1970—2024年渭河流域不同量级降雨侵蚀力时空变化特征

Characteristics of spatiotemporal distribution of multi-magnitude rainfall erosivity in Weihe River Basin from 1970 to 2024

摘要

目的 分析渭河流域不同等级降雨对应的降雨侵蚀力时空分布规律，以期为区域水土流失防控和生态保护决策提供参考。 方法 基于1970—2024年渭河流域73个国家级气象观测站逐日降雨数据，采用日降雨量计算半月时段的降雨侵蚀力，利用M-K突变检验、变异系数、气候倾向率分析了渭河流域不同量级降雨侵蚀力时空变化特征。 结果 渭河流域多年平均降雨侵蚀力在687.4~2 537.1（MJ · mm）/（hm² · h）之间，呈现东南高西北低的空间格局；1970—2024年流域降雨侵蚀力整体上呈明显上升趋势，各量级降雨侵蚀力均有不同程度的上升，其中大雨侵蚀力上升幅度最大，中雨上升幅度最小，大雨侵蚀力对年均降雨侵蚀力的贡献最大，为40.4%。年降雨侵蚀力在流域绝大部分地方表现为上升趋势，但不同等级降雨对应的降雨侵蚀力变化趋势在空间上各不相同；在季节分布上，中雨侵蚀几乎全年都有发生，大雨侵蚀力主要发生在6—9月，暴雨和大暴雨侵蚀力集中发生在7—8月。7月流域绝大部分地区降雨侵蚀力呈增加趋势，8月在渭北塬区降雨侵蚀力呈下降趋势，而在关中平原区呈现明显增加趋势。 结论 渭河流域不同量级降雨侵蚀力区域特征明显，应因地制宜地制定水土保持防治和生态保护措施。

Abstract

Objective This study aims to investigate the spatiotemporal distribution patterns of rainfall erosivity corresponding to different rainfall grades in the Weihe River Basin， providing a scientific basis for soil and water conservation and ecological protection in the river basin. Methods Half-monthly rainfall erosivity was calculated using daily rainfall amounts. The M-K mutation test， coefficient of variation， and climate tendency rate were used to analyze the spatiotemporal variation characteristics of rainfall erosivity of different magnitudes in the Weihe River Basin. Results The multi-year average rainfall erosivity in the Weihe River Basin ranged from 687.4 to 2 537.1 （MJ · mm）/（hm² · h）， which was basically consistent with the spatial distribution of multi-year average erosive rainfall， exhibiting a pattern of higher values in the southeast and lower values in the northwest. Overall， rainfall erosivity in the Basin showed increasing trend from 1970 to 2024. Rainfall erosivity of all magnitudes increased to varying degrees. Among them， heavy rain erosivity had the largest increase amplitude， and moderate rain erosivity had the smallest increase amplitude. Heavy rain erosivity made the largest contribution to the annual average rainfall erosivity， accounting for 40.4%. Annual rainfall erosivity showed an increasing trend in the vast majority of the river basin， while the variation trends of rainfall erosivity of different magnitudes exhibited spatial heterogeneity. The intra-annual distribution of rainfall erosivity of different magnitudes in the river basin was extremely uneven. Moderate rainfall erosivity occurred almost year-around. Heavy rain erosivity mainly occurred from June to September， while rainstorm erosivity and severe rainstorm erosivity were concentrated in July and August. In July， rainfall erosivity showed an increasing trend in the majority of the river basin. In August， rainfall erosivity showed a decreasing trend in the Weibei Highland area， while it exhibited a significant increasing trend in the Guanzhong Plain area. Conclusion The regional characteristics of rainfall erosivity of different magnitudes in the Weihe River Basin are distinct， and measures for soil and water conservation and ecological protection should be formulated according to local conditions.

Graphical abstract

关键词

降雨侵蚀力 / 侵蚀性降雨 / 时空分布 / 渭河流域

Key words

rainfall erosivity / erosive rainfall / spatiotemporal distribution / Weihe River Basin

土壤侵蚀可造成土地生产力降低与生态环境退化，直接威胁农业生产及区域可持续发展。降雨作为土壤侵蚀的关键驱动因素，其历时、强度与频次等特征均对侵蚀范围与程度产生显著影响^［1-2］。降雨侵蚀力反映降雨诱发土壤侵蚀的潜在能力，是通用土壤流失方程的核心参数，对定量评估土壤侵蚀、解析气候变化背景下的侵蚀演变规律具有重要价值。近几十年来，气候变暖致使极端降水事件频发，降雨格局改变加剧了区域洪涝与水土流失风险，对社会经济发展和人民生命财产安全构成严重威胁。因此，系统研究降雨侵蚀力时空分布特征，可为土壤侵蚀精准预报及流域生态综合治理提供科学指导。

