淮河流域降雨-侵蚀背景及时空演变特征

当前全球气候正经历以变暖为主要特征的显著变化,为土壤侵蚀及水土流失的防治提出新的挑战。研究探索气候变化特别是降雨变化特征、时空演变及对侵蚀的潜在影响,是深刻认识气候变化与土壤侵蚀之间关联,减少未来水土流失防治不确定性的前提和基础。以降雨侵蚀力为指标,对淮河流域降雨—侵蚀背景及时空演变特征进行了计算分析。结果表明:1951—2008年间流域多年降雨的潜在侵蚀能力为5 269.12 MJ/(mm.hm2.h),峰值位于南部的大别山区。时间演变上,全流域多年降雨—侵蚀背景未呈现显著增减趋势。空间变化上,周口、大别山区及蚌埠附近三个地区潜在侵蚀背景的上升趋势最为显著,北部鲁中南低山丘陵沿脉区域也呈现一定上升趋势,以上区域应优先加强侵蚀防治对未来降雨变化的适应研究。     

渭河流域降雨侵蚀力时空分布特征

[目的]揭示渭河流域降雨侵蚀力的时空变化特征,为区域水土保持规划提供依据。[方法]根据渭河流域及其周边范围30个气象站点1957—2014年逐日降雨资料,采用章文波日降雨量侵蚀模型计算各站点的降雨侵蚀力,分析其空间分布规律和年内分布特征。[结果]渭河流域多年平均降雨侵蚀力值分布范围为806.25~3 510.81 MJ·mm/(hm2·h),平均值1 798.97 MJ·mm/(hm2·h),与多年平均侵蚀性降雨的空间分布基本一致,总体呈现西北低东南高的趋势。渭河流域降雨侵蚀力年内变化呈单峰型,主要集中在7—9月,占全年降雨侵蚀力的63.91%。北部黄土高原地区和关中平原发生水土流失的时期集中在7—9月,而秦岭北麓地区5—10月均有可能发生较大的水土流域,侵蚀风险由西北向东南递增。流域降雨侵蚀力年际波动较大,年际变率Cv值在34%~56%之间,整体而言,流域西北部地区的降雨侵蚀力年际变化幅度大于东南部地区。除洛川、长武、环县、平凉4个站点降雨侵蚀力在研究时段内有所增大外,其余地区降雨侵蚀侵蚀力呈不同速率的减小趋势。[结论]渭河流域降雨侵蚀力时空分布差异显著,尽管流域降雨侵蚀力呈减弱趋势,由于流域地处黄土高原,水土保持与水源涵养工作仍需高度重视。     

赣江上游平江流域降雨侵蚀力的时空分布特征

[目的]研究赣江上游平江流域降雨侵蚀力的时空变化规律,为流域治理措施的制定提供参考。[方法]利用平江流域内10个雨量站点1989—2018年共30 a的日降雨量数据,采用降雨侵蚀力日降雨简易计算模型和Mann-Kendall趋势检验等方法,对平江流域降雨侵蚀力的时间分布规律进行研究;借助ArcGIS 10.1中的克里金插值法对平江流域的降雨侵蚀力进行空间分析。[结果]平江流域降雨侵蚀力在1989—2018年间平均值为4 233 MJ·mm/(hm~2·h·a),最大值为6 766.5 MJ·mm/(hm~2·h)(2015年),最小值为2 191 MJ·mm/(hm~2·h)(2003年);流域内30 a降雨侵蚀力变化较为平稳,年际间呈现出不显著的增加趋势,年内分布同降水量一致,表现为双峰型,分别在6月和8月。降雨侵蚀力在空间上表现为由东北向中南方向递减,而后向西南方向递增,最大值出现在北部城冈站附近,最小值出现在中南部龙口站附近。[结论]平江流域降雨侵蚀力的时空分布特征与流域内降水时空分布基本一致。对流域水土流失防治工作而言,春季应尤其注意降雨侵蚀力较大且出现上升趋势的流域北部地区,夏季和冬季应更加注意流域西南部。     

