翁学先
（江西省玉山县水利局，江西 玉山，334700）
降雨侵蚀力表征降雨对土壤侵蚀的潜在能力，其变化对产输沙过程具有重要影响[1]。近半个世纪以来，随着气候变暖加快和人类活动加剧，全球有近50%的河流输沙量和超20%河流的径流量呈显著下降趋势[2]。我国长江80%以上干支流径流量无明显年际变化趋势，而近90%的干支流输沙量呈显著下降趋势[3，4]；
黄河大部分干支流径流量和输沙量呈显著的下降趋势[5，6]。河流水沙变化及其驱动因素研究已成为全球研究热点。降雨侵蚀力作为引起水蚀的关键降雨因子，其变化特征及其对河流输沙量的影响也越来越受到关注[7]。付金霞等研究了黄河流域河龙区间1957-2011年降雨侵蚀力与河流输沙量动态变化表明，降雨侵蚀力无明显变化趋势，而输沙量呈极显著下降趋势，且降雨侵蚀力对输沙量变化的贡献率为20%左右[7]。
信江是汇入鄱阳湖的第三大支流。近几十年来，气候变暖和人类活动使得信江流域的水沙特征发生着明显的变化，对流域水资源开发与利用、生态环境保护、人类生产生活等造成了一系列影响[8，9]。韩建军等研究了信江流域径流量和输沙量年内、年际变化及其驱动因素表明，径流量和输沙量年内分配极不均匀，且年输沙量在1997年后呈显著下降趋势[10]。值得注意的是，虽然信江水沙变化已有研究，但对降雨侵蚀力变化及其对输沙量的影响研究相对较少，特别是降雨侵蚀力对水沙变化的定量研究缺乏[8-10]。因此，本文研究信江水沙和降雨侵蚀力变化特征，量化了降雨侵蚀力对水沙变化的贡献率，以期为流域水土流失防治和生态文明建设提供科技支撑。
1.1 研究区概况
信江发源于浙赣边界江西省玉山县怀玉山南麓，是鄱阳湖流域五大河流之一，位于江西省东北部（东经116°19′～118°31′、北纬 27°32′～28°58′），干流自东向西，先后流经玉山、广丰、上饶、鹰潭等共19个市（县），全长313km，流域面积17 599km2。流域西邻鄱阳湖，北倚怀玉山脉与饶河毗邻，南倚武夷山脉与福建省闽江相邻，东毗浙江省富春江，在余干县潼口滩分为东西两大河，东大河在龙口汇入鄱阳湖，西大河在下风洲汇入鄱阳湖。流域属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温17.8℃，极端最高气温43.3℃、极端最低气温-14.3℃，流域平均湿度78%。流域多年平均年水面蒸发量750mm，多年平均日照时数1 800h、无霜期280d，年平均降水量1 800mm，年内分配不均，4～9月降水量占全年70%左右，多暴雨。梅港站为信江流域控制水文站，控制面积15 535km2。信江流域广泛分布第四纪红壤，土壤质地黏重，孔隙度小，入渗能力差，极易造成降雨径流侵蚀，导致土壤肥力退化，生态破坏加剧。信江流域土地利用以耕地、林地和草地为主，该3类土地利用面积占流域面积95%以上[11]。
1.2 资料来源
梅港水文站1960-2014年径流量和输沙量数据来源于《长江流域水文年鉴》，流域贵溪、玉山、余江、弋阳、广丰、上饶、资溪等7个气象站逐日降雨量数据来源于中国国家气象数据共享服务网（http：//data.cma.gov.cn），流域面平均降雨侵蚀力采用7个气象站算术平均法计算。
1.3 研究方法
1.3.1 降雨侵蚀力的计算
降雨侵蚀力计算采用国内广泛应用的章文波模型[12]，以日雨量估算半月侵蚀力，其模型结构为：
式中：M为半个月侵蚀力值，MJ·mm/（hm2·h）；
k为半月的天数，d；
Dj为半月内第j天的日降雨量，mm（日降雨量＞12mm时）；
为日雨量＞12mm的日平均降雨量，mm；
为日降雨量＞12mm的年平均降雨量，mm。半月时段的划分以每月第15日为界，前15天作前半月，剩下部分作为下半月，将全年依次划分为24个时段。
1.3.2 Mann-Kendall非参数趋势检验