当前降雨侵蚀力估算方法主要分为两类。其一为基于次降雨过程的动能-雨强计算法，Wischmeier 等^［3］于1959年首次提出以次降雨总动能（E）与最大30 min雨强 （I₃₀）的乘积EI₃₀表征降雨侵蚀力，该方法精度较高，但受分钟或小时降雨观测资料限制，实际应用存在局限。其二为基于常规日、月、年降雨资料的简易估算模型，以章文波^［4］、Xie^［5］等构建的模型应用最为广泛，该类方法数据易得且精度可靠，为多区域土壤侵蚀研究提供了技术支撑^［6-7］。殷水清等^［8］基于日降雨数据揭示了中国降雨侵蚀力的空间变化，指出其总体呈自东南沿海向西北内陆递减的空间格局。冯笛珂^［9］、马道铭^［10］等亦采用日降雨侵蚀力模型，探讨了不同地区与流域侵蚀力的年际及季节变化规律。现有研究多聚焦于降雨侵蚀力整体的年际、年内及季节时空变化，而针对不同等级降雨侵蚀力的分异特征的研究相对较少。邹玉霞等^［11］对重庆市的研究表明，大雨对年均降雨侵蚀力贡献最大，大暴雨则是侵蚀力上升的主要驱动因素。宋爽等^［12］发现，近40年吉林省各量级降雨侵蚀力整体呈上升趋势，其中暴雨侵蚀力增幅最为显著。不同量级降雨时空格局的差异，将直接导致土壤侵蚀特征的空间分异。赵平伟等^［13］研究指出，土壤水力侵蚀更易受强降雨事件影响，与年降水量和降雨强度关系密切，而受降雨日数影响较弱；谢乐等^［14］在黄土高原的研究也证实，降雨侵蚀力对雨强更为敏感，高强度降雨事件是区域土壤侵蚀的主要诱因。由此可见，开展不同等级降雨所对应的降雨侵蚀力的变化研究，对区域土壤侵蚀防治具有重要理论与实践意义。

渭河流域位于黄土高原地区，是黄河流域水土流失最为严重的地区之一^［15］。地表松散、坡地裸露、植被覆盖率低等导致土壤高侵蚀率，该地区降雨集中，极端气候条件下的短时强降水极易引发强烈的侵蚀过程，加剧地表径流，导致土壤侵蚀频繁发生^［14］。已有不少学者对该区域的降雨特征及土壤侵蚀进行研究，如柴雪柯^［16］、陶望雄^［17］等认为渭河流域降雨侵蚀力时空分布差异显著，其研究时段内趋势变化不明显。但这些研究所用资料站点数量少，且均为2015年之前的观测数据。目前针对渭河流域长时间序列降雨侵蚀力的研究较少，缺乏最新的研究。在气候变暖背景下，近年来渭河流域暴雨、大暴雨等极端强降雨事件频发，而降水特征的新变化也会直接改变降雨侵蚀力，影响水力侵蚀^［18］。因此，利用1970—2024年渭河流域内73个国家级气象观测站长序列降雨数据，分析流域内不同量级降雨侵蚀力的时空演变规律，更好地了解气候变化对流域生态环境的影响，为流域水土保持和生态保护等工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭河地处中国西北黄土高原东南部，起源于甘肃省渭源县鸟鼠山，主要流经甘肃天水和陕西宝鸡、咸阳、西安和渭南等地，在渭南潼关县注入黄河。干流全长818 km，流域总面积13.48万km²，地形西高东低，北部为黄土高原，南部为秦岭北坡，中部形成冲积平原。北洛河和泾河两大支流位于渭河干流北岸，整体水系呈扇形展开。流域处于西北地区东部干旱和湿润区的过渡地带，属大陆性季风气候，是气候变化影响敏感区。该区土壤侵蚀强度大，降雨侵蚀导致的水土流失严重。

