基于GIS的榆林市降水對(duì)土壤影響的調(diào)查

王 焜

(長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710061)

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基于GIS的榆林市降水對(duì)土壤影響的調(diào)查

王 焜

(長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710061)

根據(jù)榆林市以及周邊地區(qū)19個(gè)站點(diǎn)10年間的降雨資料，用相關(guān)的計(jì)算方法和地理信息軟件對(duì)榆林市全部區(qū)域降雨侵蝕力(R值)進(jìn)行差異分析，并重點(diǎn)分析榆林市內(nèi)3個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)空間特征和時(shí)間特征。結(jié)果表明：榆林市降雨侵蝕力由西北向東南方向延伸變化，與降雨量的變化基本保持一致。研究區(qū)的降雨侵蝕力范圍介于82 J·cm/(m2·h2·a2)～105 J·cm/(m2·h2·a2)之間，且降雨侵蝕力有繼續(xù)增高的趨勢(shì)。研究結(jié)果為榆林市的水土流失防治工作提供了參考依據(jù)。

榆林；R值；降雨量；水土流失

降雨侵蝕力即由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)由降雨所引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)，是降雨物理性質(zhì)的函數(shù)[1]。降雨引起水流對(duì)土壤的侵蝕和搬運(yùn)作用不可忽視，尤其是近年來(lái)全球氣候變化導(dǎo)致的極端天氣等情況。當(dāng)下我國(guó)很多地區(qū)正在實(shí)行生態(tài)保護(hù)紅線體系的劃定，在劃定因素中降雨侵蝕力因子對(duì)土壤影響的研究變得同為重要[2-5]。降雨造成的土壤侵蝕會(huì)造成植被退化、水土流失等情況，也是我國(guó)西北地區(qū)亟需解決的一項(xiàng)土地問(wèn)題[6-7]。陜西省榆林市地貌形式復(fù)雜，北部生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，南部高山丘陵造成的水土流失情況嚴(yán)重。本文通過(guò)十年間榆林降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征來(lái)對(duì)當(dāng)?shù)亟涤陮?duì)土壤的影響和趨勢(shì)做出研究分析，從而為榆林市水土流失防治工作提出參考依據(jù)。

一、研究地區(qū)與研究方法

(一)研究區(qū)概況

榆林市位于中國(guó)陜西省最北部，地跨東經(jīng)107°28′～111°15′，北緯36°57′～39°35′之間，東西長(zhǎng)309km，南北寬295km，總面積4.3萬(wàn)km2。地處黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡區(qū)域，西鄰甘肅、寧夏，北連內(nèi)蒙古，東與山西隔黃河相望。地勢(shì)西北高，東南低，最高點(diǎn)在定邊南部的魏梁，海拔1907米，最低點(diǎn)在清澗無(wú)定河入黃河口，海拔560米。榆林市地貌以黃土丘陵溝壑區(qū)為主，位于榆林南部，面積約2.2萬(wàn)km2，占榆林市面積的51.75%，北部的風(fēng)沙草灘區(qū)面積約1.6萬(wàn)km2，占榆林市面積的36.7%，西南部的梁狀低山丘陵區(qū)面積約5000 km2，占榆林市面積11.55%。

該區(qū)屬暖溫帶至中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,日差較大,年平均氣溫8℃,年平均降水400mm左右。日照充足、光能資源豐富，年日照時(shí)數(shù)2600～2900小時(shí)。冬季12-2各月的月平均氣溫在-5至-9℃之間，夏季6-8各月的月平均溫度均在20℃以上。由于該區(qū)地處毛烏素沙地和黃土高原過(guò)渡地帶，黃土丘陵溝壑縱橫，加上降雨量和蒸發(fā)量的不均衡,導(dǎo)致地區(qū)土壤侵蝕較為強(qiáng)烈。

(二)資料來(lái)源

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源為榆林境內(nèi)的3個(gè)氣象站點(diǎn)以及周邊較近的16個(gè)站點(diǎn)2001-2010連續(xù)十年的降水量資料進(jìn)行計(jì)算分析，其中主要的三個(gè)站點(diǎn)為榆林境內(nèi)的榆林，橫山，綏德。

