我国降雨侵蚀力时空分布规律研究

利用全国194个气象站的日降雨资料,并根据年降雨量大小由东南地区向西北地区选取典型的气象站点,分析各站点降雨侵蚀力的年际、年代变化及空间分布。结果表明,东南地区各站点多年平均降雨侵蚀力达到4 000MJ·mm/(hm2·h·a)以上,陕北地区土壤流失较严重的榆林和延安分别为1 324.05、1 880.64MJ·mm/(hm2·h·a),明显低于东南地区,降雨侵蚀力的空间分布与降雨量的空间分布十分相似,而与实际土壤流失的状况并不一致。各站点的降雨侵蚀力的年际变化趋势明显,年代平均降雨侵蚀力的变化比较稳定。周伏建用于福建地区的月雨量模型,平均相对偏差较小,相对偏差变化最小,能更好地反映该地区的降雨侵蚀力。     

云南省降雨侵蚀力时空分布与演变趋势研究

由于生态环境演变及人类活动的影响,云南地区生态环境极度脆弱,土壤侵蚀强度大,侵蚀程度严重。降雨侵蚀力(R)是采用USLE/RUSLE模型进行土壤侵蚀评估的重要参数,但目前针对云南地区R值的计算模型及适宜性方面的研究较少。本研究采用昆明气象站1951—2010年共60 a逐日降雨数据,对中国南方地区常用的5种R计算模型在云南地区的适宜性进行分析,筛选出适宜云南地区的R计算模型,并基于均匀分布于云南省的36个国家基本气象站1951—2012年降雨观测数据,分析云南省降雨侵蚀力时空分布与演变特征。研究表明:在5种降雨侵蚀力计算模型中,模型B具有较好的稳定性,且有效系数(Ef)最大,相对偏差系数(Er)最小,在云南地区有较好的适宜性。云南地区多年平均降雨量为1 106.84 mm,7个分区多年平均降雨量分布在745.83~1 533.33 mm之间,不同地区降雨量分布不均匀,季节分布集中在夏季,降雨空间分布呈现出自西南向东北递减的趋势。云南地区多年平均R为2 719.31 MJ·mm/(hm2·h),7个分区多年平均R分布在1 837.23~3 949.12 MJ·mm/(hm2·h)之间,季节分布集中在夏季,空间分布也表现出自西南向东北递减的趋势。7个分区降雨侵蚀力趋势系数分布在-0.34~-0.02之间,各分区近60 a来降雨侵蚀力均呈现出减小趋势。本研究可为云南水土生态环境建设和土壤侵蚀模型构建提供借鉴和参考。     

河龙区间近55 a降雨侵蚀力与河流输沙量动态变化分析

基于河龙区间12个雨量站点1957—2011年降雨日数据及输沙量年数据,采用滑动平均、线性倾向估计、Mann-Kendall非参数检验、累计距平、双累积曲线等方法,分析了河龙区间近55 a降雨侵蚀力和输沙量的动态变化过程以及二者之间的相关关系,定量评估了降雨侵蚀力变化和人类活动对河龙区间输沙量变化的影响及贡献率。结果表明,河龙区间近55 a降雨侵蚀力在378.1~2 324.6 MJ·mm/(hm2·h·a)之间变化,其平均值为1 319.7 MJ·mm/(hm2·h·a);整个研究期内降雨侵蚀力呈不显著减小趋势,年均减小量为9.7 MJ·mm/(hm2·h·a)。近55 a降雨侵蚀力变化过程可划分为3个阶段:1957—1974年为快速下降阶段,其下降率为83.7%;1975—1999年为缓慢下降阶段,其下降率为66.6%;2000—2011年为缓慢回升阶段,其上升率为42.7%。以1957—1969年降雨侵蚀力为基准,20世纪70、80、90年代以及21世纪前12 a降雨侵蚀力分别减小了15.9%、19.5%、27.5%和22.7%。河龙区间近55 a输沙量变化介于(0.09~21.37)亿t之间,其平均值为5.6亿t。整个研究期内输沙量呈极显著的下降趋势,其下降速率为0.19亿t/a。以1957—1969年输沙量为基准,20世纪70、80、90年代以及21世纪前12 a输沙量分别减少了27.3%、64.1%、54.8%和88.7%。经Mann-Kendall非参数检验法和累计曲线法综合判定,1979年为河龙区间输沙量突变年份。输沙量与降雨侵蚀力具有极好的线性相关性。通过建立二者双累积曲线方程,计算得出20世纪80、90年代和21世纪前12 a降雨侵蚀力变化对输沙量变化的贡献率分别为22.6%、44.3%和19.0%,而人类活动对输沙量变化的贡献率分别为77.4%、55.7%和81.0%,人类活动对输沙量变化的影响程度较大。1980—1989年和2000—2011年具有基本相同的降雨侵蚀力条件,但后者的输沙量却比前者减少67.6%,表明2000—2011年河流输沙量的变化主要由人类活动引起,人类活动每年减少输沙量2.5亿t。     