1.2 数据来源

渭河流域按水文分区为北洛河流域、泾河流域和渭河干流区间3大分区，各分区内气象站空间分布为北洛河11个，泾河22个，渭河干流40个（图1）。

资料来源于陕西省气象局提供的渭河流域73个气象站逐日降水量，资料年限为1970—2024年。

1.3 处理方法

1.3.1 降雨侵蚀力的计算

本文采用张文波等^［4］提出的日降雨侵蚀力估算模型，以每月15日为界，计算半月时段的降雨侵蚀力，计算公式如下：

R_i=\alpha {{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^k}\left(D_j\right)}^{\beta },\left(i=\mathrm{1,2},\dots ,\mathrm{24}\right)（1）

式中：R_i为第i个半月时段的降雨侵蚀力值；k为第i个半月时段内侵蚀性降雨日数；D_j 为第i个半月时段内第j天的侵蚀性日雨量；α，β为模型待定参数。

\beta =\mathrm{0.8363}+\mathrm{18.177}{P}_{d\mathrm{12}}^{-\mathrm{1}}+\mathrm{24.455}{P}_{y\mathrm{12}}^{-\mathrm{1}}

\alpha =\mathrm{21.586}{\beta }^{-\mathrm{7.1891}}（2）

依据降水量等级国家标准《GB/T28592—2012》，对日降雨量（R）进行分级：12 mm≤R<25 mm为中雨，25 mm≤R<50 mm为大雨，50 mm≤R<100 mm为暴雨，R≥100 mm为大暴雨。在此分级基础上，分别计算不同等级降雨对应的降雨侵蚀力，并统计相应量级的年降雨侵蚀力。

1.3.2 线性趋势系数

线性趋势可以描述某气象要素随时间线性变化的方向与幅度，以时间为自变量、气象要素为因变量构建一元线性回归方程，线性方程的斜率即趋势系数，可定量反映气象要素长期趋势变化的程度。

1.3.3 变异系数

变异系数（CV）是一组数据的标准差与其算术平均值的比值，用于表征数据的相对离散程度，其值越大，表明数据波动程度越强，反之则越稳定。

2 结果与分析

2.1 年降雨侵蚀力空间分布特征

图2为渭河流域降雨侵蚀力和侵蚀性雨量的空间分布图。由图2可知，流域年均降雨侵蚀力和中雨、大雨、暴雨侵蚀力的空间分布相似，整体上呈现东南高、西北低的特点，低值区出现明显的阶梯状递减趋势，与年侵蚀性雨量的空间分布基本一致（图2A， B）。年降雨侵蚀力在687.4~2 537.1 （MJ · mm）/（hm² · h）之间，高值区出现在渭河干流中下游南岸支流及北洛河中游，即陕北南部和关中平原南部，均达到2 000 （MJ · mm）/（hm² · h）以上，西北部低值区呈现明显的阶梯状递减趋势，即在流域上游的陇西、西吉、麻黄山等地降雨侵蚀力在1 000 （MJ · mm）/（hm² · h）以下（图2A）。中雨侵蚀力变化范围为284.9~827.9 （MJ · mm）/（hm² · h），高值区也位于陕北南部和关中平原南部，侵蚀力在700 （MJ · mm）/（hm² · h）以上，西北部低值区呈现明显的阶梯状递减趋势（图2C）。大雨和暴雨侵蚀力也与年降雨侵蚀力的空间分布相似，分别处于203.6~1 048.1，77.3~685.1 （MJ · mm）/（hm² · h）的范围中，均表现出东南高、西北低的特点（图2D， E）。大暴雨侵蚀力变化范围为0~265.4 （MJ · mm）/（hm² · h），空间分布与年降雨侵蚀力的空间分布呈现一定的差异性，表现出中部高、东南和西北低的空间分布格局（图2F），最大值出现在流域中游的陇县，为265.4 （MJ · mm）/（hm² · h），部分地区在气候基准期内未产生大暴雨，故最小值为0。渭河流域北部为黄土高原，南部有秦岭北坡的南山支流汇入，中部为关中平原，地势西北高、东南低，而年降雨侵蚀力总体上表现为西北低、东南高的特点，这可能与渭河流域处于东亚夏季风影响边缘区，属温带大陆性季风气候有关，西北部寒冷干燥，东南部温润多雨，夏季西南暖湿气流越过秦岭经高原抬升，在黄龙山区形成又一个多雨中心，这也与年侵蚀性降雨量的高值中心相对应。可见，地形和降雨量是影响流域降雨侵蚀力的主导因素，决定其空间分布格局。

