焦金魚
(定西師范高等??茖W(xué)校,定西 743000)
高泉溝流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的降水特征因子分析
焦金魚
(定西師范高等??茖W(xué)校,定西 743000)
高泉溝流域?qū)儆邳S土丘陵溝壑區(qū)。運用灰色關(guān)聯(lián)與相關(guān)系數(shù)分析法,分析影響該流域坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降水特征因子。結(jié)果表明對黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)生徑流貢獻(xiàn)最大的因子是降雨量;對土壤侵蝕量貢獻(xiàn)最大的因子是降雨量半小時雨強(qiáng)復(fù)合因子。因此,降雨量的多少是影響本區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙最關(guān)鍵的因素。
高泉溝;降水因子;水土流失
水土流失引起土地資源退化,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化,而降雨是引發(fā)水土流失的主要外營力。研究降雨特征因子與水土流失之間的關(guān)系,進(jìn)而確定各降雨特征因子在土壤侵蝕過程中對產(chǎn)流、產(chǎn)沙的影響序列,對進(jìn)一步揭示土壤侵蝕規(guī)律具有重要意義。影響產(chǎn)流的主要因素除降雨外,還有蒸發(fā)、地形、土壤、植被和人類活動等因素。趙文林通過對半干旱地區(qū)皇甫川流域的實證研究得出:徑流量與雨量、雨強(qiáng)和土壤含水量有關(guān)[1]。方天縱對白馬泉流域的研究結(jié)果顯示:降雨是該地區(qū)主要的土壤侵蝕動力因子[2]。黃土高原地區(qū)水土流失的危害已達(dá)到十分嚴(yán)重的程度,水土流失使得物理理化性狀持續(xù)惡化。黃土高原多年平均年流失的氮、磷、鉀總量約4000 ×104t,而且大部分在水土流失嚴(yán)重區(qū),這更加劇了糧食等基本生活資料的緊張[3]。
高泉溝流域位于甘肅省定西市東南部,屬定西縣團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)管轄。水土保持區(qū)劃屬黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū),是黃河流域祖厲河水系關(guān)川河支流的一支小支溝,位于東經(jīng)104°31′52″~104°34′,北緯35°22′24″~35°25′,海拔2056~2447m,流域面積9.168 km2,屬黃土覆蓋的梁狀緩坡丘陵溝壑地形,南高北低,海拔高2056~2447m,相對高差391m,其制高點為黃河水系祖歷河流域與渭河流域的分水嶺。流域被Ⅰ號、Ⅱ號兩條干溝切割,形成“兩溝一梁四面坡”的地貌特征。溝壑密度2.38km/km2,主溝橫剖面一般呈矩形寬淺槽式,為“U”型谷。主溝兩側(cè)分布有上百條二級支溝,溝長大于50m的支溝有69條。流域溝壑密度為2.9km/km2。流域內(nèi)梁峁頂、梁峁坡、階坪川臺和溝谷分別占流域總面積的6.9%、52.4%、13.8%和26.9%。流域內(nèi)有山地灰褐土、坡地黑麻土、坡地黃麻土、坡地白麻土、坡地麻土、谷地麻土、川地麻土、川地黃麻土、川地黃綿土9個土壤類型。流域內(nèi)無天然喬木林分布。人工植被有以楊樹為主的人工林和以紫花苜蓿為主的人工草,其覆蓋度為38%,另外還有以春小麥、洋芋等為主的季節(jié)性農(nóng)業(yè)植被。氣候?qū)僦袦貛О敫珊禋夂颍昃鶜鉁?.2℃,年均降水415.2mm,7~9月降水占總降水量的56%,年日照時數(shù)2500h,無霜期140d。蒸發(fā)量1318mm。
本試驗研究在定西市高泉溝流域溝緣線以上的坡面上共布設(shè)徑流試驗小區(qū)7個,小區(qū)編號分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#。小區(qū)坡度15°,水平投影面積5×20m2,徑流池規(guī)格為1.5×1.5×1.5 m3。觀測項目分徑流量(Q)和泥沙量(M)。并設(shè)有虹吸式自記雨量計一臺,用于觀測各次降雨不同時段雨量、雨強(qiáng)等的變化過程。本研究所用數(shù)據(jù)采用徑流小區(qū)1989~1991年15場次降雨的徑流、泥沙和降雨資料,降雨特征因子選擇了雨量計直接觀測的降雨量(P)、降雨歷時(T)、平均雨強(qiáng)(I)、10min雨強(qiáng)(I10)和30min雨強(qiáng)(I30),另外還選擇了依據(jù)有降雨資料計算的降雨動能(E)、雨量和雨強(qiáng)的復(fù)合因子(PI)、(PI10)、(PI30)。