珠江流域1960―2012年降雨侵蚀力时空变化特征

降雨侵蚀力反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力,研究其时空变化特征对流域土壤侵蚀监测、评估、预报和治理等工作具有重要意义。根据珠江流域43个气象站1960-2012年逐日降雨资料计算各站点降雨侵蚀力,采用线性回归,Mann-Kendall方法,小波分析和Kriging插值等方法对流域降雨侵蚀力进行了时空变化分析。结果表明:珠江流域多年平均降雨侵蚀力值的分布范围为1 858.0~14 656.6 MJ·mm/(hm2·h),平均值为7 177.1 MJ·mm/(hm2·h),与多年平均降雨量极显著相关(相关系数0.952,P0.01),空间分布规律与多年平均降雨基本一致,即总体上均呈从东到西逐渐递减的规律,被统计站点的降雨侵蚀力随着经度增加而增加,但随纬度增加而减少;流域年、季节、汛期和非汛期降雨侵蚀力变化趋势均不显著,均没有发生显著的突变,其中春、秋两季降雨侵蚀力呈下降趋势,其余时间段呈上升趋势;珠江流域大部分地区年降雨侵蚀力呈上升的趋势,其中韶关站点上升显著,沾益站、风山站、河池站、百色站、柳州站、融安站和桂林站的冬季降雨侵蚀力同样上升显著,这些地区面临的水土保持压力较大;流域年均降雨侵蚀力变化主周期为3.8 a,且存在2.0~7.0 a的振荡周期。研究结果可为珠江流域的水土保持、农业和生态保护,灾害控制等工作提供科学决策依据。     

三峡库区香溪河流域降雨侵蚀力的时空分布特征

为研究流域降雨侵蚀力变化规律,利用三峡库区香溪河流域内10个雨量站1971—2010年的日降雨资料,采用降雨侵蚀力日降雨简易模型,分析该流域降雨侵蚀力的年内分配和年际变化规律。在Arc GIS软件支持下,采用克里格插值研究流域降雨和降雨侵蚀力时空变化特征。结果表明:香溪河流域降雨侵蚀力多年变化范围为2 465.26~7 419.29 MJ·mm/(hm2·h),多年平均均值为4 535.63 MJ·mm/(hm2·h),降雨侵蚀力R值的年际分配差异明显,最大年R值为最小年R值的3倍;流域侵蚀力空间变化趋势为从西向东逐渐递减;流域近40多年的降雨和降雨侵蚀力系列比较平稳,经Mann-kendall检验无显著的变化趋势。流域降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力年内分布较集中,汛期降雨量、汛期侵蚀性降雨量、汛期降雨侵蚀力占全年的比例分别为85.4%、92.4%和94.0%。     

嘉陵江流域降雨侵蚀力时空变化分析

降雨侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,对预测土壤侵蚀量具有重要意义。对嘉陵江流域12个气象站的日降雨量资料,利用章文波日降雨侵蚀力模型估算流域的降雨侵蚀力。结果表明:嘉陵江流域降雨侵蚀力的空间变异与降雨量的空间分布趋势基本一致,由东南向西北递减,变化于800～9 000MJ.mm/(hm2.h.a)之间;流域内降雨侵蚀力年际变率Cv在0.346～0.493之间,除平武站呈显著减少外并无显著变化趋势;年内降雨侵蚀力随季节变化,夏秋季降雨侵蚀力较大,冬春季降雨侵蚀力较小。降雨侵蚀力年内集中度高,6—9月份的降雨侵蚀力占全年降雨侵蚀力的80%以上。近50a降雨侵蚀力存在35a,21a的主周期变化,且对应不同的丰枯状态。研究结果表明,虽然年降雨侵蚀力无明显变化,但年内却相对集中于夏秋两季,因此仍要做好汛期的水土流失等灾害的防治。     