降雨侵蚀力、径流量和输沙量等时间序列变化趋势采用Mann-Kendall（MK）非参数检验方法分析。MK法被广泛使用于水文气象要素时间序列检验中，该法的优点在于它不需要遵从一定的分布，适用于多种时间序列。MK法检验统计量（Zmk）≥±1.96时，表示序列上升（下降）趋势达 0.05显著性水平；
（Zmk）≥±2.58时，表示序列上升（下降）趋势达0.01极显著性水平[13]。
1.3.3 双累积曲线法
降雨侵蚀力对输沙量变化的影响程度采用双累积曲线法量化。双累积曲线法是目前用于水文气象要素一致性、长期演变趋势及辨析两个主控因素作用的最简单、最直观、最广泛的方法[14，15]。该法通过在一个坐标系中绘制两个变量的累积值产生双累积曲线，若二者的关系未发生系统性改变，则双累积曲线表现为一条直线；
若二者关系发生系统性改变，则曲线会发生偏转，拐点对应的时间则为水文气象要素突变的时间。以拐点为界，将拐点年份前定义为基准期，拐点年份后定义为变化期。对于输沙量而言，基准期降雨侵蚀力和输沙量一致性较好，人类活动较弱，输沙量主要受降雨侵蚀力影响。通过构建基准期降雨侵蚀力～输沙量线性方程，将变化期降雨侵蚀力代入该方程可获得变化期的年输沙量理论值。不同时段理论值之差，即为降雨侵蚀力对输沙量变化的影响量；
同期理论值与实测值之差，即为人类活动影响量。
2.1 水沙年际变化
2.1.1 径流量年际变化
信江年径流量和年输沙量年际变化如图1所示。1960-2014年信江流域多年平均径流量为179.8×108m3，极值比为4.307（见表1），年径流量最大值出现在1998年，径流量高达344.4×108m3，1963年径流量最小，为79.96×108m3（见图1）。径流量的MK趋势检验统计量（Zmk）为1.205，为正值且＜1.96，表明径流量年际呈不显著的上升趋势，其上升速率为0.701×108m3/a。
表1 信江流域1960-2014年径流量、输沙量和降雨侵蚀力特征值
图1 信江梅港站1960-2014年径流量年际变化
2.1.2 输沙量年际变化
1960-2014年信江多年平均输沙量为198.9×104t，极值比为19.011。年输沙量MK趋势检验统计量（Zmk）-3.229，为负值且＜-2.58，表明输沙量呈显著的下降趋势，其下降速率为1.575×104t/a。年输沙量最大值出现在1973年，高达500×104t，2007年年输沙值最小，为26.3×104t（图2a）。
图2 信江梅港站1960-2014年输沙量年际和年代变化
不同年代输沙量差异明显（图2b）。1960-1969年、1970-1979年、1980-1989年和1990-1999年输沙量分别高出多年平均值25%、31%、9%和10%，2000-2009年低于平均值49%，2010-2014年与平均值接近。与1961-1975年相比，1976-1998年输沙量急剧下降，1999后下降速率更大。主要原因是1997年信江大坳水库（库容2.76亿m3）建成，拦截了河道大部分泥沙导致[1]。
2.2 降雨侵蚀力年际变化
信江流域近55年平均降雨侵蚀力为11 270 MJ·mm/（hm2·h），最大值为1998年的21 048.4MJ·mm/（hm2·h），最小值为1963年的5 542MJ·mm/（hm2·h），极值比为3.798（见表1）。降雨侵蚀力MK趋势检验统计量Zmk为1.239，为正值且＜1.96，表明降雨侵蚀力年际呈不显著的上升趋势，上升速率为42.978 MJ·mm/（hm2·h·a）（图 3a）。
