基于GIS的榆林市降水對土壤影響的調查

王 焜

(長安大學 陜西 西安 710061)

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基于GIS的榆林市降水對土壤影響的調查

王 焜

(長安大學 陜西 西安 710061)

根據榆林市以及周邊地區19個站點10年間的降雨資料，用相關的計算方法和地理信息軟件對榆林市全部區域降雨侵蝕力(R值)進行差異分析，并重點分析榆林市內3個站點的數據空間特征和時間特征。結果表明：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增高的趨勢。研究結果為榆林市的水土流失防治工作提供了參考依據。

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，是一項客觀評價由降雨所引起土壤分離和搬運的動力指標，是降雨物理性質的函數[1]。降雨引起水流對土壤的侵蝕和搬運作用不可忽視，尤其是近年來全球氣候變化導致的極端天氣等情況。當下我國很多地區正在實行生態保護紅線體系的劃定，在劃定因素中降雨侵蝕力因子對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造成植被退化、水土流失等情況，也是我國西北地區亟需解決的一項土地問題[6-7]。陜西省榆林市地貌形式復雜，北部生態環境脆弱敏感，南部高山丘陵造成的水土流失情況嚴重。本文通過十年間榆林降雨侵蝕力的時空分布特征來對當地降雨對土壤的影響和趨勢做出研究分析，從而為榆林市水土流失防治工作提出參考依據。

一、研究地區與研究方法

(一)研究區概況

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

該區屬暖溫帶至中溫帶半干旱大陸性季風氣候,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，年日照時數2600～2900小時。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。由于該區地處毛烏素沙地和黃土高原過渡地帶，黃土丘陵溝壑縱橫，加上降雨量和蒸發量的不均衡,導致地區土壤侵蝕較為強烈。

(二)資料來源

本研究所用數據來源為榆林境內的3個氣象站點以及周邊較近的16個站點2001-2010連續十年的降水量資料進行計算分析，其中主要的三個站點為榆林境內的榆林，橫山，綏德。

(三)研究方法

降雨對土壤的影響不可忽視，由于土地利用和環保等問題日益明顯，國內外越來越多的研究致力于降雨與土壤侵蝕關系之中。早先國外的W H Wischmeier曾在USLE方程中提出過月雨量模型來研究降雨量對土地的侵蝕影響關系[8]，Renard在RUSLE方程中使用多年平均降雨量和月降雨量，通過直接算法和Fournier指數法得出了降雨侵蝕力的計算方法[9]。國內孫泉忠等人《中國降雨侵蝕力R值指標進展研究》提出因地區環境不同北方通常以EI30和EI10為主，南方地區以EI60為主[10]。根據降雨資料和研究區在陜西北方的區域特點，最終選取劉秉正(《渭北地區R的估算及分布》)的降水侵蝕模型進行計算分析[11]：

(1)

在式(1)中R為某年降雨侵蝕力指標(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)。利用該降雨計算公式將各個站點的R均值求出，加載到地理信息軟件當中，運用克里金法進行插值，將最終榆林市區域的降雨侵蝕力結果進行分級顯示。

二、結果分析

(一)降雨侵蝕力的空間分布

通過數據可以看出，榆林市內外周邊19個站點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個站點平均降雨侵蝕力值和多年平均降水量如表1，在主要站點中，榆林的降雨侵蝕量最大，榆林不同年份的R值當中最大與最小相差125.1664J·cm/(m2·h2·a2)。

表1 榆林市各站點多年平均降雨量與降雨侵蝕力

(二)降雨侵蝕力的時間變化特征。

如圖2所示主要的三個站點年際降雨侵蝕力都有各自的變化趨勢，有明顯的峰值和低值。在2004年三個站點的低值都較為一致，而各個站點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年達到了峰值155.6901J·cm/(m2·h2·a2)，是該區平均R值的1.47倍，是該區最小R值的5.1倍。橫山降雨侵蝕力在2003年達到峰值157.2981J·cm/(m2·h2·a2)，是該區平均R值的1.66倍，是該區最小R值的4.28倍。綏德降雨侵蝕力在2010年達到峰值136.7622J·cm/(m2·h2·a2)，是該區平均R值的1.42倍，是該區最小R值的2.67倍。根據折線圖和相關數據來看，綏德的年際降雨侵蝕力的變化相對較為穩定。

圖2 主要三個站點年際降雨侵蝕力變化

三個站點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同時出現在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。通過對比發現多年的降雨量與降雨侵蝕力的保持著密切相關，整體的變化趨勢基本協同。但也有個別年份的變化情況出現例外，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。這可能是因為除了降雨量之外降雨侵蝕力也取決于降雨強度的影響[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下降的趨勢。

圖3 主要三個站點年際降水量變化

通過趨勢系數可以歸納出一個地區降雨趨勢的長期變化趨勢，將降雨侵蝕力作為降雨特性函數，能夠反映長期的變化趨勢[13]。不同時間段的降雨侵蝕力(xi)與年份序數(1，2，3…n)形成趨勢系數：

(2)

式(2)中為時間段的均值，通過r值的正負可以得知降雨侵蝕力增減的趨勢。結果如圖4所示：

圖4 主要三個站點降雨侵蝕力趨勢系數圖

圖4反映了三個站點十年間的降雨侵蝕力變化趨勢，其中橫山的正趨勢最為明顯，其趨勢系數達到了0.3838，綏德正趨勢系數較小，為0.3522，榆林趨勢系數則為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)大約增長了38.3%，而橫山的同期降水量從272.8mm到426mm增長了56.2%。相關數據的協同表明橫山的降雨侵蝕力的增強較為明顯。而正趨勢最小的綏德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%，增幅相對較小，但該區降雨侵蝕力的增加依然值得關注。

三、結論與建議

本文根據研究區周邊19個站點十年之間的降雨量數據，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，重點對研究區降雨對于當地土壤的空間和時間影響特征進行分析。研究區多年降雨侵蝕力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，佳縣到達高值后開始遞減，在綏德縣達到低值后再次向東南遞增。榆林市境內的3個主要站點都有不同程度的增減趨勢，降雨量與降雨侵蝕力的時間變化基本保持一致。結果發現，近年來榆林的降雨侵蝕力對土壤的影響依然存在增高的趨勢，該區的水土保持工作應更進一步的加強重視。

根據降雨侵蝕力在空間和時間上的分布差異，水土治理的方法和針對性也應因地制宜，適當變化。榆林市全區的地段特殊，土壤質地敏感，在研究過程中對當地丘陵溝壑地形起伏和降雨強度等因素對R值的影響有待進一步的考慮和探討。

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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