馬 良,左長清,孫 勐,李洪梅

(1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100875;2.水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心,北京 100044;3.山東省水利科學(xué)研究院 山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室,濟(jì)南,250013;4.山東大學(xué),濟(jì)南 250100;5.山東省農(nóng)業(yè)規(guī)劃設(shè)計院,濟(jì)南 250013)

作為表征降雨對土壤潛在侵蝕能力的特征值,降雨侵蝕力因子自20世紀(jì)50年代中后期提出并應(yīng)用于通用土壤流失方程(USLE)以來,一直備受關(guān)注。研究降雨侵蝕力過去變化及未來趨勢已成為揭示土壤水蝕對氣候變化響應(yīng)的一項基礎(chǔ)性研究內(nèi)容[1]。國內(nèi)外對降雨侵蝕力的研究內(nèi)容涉及計算方程、時空特征、簡易方程等[2-5]。

應(yīng)用山東全省境內(nèi)22個氣象站的逐日降雨數(shù)據(jù),對1951-2008年逐年降雨侵蝕力進(jìn)行計算,運(yùn)用徑向基函數(shù)空間插值探尋全省多年年均侵蝕力的空間分布特征,同時借助SPSS軟件擬合了全省年降雨侵蝕力的簡易方程,并進(jìn)行了方程驗證。通過本研究,可更好地了解該省降雨潛在侵蝕差異和區(qū)域土壤侵蝕背景,對研究降雨變化對全省降雨侵蝕力的影響奠定基礎(chǔ),并為水土流失防治、水土保持規(guī)劃和技術(shù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 降雨侵蝕力的算式

研究采用日雨量資料進(jìn)行降雨侵蝕力的計算,如式(1)[5]。

式中:Ri——第i個半月時段的侵蝕力值(J?mm/m2?h);k——該半月時段內(nèi)的天數(shù);Dj——半月時段內(nèi)第j天的日雨量,要求日雨量≥12mm(12 mm 與侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng));α、β— —模型參數(shù),反映了區(qū)域降雨特征,可通過式(2)、(3)計算。

式中:Pd12——日降雨量≥12 mm的日平均雨量;Py12——日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

最終以式(1)-(3)計算出各半月的降雨侵蝕力統(tǒng)計得出逐年降雨侵蝕力。

1.2 空間插值方法

研究降雨侵蝕力的空間分布特征,普遍采用空間插值的方法[6],即利用已知的部分空間樣本降雨侵蝕力信息,對未知空間的信息進(jìn)行估計。本研究選用徑向基函數(shù)法(Radial Basis Functions)作為空間插值方法。該法主要利用基函數(shù)來確定周圍已知數(shù)據(jù)點(diǎn)到內(nèi)插網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最佳權(quán)重,內(nèi)插所得的表面必須通過研究范圍內(nèi)的每一個已知樣本點(diǎn),屬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中的一種[7]。有研究認(rèn)為,徑向基函數(shù)插值方法在散亂數(shù)據(jù)插值方法中的結(jié)果最令人滿意[8]。

1.3 簡易方程的建立與驗證

研究中將58 a分為兩時段,利用前29 a數(shù)據(jù)建立并校準(zhǔn)方程,即校準(zhǔn)期。采用SPSS軟件提供的11類方程探尋年降雨侵蝕力與其他降雨特征指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系,建立及校準(zhǔn)最佳簡易方程。

后29 a數(shù)據(jù)作為方程的檢驗和驗證,即驗證期。計算決定系數(shù)(r2)、Nash-Suttclife效率系數(shù)(Ens)來比較簡易方程計算的年侵蝕力Pi(模擬值)與式(1)-(3)計算的結(jié)果Oi(實(shí)測值)之間的吻合程度,評估簡易方程的模擬效果。決定系數(shù)(r2)、Nash-Suttclife效率系數(shù)的公式如(4)、式(5)。

式中:Pi——模擬值;Oi——實(shí)測值;O——實(shí)測值的平均值;P——模擬值的平均值;n——數(shù)據(jù)個數(shù)。

當(dāng) Pi=Oi時,r2=1,Ens=1。決定系數(shù)及 Ens的值越小反映出數(shù)據(jù)吻合程度越低,說明方程的可信度越低。一般要求方程的選取要求模擬值與實(shí)測值之間的決定系數(shù)r2＞0.6且Ens＞0.5[9]。

1.4 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

計算全省降雨侵蝕力所需資料來自“中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”提供的“中國地面氣象數(shù)據(jù)”。共搜集到全省32個氣象站日降雨資料,通過對測站的篩查和缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ),最終確定了22個有效站點(diǎn)和1951-2008共58 a的降雨時間序列。