试验研究三峡库区大宁河流域降雨侵蚀力的时空变化

[目的]分析流域降雨侵蚀力时空变化规律,为水土流失预报及水土保持措施科学配置提供依据。[方法]以三峡库区大宁河流域内13个雨量站41 a 日降雨资料为基础,采用侵蚀力简易模型,分析了该流域降雨侵蚀力的年内分配和年际变化规律,并在软件 ArcGIS 10．2支持下,探讨流域降雨侵蚀力时空变化特征。[结果]大宁河流域年均降雨侵蚀力为7245．55 MJ ? mm／（hm2? h ? a）,它在空间上与流域降雨分布特征基本一致,呈现由东、西向流域中部逐渐减小的趋势,而南北差异较小;最大和最小降雨侵蚀力分别位于流域西北部的建楼站和南部的巫山站;降雨侵蚀力多年变化范围为3619．55～11109．14 MJ ? mm／（hm2? h ? a）。降雨侵蚀力的年内分布呈双峰型,集中程度高,4—10月占全年的95％。[结论]大宁河流域降雨侵蚀力和降雨变化年内分配一致,侵蚀力时空特征除与流域降雨量分布密切相关外,还与区域降雨格局及地形地貌等因素有关。     

闽西典型红壤区降雨侵蚀力变化特征研究

闽西典型红壤区土壤侵蚀较为严重,尤其是长汀、宁化等县,属国家级水土流失重点治理区.以闽西地区1980-2009年10个站点的降雨资料为基础,计算其降雨侵蚀力R值,研究了该区域降雨侵蚀力的时空分布特征.结果表明:闽西典型红壤区10个站年内降雨侵蚀力分布主要集中在3-8月,呈弱双峰式分布;R值年际间变化较大,1983年最大达525.31 (MJ·mm)/(hm2·h),1991年最小为155.63 (MJ·mm)/(hm2·h),最大值是最小值的3.38倍;年降雨侵蚀力在30 a内未出现明显的突变现象;降雨侵蚀力空间分布不均匀,总体趋势为北部由东向西递增,南部由东南、西南向中间递减.     

基于GIS的岷江流域降雨侵蚀力时空特征研究

利用岷江及周边流域124个气象水文站1981-2010年的日降雨资料计算了该区域的降雨侵蚀力.通过克吕格插值法生成降雨侵蚀力的空间分布图,采用泰森多边形和K-Means聚类法将其划分为3个等级并得到各等级的空间分布格局.根据离差系数、趋势系数和倾向率指标分析了站点年际变化特征及不同等级的时空变化格局.结果显示:(1)年均降雨侵蚀力表现出东南部高,向西迅速降低的特征,且呈现以雅安乐山为中心向东北、西南递减缓慢,向西北递减迅速的环状空间分布格局;(2)岷江流域降雨侵蚀力聚类为侵蚀低、中、高值区,其聚类中心分别为1 054.73,4 594.50和7 153.75 MJ·mm/(hm·h·a),其中侵蚀低值区主要分布在岷江流域上游和大渡河支流流域,中值区主要分布在岷江中下游流域,高值区集中分布在岷江中游的雅安、乐山、眉山和都江堰地区;(3)降雨侵蚀力年际变化呈南北分异特征,以都江堰汶川小金—丹巴为界,北部变化大于南部,变化趋势呈东西分异特征,以茂县理县汶川宝兴—天全汉源—峨边沐川 宜宾一线以东呈下降趋势,以西呈上升趋势.不同地区的降雨侵蚀力变化趋势的显著程度也不同.     