不同年代流域降雨侵蚀力差异明显（图3b）。2010-2014年降雨侵蚀力最大，高达13 870.54MJ·mm/（hm2·h），高出多年平均值23%，其次为1990-1999年，年降雨侵蚀力为13 214.86 MJ·mm/（hm2·h），高出多年平均值17%，降雨侵蚀力最低的为1960-1969年，仅为10 279.81 MJ·mm/（hm2·h），低于多年平均值9%，1970-1979年、1980-1989年和2000-2009年降雨侵蚀力低于多年平均值，分别低于4%、8%和8%。
图3 信江流域1960-2014年降雨侵蚀力年际和年代变化
2.3 输沙量与降雨侵蚀力关系
信江流域输沙量和降雨侵蚀力双累积曲线见图4。输沙量～降雨侵蚀力双累积曲线在1999年出现拐点，变化前（1961-1998年）线性拟合斜率k值为0.023，变化后（1999年-2014年）拟合k值为0.010，变化后的双累积拟合斜率k值变小，表明1999年之后输沙量显著下降，这与大坳水库建成时间相吻合。点绘不同时期输沙量～降雨侵蚀力散点图，可进一步揭示输沙量变化原因（图5）。1999年输沙量与降雨侵蚀力相关性减弱，表明降雨侵蚀力对输沙量的作用减弱。不同时期的线性拟合方程表征了单位降雨侵蚀力的产沙能力。1999年之后线性拟合方程斜率减小49.61%，表明单位降雨侵蚀力的产沙能力降低，人类活动是1999年之后输沙量减少的主要原因。
图4 输沙量与降雨侵蚀力双累积曲线
图5 不同时期输沙量与降雨侵蚀力散点图
以1999年为界，将输沙量时间序列划分为基准期（1961-1998年）和变化期（1999-2014年）。采用双累积曲线定量评估降雨侵蚀力和人类对输沙量变化的影响，结果见表2。与1961-1998年相比，变化期输沙量年均减少129.5×104t，降雨侵蚀力却增加145.1 MJ·mm/（hm2·h），表明输沙量减少全部由人类活动引起。变化期降雨侵蚀力使年均输沙量增加14.0×104t，但剧烈的人类活动导致年均输沙量减少143.5×104t，二者综合作用导致输沙量减少。总体而言，降雨侵蚀力对输沙量变化的影响程度为10.8%，人类活动对输沙量变化的影响程度为-110.8%。20世纪80年代以来，信江流域为发展农田水利，修建水利设施30余座，总库容约10亿m3，特别是1997年大坳水库建成，导致河道输沙量被坝库工程拦截淤积，下游输沙量减少，这是引起信江输沙量减少的主要原因。20世纪90年代整个鄱阳湖流域范围内开展大规模的水土保持工程（如“长治”工程、退耕还林草工程等），引起土地利用变化和植被覆盖度提高，地表产输沙能力减弱是引起输沙量减少的另一重要原因。
表2 降雨侵蚀力和人类活动对输沙量变化的影响
（1）信江流域控制水文站梅港站1960-2014年的径流量和输沙量数据分析表明，信江流域近55年降雨侵蚀力具有上升倾向，但变化趋势不显著。相同时期，信江径流量呈不显著的上升趋势，但输沙量以1.575×104t/a的速率呈极显著的下降趋势（P<0.01）。
（2）信江流域近55年平均降雨侵蚀力为11 270 MJ·mm/（hm2·h），最大值为1998年的21 048.4MJ·mm/（hm2·h），最小值为1963年的5 542MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蚀力年际呈不显著的上升趋势，其上升速率为42.978MJ·mm/（hm2·h·a）。不同年代流域降雨侵蚀力差异明显。
（3）输沙量与降雨侵蚀力双累积关系在1999年发生突变，突变后（1999-2014年）输沙量相比突变前（1960-1998年）减少54.6%，且单位降雨侵蚀力产沙能力减弱。变化期（1999-2014年）降雨侵蚀力对输沙量的影响程度为10.8%，人类活动对输沙量的影响程度为-110.8%，二者综合作用导致输沙量减少。水库建设和大规模水土保持措施的实施是信江流域输沙量减少的主要原因。
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