(三)研究方法

降雨對(duì)土壤的影響不可忽視，由于土地利用和環(huán)保等問(wèn)題日益明顯，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究致力于降雨與土壤侵蝕關(guān)系之中。早先國(guó)外的W H Wischmeier曾在USLE方程中提出過(guò)月雨量模型來(lái)研究降雨量對(duì)土地的侵蝕影響關(guān)系[8]，Renard在RUSLE方程中使用多年平均降雨量和月降雨量，通過(guò)直接算法和Fournier指數(shù)法得出了降雨侵蝕力的計(jì)算方法[9]。國(guó)內(nèi)孫泉忠等人《中國(guó)降雨侵蝕力R值指標(biāo)進(jìn)展研究》提出因地區(qū)環(huán)境不同北方通常以EI30和EI10為主，南方地區(qū)以EI60為主[10]。根據(jù)降雨資料和研究區(qū)在陜西北方的區(qū)域特點(diǎn)，最終選取劉秉正(《渭北地區(qū)R的估算及分布》)的降水侵蝕模型進(jìn)行計(jì)算分析[11]：

(1)

在式(1)中R為某年降雨侵蝕力指標(biāo)(J·cm/(m2·h2·a2))，P6～9為該年6到9月降水量之和(mm)，P為該年降水量總和(mm)。利用該降雨計(jì)算公式將各個(gè)站點(diǎn)的R均值求出，加載到地理信息軟件當(dāng)中，運(yùn)用克里金法進(jìn)行插值，將最終榆林市區(qū)域的降雨侵蝕力結(jié)果進(jìn)行分級(jí)顯示。

二、結(jié)果分析

(一)降雨侵蝕力的空間分布

通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，榆林市內(nèi)外周邊19個(gè)站點(diǎn)的多年平均降水量大致在179.35～514.51 mm之間，平均年降水量為390.83mm。通過(guò)克里金插值法得出榆林市整體的降雨侵蝕力的空間分布如圖1，由圖可看出榆林市的降雨侵蝕力由西北向東南依次增高，定邊縣、府谷縣、神木縣在82～96 J·cm/(m2·h2·a2)，靖邊縣由北到南依次增高，相鄰的榆林市從西北向東南增高。在橫山縣，佳縣交界處達(dá)到高值99～105 J·cm/(m2·h2·a2)，以榆林市為中心向東南方向的米脂縣、子洲縣逐漸降低，在綏德縣西部達(dá)到新的低值88～93 J·cm/(m2·h2·a2)，清澗縣向南降雨侵蝕力再次達(dá)到高值100 J·cm/(m2·h2·a2)以上。總體是中南部侵蝕力高，西北、東北方向侵蝕力相對(duì)較弱的分布特征。

圖1 榆林市降雨侵蝕力分布圖

榆林市的主要3個(gè)站點(diǎn)平均降雨侵蝕力值和多年平均降水量如表1，在主要站點(diǎn)中，榆林的降雨侵蝕量最大，榆林不同年份的R值當(dāng)中最大與最小相差125.1664J·cm/(m2·h2·a2)。

表1 榆林市各站點(diǎn)多年平均降雨量與降雨侵蝕力

(二)降雨侵蝕力的時(shí)間變化特征。

如圖2所示主要的三個(gè)站點(diǎn)年際降雨侵蝕力都有各自的變化趨勢(shì)，有明顯的峰值和低值。在2004年三個(gè)站點(diǎn)的低值都較為一致，而各個(gè)站點(diǎn)的降雨侵蝕力變化卻有著各自的差異。降雨侵蝕力最大的榆林，于2009年達(dá)到了峰值155.6901J·cm/(m2·h2·a2)，是該區(qū)平均R值的1.47倍，是該區(qū)最小R值的5.1倍。橫山降雨侵蝕力在2003年達(dá)到峰值157.2981J·cm/(m2·h2·a2)，是該區(qū)平均R值的1.66倍，是該區(qū)最小R值的4.28倍。綏德降雨侵蝕力在2010年達(dá)到峰值136.7622J·cm/(m2·h2·a2)，是該區(qū)平均R值的1.42倍，是該區(qū)最小R值的2.67倍。根據(jù)折線圖和相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)看，綏德的年際降雨侵蝕力的變化相對(duì)較為穩(wěn)定。

圖2 主要三個(gè)站點(diǎn)年際降雨侵蝕力變化

三個(gè)站點(diǎn)年際降水量的變化如圖3所示，榆林，綏德和橫山的降雨量最低點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)在2006年，分別為248.7mm，306.06mm和267.4mm。榆林降水量峰值在2010年，為568.7mm，橫山降雨量峰值在2009年，為483mm，綏德降雨量峰值在2002年，為565.7mm。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)多年的降雨量與降雨侵蝕力的保持著密切相關(guān)，整體的變化趨勢(shì)基本協(xié)同。但也有個(gè)別年份的變化情況出現(xiàn)例外，比如2004年綏德的降雨量有所增高，但2004年的降雨侵蝕力卻存在著下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)槌私涤炅恐饨涤昵治g力也取決于降雨強(qiáng)度的影響[12]，雖然2004年的降雨量增多但是該年的降雨較為分散，因此年度的降雨侵蝕力出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖3 主要三個(gè)站點(diǎn)年際降水量變化