四川省降雨侵蚀力的年内时空变化趋势特征

利用1955-2015年四川省及其相邻省份22个气象站点逐日降雨量数据,通过普通Kriging空间插值和线性回归分析方法,分析了四川省降雨侵蚀力的年内时空变化趋势。结果表明:四川省年内降雨侵蚀力与降雨量呈极显著相关,年内分布规律较为一致;四季降雨侵蚀力变化明显,夏季最高,冬季最低,各季降雨侵蚀力均是从东南向西北逐渐降低且空间分布差异显著;四季降雨侵蚀力的变化趋势都呈上升趋势,上升速率大小为夏季秋季春季冬季,其中春、夏、秋三季呈极显著性上升趋势(p0.01),冬季呈显著性上升趋势(p0.05);全省降雨侵蚀力年内时间分配呈单峰型分布,峰值在7月,省内11个站点的年内分配曲线呈单峰型和双峰型两种;省内11个研究站点的降雨侵蚀力均呈不显著上升趋势(p0.05);省内11个研究站点的降雨侵蚀力年内分布特点总体上遵循降雨侵蚀力值越大,海拔越低的负比关系,降雨侵蚀力与海拔高度呈极显著负相关(r=0.838,p0.01)。     

松涛水库流域降雨侵蚀力空间结构差异及变化规律分析

降雨侵蚀力反映降雨对土壤侵蚀的潜在能力,研究其变化规律对土壤流失预报有重要意义。对松涛水库流域25个气象站点1975-2015年全年、季节降雨侵蚀力用经验正交函数和非参数统计检验方法分析其时空格局变化。结果表明:①松涛水库流域降雨侵蚀力的空间分布为东部偏大、南部偏小。②受干、湿2季降雨和台风的影响,流域年、季节降雨侵蚀力呈现出不一致的变化趋势,夏季、秋季和冬季在1993年后降雨侵蚀力偏大的年份增多。③年均、季节降雨侵蚀力的空间结构存在差异,降雨侵蚀力增大的地区主要集中分布在年均降雨的南部,春季的中、西部,夏季的北部,秋季的东、北部;冬季的东南部。④流域全年、季节降雨侵蚀力具有反位相变化模态,反位相变化模态应该与干、湿2季降雨差异有关。由于暴雨量和暴雨次数增加,自1990年后降雨侵蚀力呈上升趋势。     

降雨特征分析及其与旱涝关系的探讨

以河北省雄县试区为代表。进行了雨量资料的合理性检验和年雨量周期性变化趋势的分析，计算了丰、平、枯３种降雨状态的转移概率及最大１日和最大３日设计雨量，并对降雨的时空分布特性及其与旱涝的关系进行了初步探讨。     

杨凌天然降雨侵蚀力初步研究

天然降雨是土壤侵蚀的动力因子之一,是研究降雨侵蚀力规律的基本依据.本研究以天然降雨特性为基础,对降雨侵蚀力进行了初步研究.实验运用虹吸式雨量计记录杨凌的天然降雨过程,同时采用滤纸色斑法观测天然降雨雨滴的特征,结合图形处理软件Image-J处理雨滴直径.研究结果表明:该区天然降雨雨滴大小分布符合Best函数式;降雨强度大小直接决定雨滴中数直径和降雨动能的大小,在与国内外经验关系式对比中,与江忠善所研究的降雨动能最接近,同时由于雨型的不同和观测范围的限制而存在一定差异.     

吉林省新立城水库农业非点源污染系统模拟研究

以吉林省新立城水库为研究对象,通过数字高程图DEM、土壤参数、数字土地利用图、可侵蚀性因子K值、降雨侵蚀力R等参数的确定,建立了基于AnnAGNPS的农业非点源污染模拟模型,通过模型模拟,获得了该研究区水域总氮、总磷和泥沙总输出量,并对研究区非点源负荷进行了分析.     

