湖北省多尺度水土流失监测数据挖掘和侵蚀评价.doc

1、湖北省多尺度水土流失监测数据挖掘和侵蚀评价【摘要】本文收集湖北省各地径流小区、小流域观测数据，数据规范化整理，建立水土流失评价基础信息平台，针对湖北省不同典型区域，研究坡面尺度的暴雨产流、侵蚀评价方法，并通过实测数据进行验证，提出适宜全省不同类型区水土流失综合治理模式。 【关键词】小流域 水土流失 侵蚀评价 中图分类号： S157 文献标识码： A 1、湖北省径流小区和小流域观测数据资料收集整理 在小区尺度上，收集湖北省近几十年来 336 场降雨 5812 组径流、侵蚀数据资料，运用整合分析（Meta-analysis）方法对全省不同径流小区数据进行综合，研究不同土地利用方式对小区侵蚀产流、产

2、沙影响。收集湖北省 6 个地区流域资料，面积从 11.9km2 到 461km2 不等，年份跨度20 年；7 个不同地区 55 个小区的观测据（表 1） 。并系统分析了不同区域气象资料、水文资料、地理背景、小区布置等，整理录入数据库。 表 1 湖北省部分流域、径流小区资料概况 2、径流小区侵蚀研究 每个径流小区数据进行整理，将每一场连续降雨作为一个独立实验，对原始监测数据进行初步筛选和分组，计算出每个小区径流总量（Q）和侵蚀模数（T）的平均值（mean） 、标准差（sd）和样本数（n） ，并在检索的文献中提取上述指标。相关数据量如表 2。 表 2 用于 Meta-analysis 的相关数据量

3、 研究分析指标均为连续变量，选取标准化均数差（SMD）为合并统计量。效应值 SMD 正值为径流量和侵蚀量的增加，负值代表径流量和侵蚀量的减少。表 3 为假设所有研究享有共同的效应。径流量研究间同质性Qwi=192.50，且 p=0.06，所有研究有相同的效应值；侵蚀量研究间同质性 Qwi=160.42，p=0.71，上面结果同样成立。 表 3 径流小区径流、产沙 Meta-analysis 结果 从表 4 中可知，四个级别的效应值均较小，其中农田、园地和林地的效应值较草地要大。异质性检验表明，农田、园地和林地三个级别都具有较高的同质性。四个级别径流量研究间同质性 Qb=1.37 (X2-tes

4、t:df=3,p=0.71)，说明径流量研究中，四个级别水保措施间异质性显著。 表 4 不同水保措施径流量、侵蚀量 Meta-analysis 结果 对 172 个侵蚀量研究，不同水保措施划分 4 个级别的 Meta 分析结果如表 5 所示。可以看出园地和林地的效应值 SMD 较大，均为 0.58，达到中效应，其次为草地 0.50，最小为农田 0.38。四个级别侵蚀量研究组间异质性检验 Qb=6.02(X2-test:df=3,p=0.11)，其中 p0.05，差异显著，说明四个级别研究间具有异质性。 对湖北省 55 个小区 336 场降雨 5812 组径流、侵蚀数据分析表明:农田、园地、林地

5、、草地四种土地利用方式均对小区侵蚀产流产沙有明显减少影响，对侵蚀产沙影响效果大于产流。Meta 分析结果认为农田、园地和林地对小区产流影响大于草地。在侵蚀量研究中，Meta 分析认为四种土地利用对侵蚀量减少效果园地=林地草地农田。 3、SCS-CN 关键参数校正 SCS-CN 模型由美国农业部土壤保持局(USDA-SCS)研制，主要应用于小流域水文预测。SCS-CN 模型理论以一个水文平衡条件和两个水文假设为基础，可以用公式表示如下： 或者 式中：P降雨总量，单位为 mm；Q径流量，单位为 mm；Ia初损，单位为 mm；S可能最大滞留量，单位为 mm； 为系数(0)，是一个区域参数，依赖于地质

6、和天气因素影响。S 可以用下面公式表达： CN 值的变化很大程度的受到土壤前期水分条件 AMC（antecedent soil moisture conditions）的影响，AMC 分为三个等级：干燥，但是大于凋萎点，中等（正常状态） ，湿润（土壤呈渗透饱和状态） 。 初损率是计算径流深、水位峰值和径流的时间分布的重要信息。一般来说 Ia 取值为 0.2S，分别计算 29 场降雨的初损率 Ia/S，三峡地区的初损率 Ia/S 取值为 0.05 比较合适。运用流域 1989、1990 和 1993 年的数据对重新率定参数的模型进行检验（表 5） 。表 5 中方程修正后，线性回归斜率由 0.55

