降雨侵蚀力研究

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土壤侵蚀已经成为全球最重要的环境问题之一,随着社会的不断发展,土壤侵蚀问题将变得日趋严峻。中国是土壤侵蚀严重的国家之一,进行土壤侵蚀预报治理已经迫在眉睫。土壤侵蚀按照作用力可分为水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀,其中水力侵蚀在中国是最为活跃的侵蚀类型,降雨是导致水力侵蚀的主要动力。降雨侵蚀力(RainfallErosivity)反映了降雨引起土壤侵蚀的这种潜力。因此客观准确的预报降雨侵蚀力,分析其季节变化对于定量预报中国土壤流失、进行水土保持具有重要意义。本文对降雨侵蚀力的研究主要包括3部分:一是确立短历时降雨(小于30min)最大30min雨强的计算方法;二是确立次、日雨量计算降雨侵蚀力的简易计算模型,并且给出以E130为降雨侵蚀力指标的计算误差;三是根据次EI<,30>研究降雨侵蚀力的季节分布。研究得出的主要结论如下: 1.一次降雨的平均雨强与其最大时段雨强是有差异的。当降雨历时小于30min时,由于无法用常规方法求I<,30>而常用平均雨强代替,这样会导致降雨侵蚀力的计算误差,影响土壤流失量预报精度。通过对全国32个站共8055次降雨不同历时最大30min雨强与平均雨强关系的分析,提出了短历时情况下,利用平均雨强与最大时段雨强的幂函数关系,计算历时不足30min时的最大30min雨强的关系为:I<,30>=1.0192I<,ave>1.0113(R<2>=0.995);历时不足10min、15min、60min时I<,10>、、I<,15>和I<,60>的公式为:I<,10>=1.0575 I<,ave><1.0457>(R<2>=0.9770);I<,15>=1.0638I<,ave><1.0351>(R<2>=0.9769);I<,60>=1.0923 I<,ave><1.0126>(R<2>=0.9847)。 2.利用12个径流小区310次产流资料,建立了EI<,30>与PI<,30>的关系式为EI<,30>=0.2143(PI<,30>),R<2>=0.9758。与EI<,30>相比,平均相对误差为33.69%,其中相对误差绝对值小于20%的占52.12%。EI<,30>与PI<,10>的关系式为EI<,30>=0.163(PI<,10>),R<2>=0.9338。与EI<,30>相比,平均相对误差是40.63%,相对误差绝对值小于20%的占33.31%。利用PI<,30>估算效果更好。 3.利用9个气象站1819日侵蚀性降雨量资料建立了日EI<,30>的简易算法为:(EI<,30>)<,日>=0.2407(P<,日>I<,30><,日>),R<2>=0.9835。与日EI<,30>比较,33.33%的降雨侵蚀力估计误差在20%以内。每日降雨侵蚀力估计的平均相对误差为53.42%。(EI<,30>)<,日>=0.1716(P<,日>I<,10><,日>),R<2>=0.9124。仅有18.58%的估计误差绝对值在20%以内,每日降雨侵蚀力平均误差为67.73%。 4.利用13个站点均超过20年的次降雨过程资料分别模拟方程,简易算法参数a、β显出一定规律性,其中a值小于1的有5个站点均位于山区。次雨量简易算法计算次降雨侵蚀力时,相对误差较高,如果累加成年降雨侵蚀力时,平均相对误差均小于50%,计算多年平均值时,误差更小。通过研究分析,如果剔除一部分平均雨强较小的降雨,可以提高降雨侵蚀力的计算精度,特别是次降雨侵蚀力。另外以蒲洼、三家店、番字牌的806次降雨为例,对其进行历时分类模拟,其中历时小于等于6小时降雨模拟效果较好。次雨量模型要估计次降雨侵蚀力或者更短尺度的降雨侵蚀力,依靠雨量来估计较粗略,误差也较大。针对目前较易得到的气象常规观测资料,不适宜建立次雨量简易算法估计次降雨侵蚀力。但是次雨量模型计算年、多年平均降雨侵蚀力精度较高,鉴于资料以及已有研究基础,建议北京地区利用次雨量计算年或者多年平均降雨侵蚀力时使用两个模型:一是山区次雨量模型:R<,次>=0.848P<1.555>;二是平原次雨量模型:P<,次>=3.595P<1.209>;五寨代表山西西部山区站点,其方程为:R<,次>=0.628P<1.466>;阳城为山西平原站点,其方程为:R<,次>=2.207P<1.161>;宾县为黑龙江地区站点,方程为:R<,次>=1.459P<1.389>。以上方程在计算年、多年平均降雨侵蚀力时,平均误差均在50%以内。 5.日雨量简易算法计算日降雨侵蚀力时仍然误差较大,不适宜使用。日雨量模型计算年、多年平均降雨侵蚀力以及计算降雨侵蚀力的季节分布时精确度较高。以现有资料为基础,建立北京日雨量模型:R<,日>=1.384P<,日><1.453>,R<2>=0.72,此方程估算年降雨侵蚀力的平均误差为11.3%,估算多年平均年R值平均相对误差6.6%。另外北京的月雨量模型为R<,月>=0.689P<,月><1.474>,年雨量模型为R<,年>=0.440P<,年><1.463>。日、月或年雨量估算年降雨侵蚀力时,模型的误差均较小,约有一半的样本相对误差绝对值小于20%,三个模型相比,日雨量模型估算的年降雨侵蚀力平均相对误差最小。日、月或年雨量估算多年平均年降雨侵蚀力时,模型的误差最小,所有样本的相对误差绝对值均小于20%,平均相对误差绝对值最小值只有0.8%,最大值小于7%。三个模型相比,日雨量模型的估算精度最高。 6.利用全国39个站点的次降雨过程资料求得多年平均半月EI<,30>累积百分比。在限制SLogistic曲线上限等于100的情况下通过非线性模拟,各站点参数k值没有显著差异,均在0.3~0.5之间。a值变化较大,较小的一般为南方地区,此地区出现侵蚀性降雨的时间比较早,并且最初降雨侵蚀力的增加速度也较大。北方地区在侵蚀性降雨较少地区,并且出现侵蚀性降雨时间较晚的地区,a值往往较大。各站点SLogistic曲线参数值,基本上有一定的地区差异,从侵蚀性降雨量多的地方到侵蚀性降雨量小的地方,参数a值逐渐增大。
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