资料匮乏地区山洪灾害临界雨量计算方法研究

在易发山洪灾害且没有实测水文资料的地区,临界雨量的确定非常困难。结合山西省吕梁市张家坪流域基础资料,阐述了灾害降雨同频率法,基于推理公式的临界雨量计算法和基于流域模型的临界雨量计算法通过建立不同水文模型由洪峰流量推求临界雨量,临界雨量由3种方法综合分析确定。计算结果证明:推理公式法和流域模型法对资料匮乏地区山洪灾害雨量预警有很好的实用性,推理公式法计算结果偏小且随着预警时段的增长,两种方法计算结果相差越大。     

面雨量计算不确定性对新安江模型径流模拟的影响研究

降雨是流域水资源最直接的来源,其过程影响流域水资源的产生和汇聚,对流域的径流过程影响显著。基于新安江模型,以涪江流域为研究对象,采用泰森多边形法、反距离权重法进行面雨量计算,模拟2007-2012年的日径流系列,研究了雨量站网密度、降雨空间插值方法对面雨量计算结果及径流模拟精度的影响,在此基础上进一步探讨了面雨量计算相对偏差与径流量模拟相对偏差之间的关系。结果表明:雨量站点越多面雨量计算的不确定性越小,径流模拟精度越高;在涪江流域内插值站点数目较少时,反距离权重法的径流模拟精度更优,站点数目较多时,泰森多边形法的径流模拟精度略优于反距离权重法;径流量模拟相对偏差与面雨量计算相对偏差不存在明显的相关关系,随着面雨量计算相对偏差的增大,径流量模拟相对偏差呈震荡变化。     

Modelling soil detachment rates in rainfed agrosystems in the south-central Pyrenees

Distributed erosion models are potential tools for identifying soil sediment sources and guiding efficient Soil and Water Conservation (SWC) planning. However, the uncertainty of model predictions has yet to be resolved. Splash erosion is one of the most important mechanisms in soil loss. In this study, monthly splash detachment rates were predicted using the Morgan, Morgan and Finney (MMF) empirical erosion model and the more complex Revised Morgan, Morgan and Finney (RMMF) erosion model. These two models were used to assess active and abandoned fields in the Spanish Pyrenees. Land uses were barley fields, pasture, recently and old abandoned fields. Input parameters assessed were rainfall characteristics, soil properties, land forms, and land cover. The splash detachment rates predicted by the MMF and the RMMF models were higher for barley fields than for pasture and abandoned fields. However, the more complex RMMF model predicted lower splash detachment rates, especially in pastures. In contrast, runoff detachment was highest in old abandoned fields although rates were much lower than those of splash detachment. Moreover, soil detachment by runoff was low or equal to zero from November to May for the different land uses since the soil remained unsaturated during this period as a consequence of low rainfall intensities and soil surface roughness. Monthly values for total detachment were highest in barley fields, reaching a maximum of 17.2 and 16.9 Mg ha⁻¹ in September and October. The mean annual detachment rates for barley, pastures and recently and old abandoned fields were 81.1, 0.8, 61.8 and 22.3 Mg ha⁻¹, respectively. The splash and runoff detachment rates of the RMMF model appeared to be sensitive to land cover factors, rainfall intensity and soil micro-topography, thus it is a better model for assessing soil detachment for various land uses. The comparison of erosion rates between the ¹³⁷Cs and the MMF and RMMF models shows that the models predict lower erosion rates due to the low estimated rates of the runoff transport capacity. However, the estimated and measured rates are in close agreement and are under the limit of the tolerable soil loss for soils under Mediterranean conditions.     

不同地表条件下土壤侵蚀的坡度效应

通过野外人工模拟降雨的方法，对不同地表条件下的径流和产沙的变化与坡度、降雨量、降雨强度等因素进行了相关分析，并在此基础上，就上述过程中的坡度效应进行了评价。结果表明，在相同降雨作用下，坡度对土壤侵蚀影响表现为：光滑地表大于中等粗糙地表大于粗糙地表；但在不同地表条件下，坡度与侵蚀和径流的相关性表现出不同。相对光滑地表，中等粗糙与粗糙的地表。在不同降雨作用下，径流量与侵蚀量，随坡度的变化，表现出不同的变化规律。且存在着一定的临界坡度。这一研究，为该区域坡耕地水土保持措施的配置提供了一定的理论依据，同时也可服务于黄土高原退耕还林（草）工程的实施。     

雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响

基于人工模拟降雨试验,研究了雨型对东北黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响。根据典型黑土区侵蚀性降雨标准及雨型特征,试验设计了总降雨量相同(降雨量为87.5 mm)的5种不同雨型,即增强型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125 mm/h)、减弱型(降雨过程中降雨强度分布为125-100-75-50 mm/h)、峰值型(降雨过程中降雨强度分布为50-75-100-125-100-75-50 mm/h)、谷值型(降雨过程中降雨强度分布为100-75-50-75-100 mm/h)和均匀型(降雨过程中降雨强度保持75 mm/h不变),以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°)。结果表明,受前期预降雨的影响,各雨型处理的顺坡垄作坡面径流量差异较小,但坡面侵蚀量存在明显差异,其中峰值型雨型引起的坡面侵蚀量最大,分别是谷值型、减弱型、均匀型和增强型雨型处理下的1.20、1.63、1.78、1.80倍。引起侵蚀量较大的雨型(峰值型、谷值型和减弱型)在典型黑土区天然降雨中出现频次超过70%,这可能是该区夏季顺坡垄作坡面侵蚀作用强烈的重要原因之一。同一降雨强度在不同雨型中出现的时序不同,其产生的径流量和侵蚀量对总径流量和总侵蚀量的贡献率也不相同。除125 mm/h外,同一降雨强度出现在起始阶段产生的侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率显著大于其出现在其他阶段对坡面总侵蚀量的贡献率。     

雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响

基于模拟降雨试验和纱网覆盖消除雨滴打击作用的试验方法,研究雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀特征的影响。试验包括3种黄土高原代表性的侵蚀性降雨强度(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°和20°)。结果表明,与有雨滴打击试验处理相比,纱网覆盖消除雨滴打击后,坡面径流稳定产流率和含沙量均明显减小;坡面侵蚀量和细沟侵蚀量分别减少28.1%~47.7%和20.2%~38.6%;而细沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献率增加。消除雨滴打击后,坡度对细沟侵蚀的影响与有雨滴打击时相同,而降雨强度对细沟侵蚀的影响增加。有、无雨滴打击试验处理的细沟密度和割裂度均随着降雨强度和坡度的增加而增大;而细沟倾斜度的变化较为复杂,所以细沟密度和割裂度可作为描述细沟形态的最佳指标。试验结果还表明,雨滴打击对细沟沟槽形状也有间接影响,即消除雨滴打击后,细沟宽度和深度的变异程度减小,沟槽形状更为规则。同时,有雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度和降雨强度的增加而减小,而无雨滴打击试验处理的细沟宽深比随着坡度的增加而减小,随着降雨强度的增加呈微弱的增加趋势。     

Controlling factors of sheet erosion under degraded grasslands in the sloping lands of KwaZulu-Natal, South Africa

The current increase in the global demand for food and fresh water and the associated land use changes or misuses exacerbate water erosion which has become a major threat to the sustainability of the soil and water resources. Soil erosion by rainfall and runoff is a natural and geologic phenomenon, and one of the most important components of the global geochemical cycle.Despite numerous studies on crop lands, there is still a need to quantify soil sheet erosion (an erosion form that uniformly removes fertile upper soil horizons) under grasslands and to assess the factors of the environment that control its spatial variation. For that purpose, fifteen 1 m² micro-plots installed within a 23 ha catchment under pasture in the sloping lands of KwaZulu-Natal (South Africa) were monitored during the 2007-2008 rainy season to evaluate runoff (R) and sediment losses (SL). Soil losses computed from the 37 rainfall events with soil erosion averaged 6.45 ton ha⁻¹ year⁻¹with values from 3 to 13 ton ha⁻¹ year⁻¹. SL were significantly correlated with the proportion of soil surface coverage by the vegetation (P < 0.01) whereas the slope gradient, and soil characteristics such as bulk density or clay content were not correlated. R and SL increased as the proportion of soil surface coverage decreased and this trend was used to predict the spatial variations of sheet erosion over the 23 ha catchment. Greater sheet erosion occurred at the catchment plateau and at the vicinity of gully head cuts probably in relation to regressive erosion. Mitigating sheet erosion would require an appropriate management of the soil cover through appropriate management of cattle grazing, especially at places where “natural” erosion is likely to occur.     

