山东省降雨侵蚀力空间分布特征及简易方程的研究*

马 良,左长清,孙 勐,李洪梅

(1.北京师范大学资源学院地表过程与资源生态国家重点实验室,北京100875;2.水利部 水土保持生态工程技术研究中心,北京 100044;3.山东省水利科学研究院 山东省水资源与水环境重点实验室,济南,250013;4.山东大学,济南 250100;5.山东省农业规划设计院,济南 250013)

作为表征降雨对土壤潜在侵蚀能力的特征值,降雨侵蚀力因子自20世纪50年代中后期提出并应用于通用土壤流失方程(USLE)以来,一直备受关注。研究降雨侵蚀力过去变化及未来趋势已成为揭示土壤水蚀对气候变化响应的一项基础性研究内容[1]。国内外对降雨侵蚀力的研究内容涉及计算方程、时空特征、简易方程等[2-5]。

应用山东全省境内22个气象站的逐日降雨数据,对1951-2008年逐年降雨侵蚀力进行计算,运用径向基函数空间插值探寻全省多年年均侵蚀力的空间分布特征,同时借助SPSS软件拟合了全省年降雨侵蚀力的简易方程,并进行了方程验证。通过本研究,可更好地了解该省降雨潜在侵蚀差异和区域土壤侵蚀背景,对研究降雨变化对全省降雨侵蚀力的影响奠定基础,并为水土流失防治、水土保持规划和技术管理提供科学依据。

1 研究方法及数据来源

1.1 降雨侵蚀力的算式

研究采用日雨量资料进行降雨侵蚀力的计算,如式(1)[5]。

式中:Ri——第i个半月时段的侵蚀力值(J◦mm/m2◦h);k——该半月时段内的天数;Dj——半月时段内第j天的日雨量,要求日雨量≥12mm(12 mm 与侵蚀性降雨标准对应);α、β— —模型参数,反映了区域降雨特征,可通过式(2)、(3)计算。

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。

最终以式(1)-(3)计算出各半月的降雨侵蚀力统计得出逐年降雨侵蚀力。

1.2 空间插值方法

研究降雨侵蚀力的空间分布特征,普遍采用空间插值的方法[6],即利用已知的部分空间样本降雨侵蚀力信息,对未知空间的信息进行估计。本研究选用径向基函数法(Radial Basis Functions)作为空间插值方法。该法主要利用基函数来确定周围已知数据点到内插网格节点的最佳权重,内插所得的表面必须通过研究范围内的每一个已知样本点,属人工神经网络方法中的一种[7]。有研究认为,径向基函数插值方法在散乱数据插值方法中的结果最令人满意[8]。

1.3 简易方程的建立与验证

研究中将58 a分为两时段,利用前29 a数据建立并校准方程,即校准期。采用SPSS软件提供的11类方程探寻年降雨侵蚀力与其他降雨特征指标之间的相关关系,建立及校准最佳简易方程。

后29 a数据作为方程的检验和验证,即验证期。计算决定系数(r2)、Nash-Suttclife效率系数(Ens)来比较简易方程计算的年侵蚀力Pi(模拟值)与式(1)-(3)计算的结果Oi(实测值)之间的吻合程度,评估简易方程的模拟效果。决定系数(r2)、Nash-Suttclife效率系数的公式如(4)、式(5)。

式中:Pi——模拟值;Oi——实测值;O——实测值的平均值;P——模拟值的平均值;n——数据个数。

当 Pi=Oi时,r2=1,Ens=1。决定系数及 Ens的值越小反映出数据吻合程度越低,说明方程的可信度越低。一般要求方程的选取要求模拟值与实测值之间的决定系数r2＞0.6且Ens＞0.5[9]。

1.4 数据来源与预处理

计算全省降雨侵蚀力所需资料来自“中国气象科学数据共享服务网”提供的“中国地面气象数据”。共搜集到全省32个气象站日降雨资料,通过对测站的筛查和缺失数据的插补,最终确定了22个有效站点和1951-2008共58 a的降雨时间序列。

图1 山东省多年年均降雨侵蚀力等值线图

2 结果与分析

2.1 降雨侵蚀力空间特征分析

根据式(1)-(3)的计算,全省多年平均降雨侵蚀力为4254.46 J◦mm/(m2◦h)(表1)。通过径向基函数空间差值,绘制了多年年均降雨侵蚀力等值线图(如图1)。从图1可直观发现,全省降雨侵蚀力总体上呈现由西向东、由北向南递增的规律,出现的峰值中心位于鲁东南临沂附近的鲁苏省界,最高可达6000 J◦mm/(m2◦h)以上,另在鲁中徂徕山、胶东昆嵛山附近分别存在两个较高侵蚀力中心。而黄河三角洲、鲁西鲁冀省界附近出现了两个低谷。国家级水土流失重点治理区——沂蒙山治理区,以及该省的水蚀重点治理区的鲁中南中低山丘陵区、胶东半岛丘陵区降雨侵蚀力较高。因此在未来需有针对性加强上述地区的水土流失防治措施研究,预测预报这些地区降雨侵蚀力的未来变化趋势,以减少水土流失防治成本,提高农业生产的适应性。

表1 山东省22站点多年年均降雨侵蚀力一览表

表2 山东省年降雨侵蚀力简易方程一览表

2.2 年降雨侵蚀力简易方程的建立与验证

由于降雨侵蚀力的计算需要有长期完整的降雨过程线,这对于一些没有自记降雨设备的观测点来说计算十分困难。因此,国内外的许多研究在寻找降雨侵蚀力的简易方程。许多研究认为年降雨量(Pa)与年降雨侵蚀力(R)之间在数量上有较好的相关性,表现为幂函数关系[10-11]。

本研究基于1951-1979年逐年雨量及日雨量公式(1)-(3)计算所得的逐年降雨侵蚀力数据,借助SPSS软件提供的11类方程对全省进行了年降雨侵蚀力简易方程的拟合,通过决定系数筛选并校准了以幂函数为最佳形式的简易方程,详见表2。根据简易方程计算出的1980-2008年逐年降雨侵蚀力(Pi),与基于日雨量公式结果(Oi)比较,按式(4)-(5)求得决定系数r2与Nash-Scttclife效率系数Ens。验证结果显示,全省年降雨侵蚀力简易方程均满足r2＞0.6且Ens＞0.5的要求,可信度较高。

3 结 论

应用山东全省22个气象站点58 a间逐日降雨数据,对该省多年降雨侵蚀力进行计算,并探寻了侵蚀力的空间分布特征,同时借助SPSS软件建立并验证了山东省年降雨侵蚀力的简易方程,为方便在该省缺少自记雨量资料地区计算降雨侵蚀力,更进一步研究全省土壤水蚀对降雨变化响应奠定了基础。

结果显示:山东省多年年均降雨侵蚀力为4 254.46(J◦mm)/(m◦h),并且呈现由西向东、由北向南递增的规律,峰值中心出现在鲁东南临沂附近的鲁苏省界。山东省境内3个国家级、省级水蚀重点治理区的降雨侵蚀力总体偏高,未来应加强这3个地区降雨侵蚀力变化、针对性防治措施的研究。

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