灰色系統(tǒng)理論的研究對象是“部分信息已知,部分信息未知”的小樣本不確定性系統(tǒng),與研究“隨機(jī)不確定性”的概率統(tǒng)計和研究“認(rèn)知不確定性”的模糊數(shù)學(xué)不同,它通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)去了解、認(rèn)識現(xiàn)實世界,實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為和演化規(guī)律的正確把握和描述。其具體分析步驟如下[4]:
3.1.1 數(shù)據(jù)的無量綱化
先分別求出各個序列的平均值,再用平均值去除對應(yīng)序列中的各個原始數(shù)據(jù),所得到新的數(shù)據(jù)列,即為均值化序列。量綱化值大于0,并且大部分接近于1,具體數(shù)據(jù)見表1。
表1 降雨特征因子的無量綱化值Table 1 Dimensionless value of rainfall factors
3.1.2 確定比較數(shù)據(jù)列和參考數(shù)據(jù)列
設(shè)評價對象為m個,評價指標(biāo)為n個,標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)列為x0,第k個指標(biāo)值記為x0(k),標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)列表示公式:
x(0)={x0(k)},k=1,2,3,···,n
比較數(shù)據(jù)列是研究的對象數(shù)據(jù)列,表示公式:
xi={xi(k),k=1,2,3,···,n},i=1,2,3,···,m
3.1.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度的計算
關(guān)聯(lián)系數(shù)反映兩個被比較序列在某一時刻的緊密(靠近)程度,實質(zhì)上是數(shù)列的幾何曲線在性狀上的差異,比較序列與參考序列在各時點的差值即為關(guān)聯(lián)系數(shù),對于參考序列x0(k)與i個比較序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式如下:
上式中,ξ0i(k)為x0與xi在第k點的關(guān)聯(lián)系數(shù);表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k點的絕對差)稱為二級最小差,其中是第一級最小差,而是第二級最小差;其含義與最小值相似,ρ為分辨系數(shù),取值為0.5,將比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0各點的關(guān)聯(lián)度數(shù)加和平均得到關(guān)聯(lián)度Ri。
式中,k為采樣時點,k=1,2,3…,15。對表1數(shù)據(jù)通過DPS統(tǒng)計軟件計算,各降雨特征因子對徑流量、泥沙量的關(guān)聯(lián)度結(jié)果見表2。
3.1.4 根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小,對各評價對象進(jìn)行排序,建立評價對象的關(guān)聯(lián)序
關(guān)聯(lián)度Ri表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)列和比較數(shù)據(jù)列接近程度,可根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小,對各評價對象進(jìn)行排序,建立評價對象的關(guān)聯(lián)序,據(jù)此可進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)各因素間影響性質(zhì)的重要性分析。根據(jù)表2中的計算結(jié)果,各降雨特征因子對高泉溝流域坡面徑流量的影響序列為:
表2 降雨特征因子對徑流量和泥沙量的關(guān)聯(lián)度Table 2 Correlation degree of rainfall factors to runoff and sediment
降雨量P(k)>降雨量和平均雨強(qiáng)的乘積PI(k)>降雨量和30min雨強(qiáng)的乘積PI30(k)>降雨動能E(k)>降雨量和10min雨強(qiáng)的乘積PI10(k)>30 min雨強(qiáng)I30(k)>10min雨強(qiáng)I10(k)>平均雨強(qiáng)I(k)>降雨歷時T(k)
各降雨特征因子對高泉溝流域坡面泥沙量(土壤侵蝕量)的影響序列為:
降雨量和30min雨強(qiáng)的乘積PI30(k)>降雨量和平均雨強(qiáng)的乘積PI(k)>降雨量和10min雨強(qiáng)的乘積PI10(k)>降雨量P(k)>30min雨強(qiáng)I30(k)>10 min雨強(qiáng)I10(k)>平均雨強(qiáng)I(k)>降雨歷時T(k)