沂河流域1961-2010年降雨侵蚀力时空分布特征

[目的]分析沂河流域近50 a的降雨量和降雨侵蚀力的时空变化特征,为流域水土流失防治及土地利用合理规划等工作提供参考.[方法]利用沂河流域及周边12个气象站1961-2010年的日降雨数据,基于日降雨信息的月降雨侵蚀力模型计算流域多年平均降雨侵蚀力,采用Mann-Kendall非参数检验法及析取Kriging内插法分析流域降雨量和降雨侵蚀力的时空变化特征.[结果]沂河流域降雨量和降雨侵蚀力空间分布上呈现出由西南向北逐级递减的变化趋势.多年平均降雨量为789.41 mm,多年平均降雨侵蚀力为2 626.09(MJ·mm)/(hm2·h·a),两者都在1965年产生突变;降雨量和降雨侵蚀力年内分布主要集中在夏季(6-8月),分别占全年比例的63.02％和71.22％,二者最大值都出现在7月,且秋季对流域多年降雨量的减少趋势贡献最多,夏季的降雨侵蚀力上升幅度最大.[结论]沂河流域的降雨量和降雨侵蚀力空间分布趋势相似,不同月份的降雨量与降雨侵蚀力差异不同.     

河南省降雨侵蚀力空间分布特征

利用河南省59个气象站1961—1990年30年年均降雨量资料,计算了各站点的多年平均年降雨侵蚀力,并对其进行统计分析和空间插值计算。研究结果表明:河南省多年平均年降雨侵蚀力R值在1999.9~7638.9 M J.mm/(hm2.h.a)之间,R值在2000~3000 M J.mm/(hm2.h.a)的分布最广,约占河南省总面积的47%,多年平均年降雨侵蚀力R值具有从南到北递减的特点,并计算了各县(市、区)的多年平均年降雨侵蚀力R值。本研究成果为进行河南省水土流失预报和水土保持措施评价提供了基础资料。     

洱海弥苴河流域降雨侵蚀力特征研究

收集了洱海弥苴河流域内5个雨量站1997—2006年共10年的逐日降雨量及洱源县气象站1957—2000年共44年的逐年降雨量资料,对比分析了不同降雨侵蚀力估算方法的适用性,在此基础上对1997—2006年间弥苴河流域降雨侵蚀力的年内和空间分布特征及1957—2000年间降雨侵蚀力的长期年际变化特征进行了较为详细的探讨。研究结果表明:RUSLE模型中采用的降雨侵蚀力估算方法,对采用不同降雨资料所估算的年均降雨侵蚀力结果均具有较高的精度;1997—2006年间弥苴河流域年均降雨侵蚀力R值为1 941.8 M J.mm/(hm2.h.a),并且集中分布于6—10月,其中以7—9月的集中程度最高;1997—2006年10年内流域年均降雨侵蚀力的空间分布呈现北部→西南部→中部→东南部依次降低的特点;1957—2000年间流域年均降雨侵蚀力R值为2 352.1 M J.mm/(hm2.h.a),逐年降雨侵蚀力大致呈现出10年左右的周期性变化。     

基于Hurst指数与相关系数的降雨侵蚀力变异识别与分级方法

变化环境下区域降雨侵蚀力的时空变化问题对区域水土流失防治工作提出了新的挑战。降雨侵蚀力序列不再是纯随机序列,往往存在趋势、跳跃或者周期的变化,在对降雨侵蚀力序列分析与计算时,现有研究往往采用单一的检验方法,缺乏对降雨侵蚀力序列各类成分的综合比较,所得到的结果可信度及其程度如何无法判断。该研究提出了基于Hurst系数和相关系数的降雨侵蚀力序列联合分析方法。该方法首先计算降雨侵蚀力序列的Hurst系数,引用水文序列变异的概念,从统计学角度将降雨侵蚀力序列确定性成分分为三级(无变异、弱变异和强变异)。然后通过多种检验方法综合检验,将得到的结果与原序列进行相关性分析提取相关系数最大的确定性成分(趋势、跳跃和周期),对其进行剔除,重复上述步骤,将降雨侵蚀力序列中的确定性成分进行一一分解,最终得出的降雨侵蚀力序列将是一个随机序列与确定性序列的组合。实际应用中,根据长江流域174个气象站点1961—2014年逐日降雨资料,对流域内各气象站点年降雨侵蚀力序列进行确定性成分分析与分级结果表明:长江流域174个气象站点中有130个站点降雨侵蚀力序列无明显变异,有31个站点降雨侵蚀力序列出现弱变异,有13个站点降雨侵蚀力序列出现强变异。以重庆奉节站为例进行综合检验,分析结果为整体强变异,该站年降雨侵蚀力序列存在复合周期和跳跃成分,其中复合周期为5 a和16 a,向下的跳跃点为2011年。该研究为变化环境下区域降雨侵蚀力预测提供理论依据。     