2.2 降雨侵蚀力的年际变化特征

渭河流域1970—2024年多年平均降雨侵蚀力为1 735.3 （MJ · mm）/（hm² · h），降雨侵蚀力介于965.9~3 073.6 （MJ · mm）/（hm² · h）；流域多年平均侵蚀性降雨量为 331.5 mm，侵蚀性降雨量变化范围为181.5~542.1 mm。由流域年均降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量的年际变化曲线（图3）可以看出，二者的年际波动变化趋势基本一致，相关系数达0.97，且均在2021出现最大值，1997年出现最小值。1970—2024年流域侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力均呈增加趋势，气候倾向率分别为8.534 mm/10 a和70.778 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a），年降雨侵蚀力的增加趋势通过了0.05显著性检验。5 a滑动平均曲线显示，降雨侵蚀力和侵蚀性降雨量随时间变化呈现出波动增加—减小—增加的阶段性变化特征，二者的变异系数CV分别为0.24，0.27，均属中等变异，表明年际之间的变化不大。二者的极值比分别为2.99，3.18，说明降雨侵蚀力的年际变化波动要大于侵蚀性降雨的变化。

从渭河流域各等级降雨对应的降雨侵蚀力年际变化（图4）可见，不同等级降雨侵蚀力的变化均呈上升趋势，其中，大雨侵蚀力上升幅度最大，气候倾向率为28.021 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a），中雨上升幅度最小，倾向率为3.747 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a），暴雨和大暴雨侵蚀力上升幅度分别为23.75，17.57 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a）。由5 a滑动平均曲线可以看出，中雨侵蚀力年际变化过程中的波峰与波谷不明显，而大雨、暴雨和大暴雨侵蚀力的波动变化更明显，特别是在近5年均出现波峰。在降雨侵蚀力构成比例中（表1），大雨侵蚀力占比最大，达40.4%，中雨侵蚀力次之，比例为34.5%，大暴雨侵蚀力占比最小，仅为4.3%，但大暴雨侵蚀力的变异系数最大，达1.17，属强变异，年际波动显著，其他量级降雨侵蚀力均为中等变异水平。可见，降雨量级越高，侵蚀力的年际变化波动越大。虽然暴雨和大暴雨频率低，但其单次降雨所产生的降雨侵蚀力大，对年降雨侵蚀力的影响也较大，特别是近10年暴雨侵蚀力处于最高阶段。

2.3 降雨侵蚀力的年内变化

利用半月时段降雨侵蚀力气候值的变化来反映降雨侵蚀力的年内变化。统计基准气候期24个半月降雨侵蚀力及其占比（图5），可以看出，降雨侵蚀力呈现先上升后下降的趋势，高值集中在第12~18个半月，各月分布情况存在较大差异。10月至次年5月，流域降雨以小雨和中雨为主，中雨侵蚀力在该时段起主导作用，6月开始，东亚夏季风爆发后，随着降雨量级的加大，大雨和暴雨侵蚀力逐渐增加，在年降雨侵蚀力的变化中先后占据主导地位，而在“七下八上”流域多雨时段，大暴雨侵蚀力占据主导，比例分别达到37.7%和32.2%。之后随着东亚夏季风的南撤，中国主雨带南压，流域又以中雨侵蚀为主。从全年来看，中雨侵蚀几乎全年都有发生，大雨侵蚀力主要发生在6—9月，暴雨和大暴雨侵蚀力集中发生在7—8月。

渭河流域降水多集中于夏季，其中7—8月的降雨侵蚀力占全年的51.3%，对全年侵蚀力水平起主导作用。从月降雨侵蚀力年际变化（图6）可见，7月和8月流域降雨侵蚀力均表现为上升趋势，其气候倾向率分别为16.779 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a）和10.228 （MJ · mm）/（hm² · h · 10 a），但年际间波动较大，7月变异系数CV值达到0.51，8月CV值为0.53，属中等变异水平。

从空间分布看，7月份流域绝大部分地区降雨侵蚀力呈增加趋势（图7A），8月份接近一半的区域降雨侵蚀力呈下降趋势，一半以上区域呈上升趋势，特别是在渭河干流中游关中平原，侵蚀力增加显著（图7B）。