圖1 山東省多年年均降雨侵蝕力等值線圖

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力空間特征分析

根據(jù)式(1)-(3)的計算,全省多年平均降雨侵蝕力為4254.46 J?mm/(m2?h)(表1)。通過徑向基函數(shù)空間差值,繪制了多年年均降雨侵蝕力等值線圖(如圖1)。從圖1可直觀發(fā)現(xiàn),全省降雨侵蝕力總體上呈現(xiàn)由西向東、由北向南遞增的規(guī)律,出現(xiàn)的峰值中心位于魯東南臨沂附近的魯蘇省界,最高可達(dá)6000 J?mm/(m2?h)以上,另在魯中徂徠山、膠東昆崳山附近分別存在兩個較高侵蝕力中心。而黃河三角洲、魯西魯冀省界附近出現(xiàn)了兩個低谷。國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)——沂蒙山治理區(qū),以及該省的水蝕重點(diǎn)治理區(qū)的魯中南中低山丘陵區(qū)、膠東半島丘陵區(qū)降雨侵蝕力較高。因此在未來需有針對性加強(qiáng)上述地區(qū)的水土流失防治措施研究,預(yù)測預(yù)報這些地區(qū)降雨侵蝕力的未來變化趨勢,以減少水土流失防治成本,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適應(yīng)性。

表1 山東省22站點(diǎn)多年年均降雨侵蝕力一覽表

表2 山東省年降雨侵蝕力簡易方程一覽表

2.2 年降雨侵蝕力簡易方程的建立與驗證

由于降雨侵蝕力的計算需要有長期完整的降雨過程線,這對于一些沒有自記降雨設(shè)備的觀測點(diǎn)來說計算十分困難。因此,國內(nèi)外的許多研究在尋找降雨侵蝕力的簡易方程。許多研究認(rèn)為年降雨量(Pa)與年降雨侵蝕力(R)之間在數(shù)量上有較好的相關(guān)性,表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系[10-11]。

本研究基于1951-1979年逐年雨量及日雨量公式(1)-(3)計算所得的逐年降雨侵蝕力數(shù)據(jù),借助SPSS軟件提供的11類方程對全省進(jìn)行了年降雨侵蝕力簡易方程的擬合,通過決定系數(shù)篩選并校準(zhǔn)了以冪函數(shù)為最佳形式的簡易方程,詳見表2。根據(jù)簡易方程計算出的1980-2008年逐年降雨侵蝕力(Pi),與基于日雨量公式結(jié)果(Oi)比較,按式(4)-(5)求得決定系數(shù)r2與Nash-Scttclife效率系數(shù)Ens。驗證結(jié)果顯示,全省年降雨侵蝕力簡易方程均滿足r2＞0.6且Ens＞0.5的要求,可信度較高。

3 結(jié) 論

應(yīng)用山東全省22個氣象站點(diǎn)58 a間逐日降雨數(shù)據(jù),對該省多年降雨侵蝕力進(jìn)行計算,并探尋了侵蝕力的空間分布特征,同時借助SPSS軟件建立并驗證了山東省年降雨侵蝕力的簡易方程,為方便在該省缺少自記雨量資料地區(qū)計算降雨侵蝕力,更進(jìn)一步研究全省土壤水蝕對降雨變化響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)果顯示:山東省多年年均降雨侵蝕力為4 254.46(J?mm)/(m?h),并且呈現(xiàn)由西向東、由北向南遞增的規(guī)律,峰值中心出現(xiàn)在魯東南臨沂附近的魯蘇省界。山東省境內(nèi)3個國家級、省級水蝕重點(diǎn)治理區(qū)的降雨侵蝕力總體偏高,未來應(yīng)加強(qiáng)這3個地區(qū)降雨侵蝕力變化、針對性防治措施的研究。

[1] Nearing M A,Pruski F F,O'Neal M R.Expected climate change impacts on soil erosion rates:a review[J].Journalof Soil and Water Conservation,2004,59(1):43-50.

[2] Yu B,H ashim G M,Eusof Z.Estimating the R-factor using lim ited rainfall data:a case study from Peninsular Malaysia[J].Journal of Soil and water Conservation,2001,56(2):101-105.

[3] Yu B,Rosewell C J.Rainfallerosivity estimation using daily rainfall amounts for South Australia[J].Australian Journalof Soil Research,1996,34(5):721-733.

[4] Bu llock P R,Dejong E,Kiss J J.An assessment of rainfall erosion potential in Southern Saskatchew an from daily rain fall records[J].Canadian Agricultural Engineering,1989,32(1):17-24.

[5] 章文波,付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學(xué),2003,25(1):35-41.

[6] Goovaerts P.Using elevation to aid the geostatistical mapping of rain fall erosivity[J].Catena,1999,34(3/4):227-242.

[7] 魏義坤,楊威,劉靜.關(guān)于徑向基函數(shù)插值方法及其應(yīng)用[J].沈陽大學(xué)學(xué)報,2008,21(1):7-9.

[8] Franke R.Scattered data interpo lation:test of some methods[J].M athematics of Com putation,1982,38:181-200.

[9] SanthiC,A rnold JG,Williams JR,et al.Application of a watershed model to evaluate management effects on point and nonpoint source pollution[J].T ransactions of the American Society of Agricultural Engineers,2001,44(6):1559-1570.

[10] Renard K G,Freimund JR.Usingmonthly precipitation data to estimate the R-factor in the revised USLE[J].Journalof Hyd rology,1994,157(4):287-306.

[11] Yu B,Rosew ell C J.A robust estimator of the R-factor for the universal soil loss equation[J].T ransactions of the American Society of Agricu ltura l Engineers,1996,39(2):559-561.