通過(guò)趨勢(shì)系數(shù)可以歸納出一個(gè)地區(qū)降雨趨勢(shì)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，將降雨侵蝕力作為降雨特性函數(shù)，能夠反映長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)[13]。不同時(shí)間段的降雨侵蝕力(xi)與年份序數(shù)(1，2，3…n)形成趨勢(shì)系數(shù)：

(2)

式(2)中為時(shí)間段的均值，通過(guò)r值的正負(fù)可以得知降雨侵蝕力增減的趨勢(shì)。結(jié)果如圖4所示：

圖4 主要三個(gè)站點(diǎn)降雨侵蝕力趨勢(shì)系數(shù)圖

圖4反映了三個(gè)站點(diǎn)十年間的降雨侵蝕力變化趨勢(shì)，其中橫山的正趨勢(shì)最為明顯，其趨勢(shì)系數(shù)達(dá)到了0.3838，綏德正趨勢(shì)系數(shù)較小，為0.3522，榆林趨勢(shì)系數(shù)則為0.3592。橫山降雨侵蝕力從2005年的83.5601 J·cm/(m2·h2·a2)到2010年的115.5694J·cm/(m2·h2·a2)大約增長(zhǎng)了38.3%，而橫山的同期降水量從272.8mm到426mm增長(zhǎng)了56.2%。相關(guān)數(shù)據(jù)的協(xié)同表明橫山的降雨侵蝕力的增強(qiáng)較為明顯。而正趨勢(shì)最小的綏德2005年降雨侵蝕力從114.2118 J·cm/(m2·h2·a2)到2010年的136.7622 J·cm/(m2·h2·a2)增幅為19.7%，同期降雨量從434.9 mm到457.5mm增幅僅為5.2%，增幅相對(duì)較小，但該區(qū)降雨侵蝕力的增加依然值得關(guān)注。

三、結(jié)論與建議

本文根據(jù)研究區(qū)周邊19個(gè)站點(diǎn)十年之間的降雨量數(shù)據(jù)，采用適合榆林市的降雨侵蝕力模型和GIS軟件得出降雨侵蝕力分布，重點(diǎn)對(duì)研究區(qū)降雨對(duì)于當(dāng)?shù)赝寥赖目臻g和時(shí)間影響特征進(jìn)行分析。研究區(qū)多年降雨侵蝕力R的均值集中在82 J·cm/(m2·h2·a2)～105 J·cm/(m2·h2·a2)之間，由西北向東南先逐漸遞增，在榆林市，橫山縣，佳縣到達(dá)高值后開(kāi)始遞減，在綏德縣達(dá)到低值后再次向東南遞增。榆林市境內(nèi)的3個(gè)主要站點(diǎn)都有不同程度的增減趨勢(shì)，降雨量與降雨侵蝕力的時(shí)間變化基本保持一致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)榆林的降雨侵蝕力對(duì)土壤的影響依然存在增高的趨勢(shì)，該區(qū)的水土保持工作應(yīng)更進(jìn)一步的加強(qiáng)重視。

根據(jù)降雨侵蝕力在空間和時(shí)間上的分布差異，水土治理的方法和針對(duì)性也應(yīng)因地制宜，適當(dāng)變化。榆林市全區(qū)的地段特殊，土壤質(zhì)地敏感，在研究過(guò)程中對(duì)當(dāng)?shù)厍鹆隃羡值匦纹鸱徒涤陱?qiáng)度等因素對(duì)R值的影響有待進(jìn)一步的考慮和探討。

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Investigation on Effect of Precipitation on Soil Erosion in Yulin City on GIS

Wang Kun

(Chang'an University,Xi'an Shaanxi 710061)

According to Yulin City and the surrounding area 19 sites in 10 years of rainfall data.The difference of rainfall erosivity(R value)in all regions of Yulin City was analyzed by means of the relevant calculation methods and geographic information software,and the paper focuses on the analysis of the spatial characteristics and temporal characteristics of 3 sites in Yulin.Results show:The rainfall erosivity of Yulin City extends from northwest to Southeast,and is consistent with the change of rainfall.The range of Rainfall Erosivity in the study area was between 82 J·cm/(m2·h2·a2)～105 J·cm/(m2·h2·a2),and the rainfall erosivity increased.The results provide reference for the prevention and control of soil and water loss in Yulin City.

Yulin;R value;rainfall;soil and water loss