基于GIS的榆林市降水对土壤影响的调查

王 焜

(长安大学 陕西 西安 710061)



基于GIS的榆林市降水对土壤影响的调查

王 焜

(长安大学 陕西 西安 710061)

根据榆林市以及周边地区19个站点10年间的降雨资料，用相关的计算方法和地理信息软件对榆林市全部区域降雨侵蚀力(R值)进行差异分析，并重点分析榆林市内3个站点的数据空间特征和时间特征。结果表明：榆林市降雨侵蚀力由西北向东南方向延伸变化，与降雨量的变化基本保持一致。研究区的降雨侵蚀力范围介于82 J·cm/(m2·h2·a2)～105 J·cm/(m2·h2·a2)之间，且降雨侵蚀力有继续增高的趋势。研究结果为榆林市的水土流失防治工作提供了参考依据。

榆林；R值；降雨量；水土流失

降雨侵蚀力即由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一项客观评价由降雨所引起土壤分离和搬运的动力指标，是降雨物理性质的函数[1]。降雨引起水流对土壤的侵蚀和搬运作用不可忽视，尤其是近年来全球气候变化导致的极端天气等情况。当下我国很多地区正在实行生态保护红线体系的划定，在划定因素中降雨侵蚀力因子对土壤影响的研究变得同为重要[2-5]。降雨造成的土壤侵蚀会造成植被退化、水土流失等情况，也是我国西北地区亟需解决的一项土地问题[6-7]。陕西省榆林市地貌形式复杂，北部生态环境脆弱敏感，南部高山丘陵造成的水土流失情况严重。本文通过十年间榆林降雨侵蚀力的时空分布特征来对当地降雨对土壤的影响和趋势做出研究分析，从而为榆林市水土流失防治工作提出参考依据。

一、研究地区与研究方法

(一)研究区概况

榆林市位于中国陕西省最北部，地跨东经107°28′～111°15′，北纬36°57′～39°35′之间，东西长309km，南北宽295km，总面积4.3万km2。地处黄土高原与内蒙古高原的过渡区域，西邻甘肃、宁夏，北连内蒙古，东与山西隔黄河相望。地势西北高，东南低，最高点在定边南部的魏梁，海拔1907米，最低点在清涧无定河入黄河口，海拔560米。榆林市地貌以黄土丘陵沟壑区为主，位于榆林南部，面积约2.2万km2，占榆林市面积的51.75%，北部的风沙草滩区面积约1.6万km2，占榆林市面积的36.7%，西南部的梁状低山丘陵区面积约5000 km2，占榆林市面积11.55%。

该区属暖温带至中温带半干旱大陆性季风气候,四季分明,日差较大,年平均气温8℃,年平均降水400mm左右。日照充足、光能资源丰富，年日照时数2600～2900小时。冬季12-2各月的月平均气温在-5至-9℃之间，夏季6-8各月的月平均温度均在20℃以上。由于该区地处毛乌素沙地和黄土高原过渡地带，黄土丘陵沟壑纵横，加上降雨量和蒸发量的不均衡,导致地区土壤侵蚀较为强烈。

(二)资料来源

本研究所用数据来源为榆林境内的3个气象站点以及周边较近的16个站点2001-2010连续十年的降水量资料进行计算分析，其中主要的三个站点为榆林境内的榆林，横山，绥德。

(三)研究方法

降雨对土壤的影响不可忽视，由于土地利用和环保等问题日益明显，国内外越来越多的研究致力于降雨与土壤侵蚀关系之中。早先国外的W H Wischmeier曾在USLE方程中提出过月雨量模型来研究降雨量对土地的侵蚀影响关系[8]，Renard在RUSLE方程中使用多年平均降雨量和月降雨量，通过直接算法和Fournier指数法得出了降雨侵蚀力的计算方法[9]。国内孙泉忠等人《中国降雨侵蚀力R值指标进展研究》提出因地区环境不同北方通常以EI30和EI10为主，南方地区以EI60为主[10]。根据降雨资料和研究区在陕西北方的区域特点，最终选取刘秉正(《渭北地区R的估算及分布》)的降水侵蚀模型进行计算分析[11]：

(1)

在式(1)中R为某年降雨侵蚀力指标(J·cm/(m2·h2·a2))，P6～9为该年6到9月降水量之和(mm)，P为该年降水量总和(mm)。利用该降雨计算公式将各个站点的R均值求出，加载到地理信息软件当中，运用克里金法进行插值，将最终榆林市区域的降雨侵蚀力结果进行分级显示。

二、结果分析

(一)降雨侵蚀力的空间分布

通过数据可以看出，榆林市内外周边19个站点的多年平均降水量大致在179.35～514.51 mm之间，平均年降水量为390.83mm。通过克里金插值法得出榆林市整体的降雨侵蚀力的空间分布如图1，由图可看出榆林市的降雨侵蚀力由西北向东南依次增高，定边县、府谷县、神木县在82～96 J·cm/(m2·h2·a2)，靖边县由北到南依次增高，相邻的榆林市从西北向东南增高。在横山县，佳县交界处达到高值99～105 J·cm/(m2·h2·a2)，以榆林市为中心向东南方向的米脂县、子洲县逐渐降低，在绥德县西部达到新的低值88～93 J·cm/(m2·h2·a2)，清涧县向南降雨侵蚀力再次达到高值100 J·cm/(m2·h2·a2)以上。总体是中南部侵蚀力高，西北、东北方向侵蚀力相对较弱的分布特征。