基于USLE的广东省山区土壤侵蚀量估算及特征分析

基于通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)、遥感和ArcGIS空间分析技术,通过合理选择USLE模型中各土壤侵蚀因子的计算方法,对广东省山区土壤侵蚀量进行了估算,并对山区土壤侵蚀随土地利用类型、土壤类型、坡度及海拔高度的分布特征进行了分析。结果表明,广东省山区2000年土壤侵蚀总量为1.23×10⁸ t,年均侵蚀模数为1 080t/(km²·a),侵蚀强度为轻度。不同土地利用类型中,旱地的侵蚀强度最高,达2 055t/(km²·a),林地和草地的侵蚀模数较小,分别为908和932t/(km²·a)。不同坡度等级的土壤侵蚀特征表现为坡度越陡,侵蚀强度越大。不同海拔高度的侵蚀特征表现为在0~1 600m高度,侵蚀强度随海拔高度的升高而增大;海拔高于1 600m时,侵蚀强度随海拔高度的升高而下降。     

日照市降雨侵蚀力时空分布特征

为掌握山东省日照市降雨侵蚀力时空分布特征,提高日照市水土保持规划与决策的科学性,利用日照市水利局雨量遥测系统61个雨量站点2005-2014年日降雨资料计算降雨侵蚀力,并运用Excel 2013、ArcGIS 10等工具分析日照市降雨侵蚀力的时空分布特征.结果表明:1)从年度变化来看,日照市站均年度降雨侵蚀力最大值(2008年)是最小值(2014年)的2.90倍,站均汛期降雨侵蚀力最大值(2007年)是最小值(2014年)的3.74倍.从月度变化来看,降雨侵蚀力主要集中在5-9月,尤其集中在7-8月.2)从空间分布来看,各站点年均降雨侵蚀力、汛期降雨侵蚀力呈现东南沿海地区较高、内陆地区较低、中部地区最低的特征,变化范围分别在2 942.07 ～4 921.45、2 694.36～3 921.78 MJ· mm/(hm2·h·a)之间,分区县看,岚山区最高,东港区次之,莒县和五莲县较低;各月的降雨侵蚀力重点也不尽相同.3)从时间变异来看,站均年度降雨侵蚀力变化范围在1 831.55 ～5 306.12 MJ·mm/(hm2·h·a)之间,均值、中值分别为3 826.01、4 053.62 MJ·mm/(hm2·h·a),标准差1 089.46MJ·mm/(hm2·h·a),变异系数28.48％;站均月度降雨侵蚀力变化范围在1.23 ～1 171.93 MJ·mm/(hm2·h·a)之间,均值、中值分别为318.83、61.51 MJ·mm/(hm2·h·a),标准差397.99 MJ· mm/(hm2·h·a),变异系数124.83％.4)从空间变异来看,各站年均降雨侵蚀力变化范围在2 755.23 ～5 061.15 MJ·mm/(hm2·h·a)之间,均值、中值分别为3 826.01、3 730.97 MJ·mm/(hm2·h·a),标准差512.81 MJ·mm/(hm2·h·a),变异系数13.40％.本研究结果可为日照市水土保持规划与决策、土壤侵蚀预报等提供参考.     