所謂相關(guān),是指兩個或兩個以上變數(shù)間相互關(guān)系是否密切。相關(guān)分析僅限于測定兩個或兩個以上變數(shù)具有相關(guān)關(guān)系者,其主要目的是計算出表示兩個或兩個以上變數(shù)間的相關(guān)程度和性質(zhì)。地理要素之間相互關(guān)系密切程度的測定,主要是通過對相關(guān)系數(shù)的計算和檢驗來完成的[5]。高泉溝流域試驗小區(qū)有關(guān)影響徑流量(Q)和泥沙量(M)的降雨特征因子主要為用雨量計直接觀測的降雨量(P)、降雨歷時(T)、平均雨強(qiáng)(I)、10min雨強(qiáng)(I10)和30min雨強(qiáng)(I30),另外還選擇了依據(jù)有降雨資料計算的降雨動能(E)、雨量和雨強(qiáng)的復(fù)合因子(PI)、(PI10)、(PI30)。通過SPSS軟件利用pearson相關(guān)分析法計算出各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表3、表4)。
表3 影響徑流量的各降雨特征因子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of rainfall factors affecting runoff
表4 影響泥沙量的各降雨特征因子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix of rainfall factors affecting sediment
在SPSS軟件分析中,同時對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了雙尾檢驗[6],對165個觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可知,以上降雨量、降雨歷時等9個降雨特征因子中只有降雨歷時和平均雨強(qiáng)和徑流量和泥沙量之間的相關(guān)系數(shù)較小外,其余因子均與徑流量和泥沙量之間的相關(guān)性較為顯著。
3.2.1 徑流量與各降雨特征的相關(guān)性分析
由表3可知,徑流量與降雨量的相關(guān)系數(shù)最大,相關(guān)系數(shù)為0.853,顯著性概率水平為0.01。其次,相關(guān)系數(shù)較大的為雨量30min雨強(qiáng)復(fù)合因子,相關(guān)系數(shù)為0.812,顯著性概率水平為0.01。其他雨量10min雨強(qiáng)復(fù)合因子、雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子、降雨動能3個因子與徑流量的相關(guān)系數(shù)都在0.684以上,都達(dá)到了顯著性概率水平為0.01的水平。因而在定西市高泉溝流域,引起地表徑流量大小的最主要降雨特征因子為降雨量,其次為雨強(qiáng)和降雨動能,而與降雨歷時和單因子雨強(qiáng)相關(guān)性不大。從而說明該流域降雨產(chǎn)流的形成與降雨量和雨強(qiáng)的有效結(jié)合有關(guān),當(dāng)降雨強(qiáng)度大于表層土壤的入滲率時產(chǎn)生地表徑流。另外該流域位于黃土丘陵溝壑區(qū),溝壑密度大,根據(jù)超滲產(chǎn)流理論,故因與坡度較陡有關(guān)的降雨動能因子在雨滴擊濺過程中加快了坡面流水的匯入速度[7]。
3.2.2 泥沙量與各降雨特征的相關(guān)性分析
由表4可知,3個雨量雨強(qiáng)復(fù)合因子與泥沙量的相關(guān)系數(shù)是9個降雨特征因子中最高的。其中泥沙量與雨量30min雨強(qiáng)復(fù)合因子的相關(guān)系數(shù)最大,相關(guān)系數(shù)為0.903,顯著性概率水平為0.01。其次,相關(guān)系數(shù)較大的為雨量10min雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子,相關(guān)系數(shù)分別為0.837、0.823,顯著性概率水平為0.01。除降雨歷時和平均雨強(qiáng)2個因子外,其他降雨特征因子與泥沙量的相關(guān)系數(shù)都在0.658以上,都達(dá)到了顯著性概率水平為0.01的水平。因而在定西市高泉溝流域,引起河流泥沙量大小的最主要降雨特征因子為雨量30 min雨強(qiáng)復(fù)合因子,其次為雨量10min雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子,而與降雨歷時和單因子雨強(qiáng)相關(guān)性不大。降雨量與泥沙量的相關(guān)性不如雨量雨強(qiáng)復(fù)合因子明顯,相關(guān)系數(shù)為0.819,但仍很重要。另外雨強(qiáng)和降雨動能因子與該流域泥沙量的相關(guān)性也較為顯著,都達(dá)到了顯著性概率水平為0.01的水平。