2.4 降雨侵蚀力变化趋势的空间分布特征

从渭河流域降雨侵蚀力变化趋势空间分布（图8）可见，年降雨侵蚀力绝大部分区域表现为上升趋势，站点比例为76.7%，仅在干流上游甘谷以上小范围区域为下降趋势。而不同量级降雨侵蚀力的变化趋势在空间上呈现非均一性特征。中雨侵蚀力的趋势变化总体上幅度不大，上升和下降趋势几乎各占一半。在渭河干流上游中雨侵蚀力以下降趋势为主，干流下游以上升趋势为主。而在北洛河上游和泾河上游中雨侵蚀力均以上升为主，下游以下降趋势为主；大雨侵蚀力在大部分地区呈现上升趋势，站点比例为76.7%，特别是泾河中游和南山支流上升趋势明显，增加趋势显著的站点比例为19.2%；暴雨侵蚀力在大部分地方呈上升趋势，站点比例为71.2%，特别是关中平原区的上升幅度较大，而上游的葫芦河及周边以下降趋势为主。大暴雨在流域出现频次少，但68.8%的站点大暴雨侵蚀力呈现上升趋势，主要分布在北洛河及泾河，而在渭河干流下游以下降趋势为主。

3 讨 论

渭河流域是我国水土流失重点防治区域，系统分析该流域降雨侵蚀力的时空变化规律，可为流域水土保持工作的科学开展提供理论支撑。研究显示，渭河流域降雨侵蚀力在年内变化与空间分布上均与侵蚀性降雨量表现出高度一致，整体呈现东南偏高、西北偏低的空间格局，这说明流域降雨侵蚀力大小主要由侵蚀性降雨量决定。受东亚夏季风与西风环流影响，流域降雨侵蚀力的季节分配极为不均，7—8月降雨侵蚀力占全年的50%以上。通过与已有流域降雨侵蚀力的研究结果相比，在侵蚀力年内变化和空间分布上基本一致，其不同主要表现在侵蚀力的变化趋势。由于研究时段和采用的气象站点及数量不同，流域降雨侵蚀力的变化趋势和速率大小均有差异。陶望雄等^［17］利用流域及其周边30个气象站资料研究表明，1957—2014年流域降雨侵蚀力呈减弱态势，而刘宇林等^［19］利用渭河流域23个气象站的资料分析显示，1961—2015年流域降雨侵蚀力呈非显著增加趋势。基于流域内73个气象站点最新资料分析，结果显示1970—2024年渭河流域降雨侵蚀力呈明显增加趋势。赵平伟等^［13］研究认为土壤侵蚀受降雨强度影响较大，KEO等^［20］研究发现，黄土高原土壤侵蚀主要由强降雨，特别是暴雨大暴雨引起。渭河流域中雨（34.5%）和大雨（40.4%）侵蚀力占比高，暴雨和大暴雨侵蚀力占比（25%）虽然不高，特别是大暴雨占比仅为4.3%，但这种极高侵蚀性的降雨可造成严重的水土流失，对生态环境的破坏难以逆转。2021年以来整个渭河流域有80.8%的站点出现过暴雨，40%的站点出现过日极端降水事件，特别是2021年流域暴雨日数和站次均为1970年以来最多，该年流域平均降雨侵蚀力也达1970年以来的最大值。随着气候变暖的加剧，流域暴雨、大暴雨等极端强降水事件频繁发生。因此，今后应加强次降雨过程，特别是暴雨过程侵蚀力的计算方法研究，为流域水土保持防控及生态保护决策提供理论依据，尤其侧重增加针对极端降水的应对措施，优化常规水土流失治理方案，从而保持已取得的成效。

4 结 论

（1） 渭河流域年降雨侵蚀力在687.4~2537.1（MJ · mm）/（hm² · h）之间变化，年降雨侵蚀力与中雨、大雨和暴雨侵蚀力均表现为东南偏高、西北偏低的空间格局，且西北部低值区呈现阶梯状递减趋势。

（2） 1970—2024年流域降雨侵蚀力在波动中呈上升趋势，上升速率为70.8

（MJ · mm）/（hm² · h · 10 a）。不同等级降雨对应的降雨侵蚀力均呈现上升趋势，其中，大雨侵蚀力上升速率最大，中雨侵蚀力上升速率最小。降雨量级越大，其对应的降雨侵蚀力年际变化越剧烈。年降雨侵蚀力在流域绝大部分地方表现为上升趋势，但不同等级降雨对应的降雨侵蚀力变化趋势在空间上各不相同。

（3） 渭河流域降雨侵蚀力年内分布极不均匀，主要分布在6—9月，其中7—8月降雨侵蚀力占全年的51.3%。7月流域绝大部分地区降雨侵蚀力呈增加趋势，8月在渭北塬区降雨侵蚀力呈下降趋势，而在关中平原区呈现明显增加趋势。

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基金资助

陕西省重点研发计划项目(2024SF-YBXM-559)

中国气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室项目(2023K-4)