7、9 上升为 0.834，模型效率系数 E 为 0.768，相较未修正模型在该区的模型效率系数 0.482 有了明显的改善。可见在研究区选择修正后的 SCS-CN 进行径流模拟是合适的。 表 5 初损率 Ia/S 修正前后 SCS-CN 法预测的径流深度预测效果 4、典型小区径流泥沙研究 通过径流小区的人工降雨和长期观测试验，研究了三峡库区常见的梯田和植物篱两种水土保持措施对坡面侵蚀的影响。试验小区中 1-4 号小区研究梯田对侵蚀的定量影响，5-7 号小区是植物篱。研究结果（图8）表明梯田显著减少了径流和泥沙量，且在果园的效果比旱地更显著。在果园修建梯田后，平均径流强度减少了 32.8%，平均泥

8、沙含量减少了82.2%，而在农地修建梯田后，平均径流强度只减少了 9.6%，平均泥沙含量减少了 63.7%。梯田还改变了产沙过程，在梯田小区泥沙含量都表现出先增加后减少的趋势，而在坡地小区泥沙含量的变化表现为先增加后基本稳定的趋势。 多年天然降雨的观测结果表明梯田措施明显减少了产沙量大于 100 g m-2 和径流量大于 10 mm 的场次，且在果园的水保效果比旱地更好（图3） 。在果园修建梯田后，产沙量100 g m-2 的降雨场次从 19 场减少到 4场，径流量10mm 的降雨场次也从 18 场减少到 4 场；在旱地修建梯田后，产沙量100 g m-2 的降雨场次从 12 场减少到 4 场

9、，径流量10mm 的降雨场次也从 8 场减少到 6 场。 梯田小区的年平均径流量和侵蚀量也表明梯田措施的保水保土效果跟土地利用紧密相关（表 6） ，在果园修建梯田后，年均径流量和侵蚀量分别减少了 60%和 68%，而在旱地修建梯田后，年均径流量和侵蚀量分别减少了 23%和 52%。 表 6 梯田小区年平均径流量和侵蚀量 植物篱也是紫色土地区常见的水土保持措施之一。人工降雨试验的结果表明：植物篱的减少径流的效果要比减沙效果好，且植物篱与植物篱+作物残茬覆盖两种措施在减少径流上差别不大。与对照小区相比，植物篱小区和植物篱+作物覆盖小区的径流量分别减少了 83 %和 75%，泥沙含量分别减少了 43

10、% 和 23%。 图 1 观测期间内植物篱小区径流泥沙关系 虽然人工降雨实验表明植物篱+作物覆盖小区比植物篱小区更能有效减少泥沙，但长期的观测结果表明二者差别并不大（图 1） 。长期天然降雨观测的结果表明植物篱措施更能减少侵蚀产沙量而不是径流量，这与人工降雨得到的结果不同。与对照小区相比，植物篱和植物篱笆+作物覆盖小区的年均侵蚀量减少了 66%和 67%，而径流量只减少了 37%和 38%。年均侵蚀量和径流量的结果也表明植物篱和植物篱+覆盖两种措施在坡耕旱地上的水土保持效果基本一致。 表 7 植物篱小区年平均径流量和侵蚀量 5、总结 针对我省多年来水土流失观测资料分散、不规范、尺度单一、无定量

11、评价模型等问题，通过对已有的多年数据的收集及标准化整理，提出监测及数据规范标准，建立湖北省水土流失观测资料数据库，从坡面到小流域尺度，从评价标准制定到模型建立。通过三年多的研究，在典型小流域侵蚀研究方面取得了较大进展。为今后湖北省水土流失综合治理、效应评价提供科技和数据支撑。但由于时间、资金、环境、资料的限制，大量数据还有待进行更深程度的挖掘和分析，尤其在小流域研究中，高分辨率的 DEM 等资料价格高昂，无力全部购买，影响研究深度。 参考文献 方怒放 ，小流域降雨径流产沙关系及水土保持措施响应 郝俊萍，三峡库区典型小流域非点源污染模拟研究 史志华基于 GSI 和 RUSLE 的小流域农地水土保持规划研究 本项目由湖北省科技厅 2009cbd043 资助