(1)灰色關(guān)聯(lián)法和相關(guān)系數(shù)法2種方法確定各降雨特征因子對徑流量所起作用的大小分析數(shù)據(jù)顯示:降雨量與徑流量的關(guān)系最顯著。用灰色關(guān)聯(lián)法分析后關(guān)聯(lián)度居于第二位和第三位的分別是雨量和30min雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子,而運用相關(guān)系數(shù)法分析后相關(guān)系數(shù)居于第二位和第三位的分別是雨量30min雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子。
(2)通過以上2種分析法確定各降雨特征因子對土壤侵蝕量所起作用的大小分析數(shù)據(jù)顯示:降雨量30min雨強(qiáng)復(fù)合因子與土壤侵蝕量的關(guān)系最顯著。用灰色關(guān)聯(lián)法分析后關(guān)聯(lián)度居于第二位和第三位的分別是雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量10min雨強(qiáng)復(fù)合因子,而運用相關(guān)系數(shù)法分析后相關(guān)系數(shù)居于第二位和第三位的分別是雨量10min雨強(qiáng)復(fù)合因子和雨量平均雨強(qiáng)復(fù)合因子,因此有必要做進(jìn)一步的探討分析。
(3)不論是灰色關(guān)聯(lián)法還是相關(guān)系數(shù)法分析數(shù)據(jù)顯示,各降雨特征因子中對黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)生徑流貢獻(xiàn)最大的因子是降雨量;各降雨特征因子中對黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)生土壤侵蝕量貢獻(xiàn)最大的因子是降雨量30min雨強(qiáng)復(fù)合因子。
(1)本文對影響半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)的徑流量和土壤侵蝕量的降雨特征因子進(jìn)行了重點探討。但事實上影響徑流和土壤侵蝕過程的因素是錯綜復(fù)雜的,例如在研究土壤侵蝕時,也應(yīng)該考慮地表徑流本身對土壤侵蝕量的影響[8]。因為徑流量既受各降雨特征因子的影響,同時又反過來會影響土壤侵蝕量。
(2)本研究結(jié)論所示:最大雨強(qiáng)雨量復(fù)合因子對半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)生土壤侵蝕量所起的作用最大,正好與衛(wèi)偉等人用因子偏相關(guān)分析法得出的結(jié)論相一致[8],而且在各降雨特征因子中排名前三的都是最大雨強(qiáng)雨量復(fù)合因子。因此,單純從降水量的多少來判斷是否產(chǎn)生土壤侵蝕是不科學(xué)的,應(yīng)該將最大雨強(qiáng)考慮在內(nèi)。因為在半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)超滲產(chǎn)流的幾率大于蓄滿產(chǎn)流。
(3)在各降雨特征因子中對是否產(chǎn)生徑流或發(fā)生土壤侵蝕起主導(dǎo)作用的并非同一因子,因此更深一步的研究今后半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)降水量和最大雨強(qiáng)的耦合機(jī)制,有助于最終達(dá)到對該區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙問題的解決。
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RAINFALL FACTORS AFFECTING RUNOFF AND SEDIMENT AT GAOQUANGOU VALLEY
JIAO Jin-yu
(Department of Geography,Dingxi Teachers College,Dingxi 743000,China)
Gaoquangou Valley is a hilly loess area.Gray correlation and correlation coefficient methods are used to analyze the rainfall factors.The results show that rainfall amount contributes most to the runoff,and half-an-h(huán)our's rainfall intensity composite factor contributes most to the soil erosion amount.
Gaoquangou Valley;rainfall factor;soil erosion
S157.1
:A
1006-4362(2012)02-0086-05
焦金魚(1974- ),男,甘肅通渭人,講師,碩士,主要從事方向為區(qū)域環(huán)境與水土保持研究。
2011-12-20改回日期:2012-03-06
:甘肅省教育廳項目(2107B-01)