并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各站1980—2019年降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征值,見表2。全市降雨侵蝕力多年平均值為4 049 MJ·mm/(hm2·h),各站多年平均值在2 213～8 123 MJ·mm/(hm2·h)之間,最小值為水底汞站1988年的957 MJ·mm/(hm2·h),最大值為街子河站1999年的15 577 MJ·mm/(hm2·h)。

表2 各站1980—2019年降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)特征 [MJ·mm/(hm2·h)]

根據(jù)滇中地區(qū)氣象水文特性,汛期為5—10月,主汛期為7、8月。建立各代表站年降雨侵蝕力與不同時(shí)段多年平均不同類型降雨量相關(guān)關(guān)系(見圖4),發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕力與年侵蝕性降雨量、年降雨量、汛期降雨量、主汛期降雨量均有著十分密切的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R分別為0.99、0.99、0.98和0.96,降雨侵蝕力隨著各類型降雨量的增大均呈增大趨勢。

圖4 各站多年平均不同時(shí)期雨量與年降雨侵蝕力相關(guān)關(guān)系

3.3 降雨侵蝕力時(shí)空變化特點(diǎn)

3.3.1 年內(nèi)變化

根據(jù)各站逐月降雨侵蝕力計(jì)算成果,各代表站多年平均月降雨侵蝕力在8.28～1 654 MJ·mm/(hm2·h)之間,最小值在梁王河站(2月),最大值在街子河站(7月)。各站降雨侵蝕力以5—10月較為集中,占全年比例在82.4%～92.9%之間。

建立全市多年平均降雨侵蝕力分布折線圖(圖5),可見全市多年平均降雨侵蝕力在7月最大,占全年比例為22.0%;6月和8月大致相當(dāng),占全年比例分別為17.7%、18.4%;5月和9月占全年比例分別為10.7%、11.7%;5—10月占全年比例為88.1%。從年內(nèi)四季看,春季(3—5月)占全年比為例14.5%,夏季(6—8月)占全年比例為58.1%,秋季(9—11月)占全年比例為23.5%,冬季(12月—次年2月)占全年比例為3.9%,說明多年平均降雨侵蝕力季節(jié)性變化特點(diǎn)明顯,夏季最大,冬季最小。

圖5 全市降雨侵蝕力多年平均值

3.3.2 年際變化

繪制玉溪市歷年降雨侵蝕力與降雨量變化過程,見圖6。由圖6可知,全市歷年降雨侵蝕力與降雨量變化過程趨勢基本一致,均呈波動(dòng)性減小趨勢。年降雨侵蝕力最大值為6 359 MJ·mm/(hm2·h)(1999年),最小值為2 581 MJ·mm/(hm2·h)(1980年)。

圖6 玉溪市歷年降雨侵蝕力與降雨量變化過程

根據(jù)各站1980—2019年降雨侵蝕力計(jì)算成果,應(yīng)用(4)式計(jì)算各變異系數(shù),所得結(jié)果見表3。各代表站年降雨侵蝕力變異系數(shù)在0.21～0.39之間,珠江流域安化站的年際變化最小,紅河流域元江站的年際變化最大。

表3 各站1980—2019年降雨侵蝕力變異系數(shù)

3.3.3 空間變化

應(yīng)用Kriging空間插值方法繪制多年平均降雨量和年、汛期、夏季降雨侵蝕力在全市空間范圍的分布,見圖7。

圖7 1980—2019年多年平均年降雨量和不同時(shí)段降雨侵蝕力分布

由圖7(a)可知,全市多年平均降雨量分布特點(diǎn)為:易門縣和峨山縣沿南北向的扒河和化念河流域區(qū)、元江縣紅河谷區(qū)為低值區(qū),多年平均降雨量700～900 mm;西南部新平縣和元江縣哀牢山區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū),多年平均降雨量1 200～1 700 mm;其他區(qū)域多年平均降雨量在900～1 200 mm之間。

由圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)可知,全市多年平均降雨侵蝕力、汛期降雨侵蝕力和夏季降雨侵蝕力分布規(guī)律與年降雨量分布基本相似。易門縣和峨山縣沿南北向的扒河和化念河流域區(qū)、元江縣紅河谷區(qū)為低值區(qū),多年平均降雨侵蝕力為2 000～3 500 MJ·mm/(hm2·h);西南部新平縣和元江縣哀牢山區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū),多年平均降雨侵蝕力為6 500～8 500 MJ·mm/(hm2·h);其他區(qū)域多年平均降雨侵蝕力在3 500～6 500 MJ·mm/(hm2·h)之間。汛期和夏季降雨侵蝕力在多年平均降雨侵蝕力的基礎(chǔ)上有不同程度的縮減,汛期降雨侵蝕力在1 500～7 500 MJ·mm/(hm2·h)之間變化,夏季降雨侵蝕力在1 000～4 500 MJ·mm/(hm2·h)之間變化。珠江流域多年平均、汛期、夏季降雨侵蝕力總體上均比紅河流域偏大,分別平均偏大13.1%、18.2%、24.0%。

玉溪西南部哀牢山區(qū)域海拔較高,其西側(cè)面屬于西南季風(fēng)的迎風(fēng)坡,西南季風(fēng)帶來的大量水汽在此形成豐沛的降雨,所以新平縣和元江縣哀牢山區(qū)域一帶為全市的降雨高值區(qū),進(jìn)而也形成全市降雨侵蝕力高值區(qū)。易門縣和峨山縣沿南北向的扒河和化念河流域區(qū)、元江縣紅河谷區(qū)為干熱河谷區(qū),海拔較低,區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富,氣候干熱少雨,這些區(qū)域?yàn)槿薪涤炅康椭祬^(qū),也導(dǎo)致這些區(qū)域?yàn)槿薪涤昵治g力低值區(qū)。

4 結(jié)論

綜上,得到1980—2019年玉溪市降雨侵蝕力相關(guān)特征變化成果:

1)玉溪市各代表站點(diǎn)降雨侵蝕力簡易算法模型參數(shù)α值在0.511～0.986之間,β值在1.536～1.683之間,α和β值在空間變化上有較大差異,其中α的變化范圍相對較大,而β的變化范圍相對較小。

2)全市多年平均降雨量1 010.3 mm,多年平均降雨侵蝕力為4 049 MJ·mm/(hm2·h);各站多年平均降雨侵蝕力與多年平均侵蝕性降雨量、年降雨量、汛期降雨量、主汛期降雨量均相關(guān)關(guān)系明顯。

3)汛期和夏季降雨侵蝕力占全年比例分別為88.1%、58.1%。多年平均降雨侵蝕力變異系數(shù)在0.21～0.39之間。

4)全市多年平均、汛期和夏季降雨侵蝕力分布規(guī)律與年降雨量分布基本相似,易門縣和峨山縣沿南北向的扒河和化念河流域區(qū)、元江縣紅河谷區(qū)為低值區(qū),西南部新平縣和元江縣哀牢山區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū)。多年平均降雨侵蝕力在2 000～8 500 MJ·mm/(hm2·h)之間變化,汛期降雨侵蝕力在1 500～7 500 MJ·mm/(hm2·h)之間變化,夏季降雨侵蝕力在1 000～4 500 MJ·mm/(hm2·h)之間變化。珠江流域多年平均降雨侵蝕力總體上比紅河流域平均偏大13.1%。