云蒙湖流域不同土地利用类型的土壤侵蚀特征分析

在RS与GIS支持下,获取云蒙湖流域土地利用空间数据,选用RUSLE模型估算土壤侵蚀量,对云蒙湖流域不同土地利用类型的土壤侵蚀特征进行分析。结果表明:1986—2010年间,土壤年总侵蚀量由647万t降至630万t,水土保持生态恢复工程取得了一定的成效;云蒙湖流域耕地土壤侵蚀最为严重,1986年和2010年土壤侵蚀模数高达5 325t/(km2·a)和5 504t/(km2·a),分别占土壤侵蚀总量的85.8%和84.7%;草地是重点治理的另一对象,强度以上等级侵蚀都分别占总侵蚀面积的40%和44%;随着耕地和草地类型的转入,居民用地侵蚀面积由1986年的1 010hm2增至2010年的2 608hm2,土壤侵蚀总量由5.4万t增至14.2万t,是变化较为明显的土地利用类型。     

木论喀斯特森林水土流失规律研究

森林水土流失是森林水文生态效益评价的重要指标。通过坡面径流小区测流法,于2006—2010年连续5a对木论喀斯特森林及灌草坡植被进行水土流失的对比观测研究。结果表明:(1)林地年地表径流量为0.78～2.85mm,年均值为1.77mm,占年均降雨量的0.10%,比灌草坡(5.87mm)减少了69.8%;(2)林地年土壤侵量为9.9～28.5kg/hm2,年均值为17.7kg/hm2,比灌草坡(58.7kg/hm2)减少了69.8%;(3)林地年养分(N,P,K)流失量为0.008～0.028kg/hm2,年均值为0.019kg/hm2,比灌草坡(0.064kg/hm2)减少了70.3%;(4)土壤及养分流失主要集中在5—8月,分别占全年流失总量的76.3%,92.7%,与该区同期降雨量的年内分配相匹配。     

137Cs和210Pbex双核素示踪"三北"防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化

为查明"三北"防护林建设前后农耕地和退耕地土壤保持效益变化，利用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，选择了防护林建设较为成功的张家口坝上地区（风力侵蚀区）作为典型区，研究了农耕地以及退耕地土壤137Cs和210Pbex的剖面变化规律及其示踪的土壤侵蚀变化。结果表明：1）由于耕作的混匀作用，农耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex均呈均匀态分布；退耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex则表现为表层（0～5cm）浓度最高、下层（5～25cm）浓度均相对较低且分布相对均匀的形态，这表明退耕后坡地土壤137Cs和210Pbex剖面形态均会发生一定变化，退耕驱动土壤137Cs和210Pbex剖面变化导致运用土壤核素估算侵蚀模型在该区域难以适用；2）基于土壤137Cs和210Pbex剖面变化规律，利用210Pbex质量平衡方程，提出了退耕地土壤210Pbex土壤侵蚀估算模型；3）利用137Cs比例模型估算退耕地土壤侵蚀速率为27.94±11.92 (t/hm2·a)，农耕地侵蚀速率为29.11±14.42 (t/hm2·a)，而利用修正后的210Pbex转换模型估算得到"三北"防护林区退耕地造林前平均侵蚀速率为82.16±14.36 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率为-41.28±33.91 (t/hm2·a)；农耕地造林前平均侵蚀速率为68.55±22.11 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率-8.52±47.32 (t/hm2·a)。这表明137Cs示踪技术主要表征了1963年以来该区坡地土壤侵蚀和沉积的平均结果，而210Pbex示踪技术则可以较好地示踪防护林建成前后的土壤侵蚀变化。此外，研究结果也表明，相比于"三北"防护林建成之前，建成之后该区农耕地和退耕地的土壤侵蚀速率均呈显著下降趋势，且均由前期的风沙侵蚀转变成了风沙沉积。