图1 榆林市降雨侵蚀力分布图

榆林市的主要3个站点平均降雨侵蚀力值和多年平均降水量如表1，在主要站点中，榆林的降雨侵蚀量最大，榆林不同年份的R值当中最大与最小相差125.1664J·cm/(m2·h2·a2)。

表1 榆林市各站点多年平均降雨量与降雨侵蚀力

(二)降雨侵蚀力的时间变化特征。

如图2所示主要的三个站点年际降雨侵蚀力都有各自的变化趋势，有明显的峰值和低值。在2004年三个站点的低值都较为一致，而各个站点的降雨侵蚀力变化却有着各自的差异。降雨侵蚀力最大的榆林，于2009年达到了峰值155.6901J·cm/(m2·h2·a2)，是该区平均R值的1.47倍，是该区最小R值的5.1倍。横山降雨侵蚀力在2003年达到峰值157.2981J·cm/(m2·h2·a2)，是该区平均R值的1.66倍，是该区最小R值的4.28倍。绥德降雨侵蚀力在2010年达到峰值136.7622J·cm/(m2·h2·a2)，是该区平均R值的1.42倍，是该区最小R值的2.67倍。根据折线图和相关数据来看，绥德的年际降雨侵蚀力的变化相对较为稳定。

图2 主要三个站点年际降雨侵蚀力变化

三个站点年际降水量的变化如图3所示，榆林，绥德和横山的降雨量最低点同时出现在2006年，分别为248.7mm，306.06mm和267.4mm。榆林降水量峰值在2010年，为568.7mm，横山降雨量峰值在2009年，为483mm，绥德降雨量峰值在2002年，为565.7mm。通过对比发现多年的降雨量与降雨侵蚀力的保持着密切相关，整体的变化趋势基本协同。但也有个别年份的变化情况出现例外，比如2004年绥德的降雨量有所增高，但2004年的降雨侵蚀力却存在着下降的趋势。这可能是因为除了降雨量之外降雨侵蚀力也取决于降雨强度的影响[12]，虽然2004年的降雨量增多但是该年的降雨较为分散，因此年度的降雨侵蚀力出现下降的趋势。

图3 主要三个站点年际降水量变化

通过趋势系数可以归纳出一个地区降雨趋势的长期变化趋势，将降雨侵蚀力作为降雨特性函数，能够反映长期的变化趋势[13]。不同时间段的降雨侵蚀力(xi)与年份序数(1，2，3…n)形成趋势系数：

(2)

式(2)中为时间段的均值，通过r值的正负可以得知降雨侵蚀力增减的趋势。结果如图4所示：

图4 主要三个站点降雨侵蚀力趋势系数图

图4反映了三个站点十年间的降雨侵蚀力变化趋势，其中横山的正趋势最为明显，其趋势系数达到了0.3838，绥德正趋势系数较小，为0.3522，榆林趋势系数则为0.3592。横山降雨侵蚀力从2005年的83.5601 J·cm/(m2·h2·a2)到2010年的115.5694J·cm/(m2·h2·a2)大约增长了38.3%，而横山的同期降水量从272.8mm到426mm增长了56.2%。相关数据的协同表明横山的降雨侵蚀力的增强较为明显。而正趋势最小的绥德2005年降雨侵蚀力从114.2118 J·cm/(m2·h2·a2)到2010年的136.7622 J·cm/(m2·h2·a2)增幅为19.7%，同期降雨量从434.9 mm到457.5mm增幅仅为5.2%，增幅相对较小，但该区降雨侵蚀力的增加依然值得关注。

三、结论与建议

本文根据研究区周边19个站点十年之间的降雨量数据，采用适合榆林市的降雨侵蚀力模型和GIS软件得出降雨侵蚀力分布，重点对研究区降雨对于当地土壤的空间和时间影响特征进行分析。研究区多年降雨侵蚀力R的均值集中在82 J·cm/(m2·h2·a2)～105 J·cm/(m2·h2·a2)之间，由西北向东南先逐渐递增，在榆林市，横山县，佳县到达高值后开始递减，在绥德县达到低值后再次向东南递增。榆林市境内的3个主要站点都有不同程度的增减趋势，降雨量与降雨侵蚀力的时间变化基本保持一致。结果发现，近年来榆林的降雨侵蚀力对土壤的影响依然存在增高的趋势，该区的水土保持工作应更进一步的加强重视。

根据降雨侵蚀力在空间和时间上的分布差异，水土治理的方法和针对性也应因地制宜，适当变化。榆林市全区的地段特殊，土壤质地敏感，在研究过程中对当地丘陵沟壑地形起伏和降雨强度等因素对R值的影响有待进一步的考虑和探讨。

[1]唐克丽，等.中国水土保持[M].北京：科学出版社，2004.310-337.

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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