黄土坡面细沟侵蚀及水动力学参数的时空变化特征

坡面细沟侵蚀速率和水动力学参数在坡面细沟发育过程中存在明显的时空变化。基于间歇性人工模拟降雨和三维激光扫描技术提取的高精度DEM,分析了黄土坡面细沟发育不同主导过程中细沟侵蚀和水动力学参数的时空分布规律。结果表明,细沟侵蚀速率和总侵蚀速率的最大值出现在以细沟沟底下切侵蚀为主的细沟发育活跃期,最小值出现在以沟头溯源侵蚀为主的细沟发育初期。细沟侵蚀速率与总侵蚀速率随降雨历时的变化皆呈先上升后趋于稳定,并在一定范围内波动的变化趋势,且总侵蚀速率早于细沟侵蚀速率达到稳定。细沟侵蚀量随单位斜坡长呈先上升后下降的抛物线形式分布,细沟侵蚀速率的最大值出现在坡面中下部。90 mm/h降雨强度下径流剪切力、径流功率和单位径流功率分别是60 mm/h降雨强度下的1.3、1.1、1.4倍。细沟间水流和细沟流的水动力学参数随降雨历时的增加呈不同的变化趋势。两种降雨强度下,径流剪切力、径流功率和单位径流功率随单位坡长的分布均呈波动上升趋势。单宽细沟侵蚀量与水动力学参数之间呈线性正相关关系,细沟发育初期坡面侵蚀发生的临界径流剪切力、临界径流功率和临界单位径流功率最大。     

基于模拟降雨的北京褐土坡地土壤团粒流失特征试验

选取20°北京典型褐土坡面径流小区为试验对象,基于野外人工模拟降雨试验和有无雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响,研究了坡面土壤团粒组成及其变化特征,揭示了坡面侵蚀过程中泥沙团粒的分离和输移规律。试验处理包括3种代表性降雨强度(35、65、100 mm/h)和3种植被盖度(0%、30%、80%)。结果表明,消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀特征变化明显,坡面含沙量和土壤分离率分别减少25.91%~31.15%和35.10%~41.20%,坡面侵蚀泥沙团粒中值粒径均小于雨滴击溅坡面。通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值(E/U)分析泥沙团粒的粒径分选特征,发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在,而粗粉砂以初级粒子形式存在;随着降雨历时延长,侵蚀泥沙各粒级的分离程度增加,泥沙颗粒逐步分解为初级粒子。坡面侵蚀泥沙分离规律表明,泥沙团粒结构变化与坡面水动力学特征密切相关,土壤团聚体分形维数(D)与时间(T)呈幂函数关系。坡面产流前雨滴击溅对土壤分离有重要作用,其对土壤分离贡献率为28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分形维数增量是有雨滴打击增量的48.43%。在该区坡地泥沙颗粒输移过程中,稳定性较差的砂粒被分解为细小颗粒,粗粉砂多以初级粒子形式存在,对坡面侵蚀泥沙颗粒分离过程具有重要影响,而粘粒在侵蚀坡面则逐渐富集。     

黄土高原北部草地表层土壤水分状态空间模拟

为探明黄土高原北部草地表层土壤水分空间分布特征及其与环境因素的关系，该文用自回归状态空间模型和经典统计的线性回归模型对该区草地表层土壤含水率的分布状况进行了模拟。结果表明，状态空间方程可以应用于环境因素复杂的黄土高原水蚀风蚀交错区，其拟合效果优于线性回归模型。单因素中基于饱和导水率的模拟效果最佳（R2 = 0.936）；多因素模拟中以饱和导水率+海拔+凋落物模拟效果最佳（R2 = 0.976），可以很好地解释表层土壤水分的变异状况。自回归状态空间模型可用于研究黄土高原北部水蚀风蚀交错区表层土壤水分与其他因素的空间关系。     

不同密度砒砂岩风化物坡面水蚀机理试验研究

为研究砒砂岩风化物坡面水蚀机理,以期对鄂尔多斯水土流失治理提供数据参考,采用降雨模拟系统进行不同雨强、不同密度下降雨侵蚀试验,用直剪仪测得密度为1.7 g/cm³砒砂岩风化物的黏聚力和内摩擦角,揭示了各密度坡面入渗产流及侵蚀特点的成因.结果表明:密度为1.7 g/cm³的坡面稳渗率随雨强的增大而增大;对于1.5 g/cm³的坡面侵蚀量对入渗速率的敏感率最高,1.6 g/cm³的坡面侵蚀量对累积入渗深度的敏感率最高,而1.7 g/cm³的坡面侵蚀量对产流量的敏感率最高;抗剪强度和侵蚀量的时程曲线呈负相关并有一定的对应性.从直剪试验和敏感度分析的角度均表明造成1.7 g/cm³坡面侵蚀的主因是水流冲刷.