CN111931432A - 适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法 - Google Patents

适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于高海拔区计算多年平均降雨‑融雪径流侵蚀力的方法，其包括以下步骤：S1、选择出日降雨量大于0.1mm的日降雨；S2、将选择出的日降雨按照降雨发生的月份，以前一年10月份至当年9月份为一个周期区分为暖季降雨月份和冷季降雨月份；S3、筛选暖季降雨月份中日降雨量大于12mm的降雨日；S4、计算得到年降雨‑融雪径流侵蚀力；S5、对于不同年份降雨‑融雪径流侵蚀力的计算，重复步骤S4，计算得到每年的降雨‑融雪径流侵蚀力；S6、得到高海拔区多年平均降雨‑融雪径流侵蚀力。本发明能够计算高海拔区多年平均降雨‑融雪径流侵蚀力，计算结果可以更加准确的反映降雨和融雪径流对侵蚀力的影响，对于区域土壤侵蚀定量评估具有重要作用。

Description

适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法
技术领域
本发明涉及降雨侵蚀力领域，具体地涉及一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法。
背景技术
降雨侵蚀力是指降雨造成土壤侵蚀的能力，是通用土壤流失方程(UniversalSoil Loss Equation,USLE)、修正土壤流失方程(Revised Universal Soil LossEquation,USLE)、中国土壤流失方程(Chinese Soil Loess Equation,CSLE)等区域土壤侵蚀模型中反映降雨对土壤侵蚀影响的重要指标，其对土壤侵蚀的定量计算不可或缺。
雨滴以一定速度降落打击地表。如果地表是裸露土壤，这种打击会造成以团聚体及某种结构存在的土壤颗粒发生分离和位移。如果地表对降雨的入渗强度小于降雨强度，降雨形成的地表径流会进一步分离并携带土壤移动，开始产生土壤侵蚀。
由于降雨侵蚀力综合反映了雨滴动能与雨强两大主要降雨特性，并与土壤流失量之间具有良好的关系，因此，它被用来定量的刻画雨滴击溅与径流冲刷对土壤侵蚀的潜在能力，并成为USLE、RUSLE、CSLE中重要的因子。
由降雨导致的侵蚀力传统计算方法是在降雨过程资料的基础上，通过求算一次降雨过程中的总能量和最大30分钟雨强I30，求算得到次降雨的EI30，通过将一年中所有次降雨的EI30汇总得到年降雨侵蚀力，多年求均值，进一步求算得到多年平均降雨侵蚀力。但通常来说，对于大多数地区来说，这种精细的降雨过程资料是难以获取的，这就对通过该种方式计算降雨侵蚀力带来了较大的限制，无法开展降雨过程资料缺失地区土壤侵蚀的评价。而对于大部分地区，日降雨、月降雨等降雨资料较容易获取，因此，为了解决降雨过程资料缺失条件下降雨侵蚀力的计算，构建基于日降雨资料的侵蚀力计算模型就显得十分必要。通过对已有降雨过程资料的站点EI30的计算，分析EI30与日降雨量之间的关系，构建可以通过日降雨数据计算得到年降雨侵蚀力的模型，可以很大程度上解决由降雨导致的多年平均降雨侵蚀力的计算问题。
与此同时，在现有技术中现有侵蚀力模型仅能反映降雨导致的侵蚀力，并不能有效反映高海拔区冬季融雪径流对侵蚀力的贡献。在计算高海拔区融雪径流导致的侵蚀力时，通常采用两种方案：(1)将融雪等同于降雨，按照降雨的侵蚀力计算算法开展计算，(2)按照USLE中对融雪径流侵蚀力的计算算法，直接采用美国的模型算法开展计算。由于融雪径流对土壤侵蚀的影响与侵蚀力对径流的影响完全不同，我国国内和国外的融雪径流特征及其对侵蚀力的影响均有所不同，因此以上两种方案均无法科学反映区域降雨和融雪径流对土壤侵蚀的影响，无法满足区域土壤侵蚀的准确评估。
发明内容
基于上述现有技术的缺点，本发明提出一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其首次提出了适用于高海拔区降雨-融雪径流侵蚀力的计算方法，能够计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力，可以更加精确的反映降雨和融雪径流对侵蚀力的影响，对于区域土壤侵蚀定量评估具有重要作用。
具体地，本发明提供一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其包括以下步骤：
S1、确定高海拔区需要计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的计算时间序列，得到侵蚀力计算的起始年与结束年，并在确定计算时间序列后选择出日降雨量大于0.1mm的日降雨，所需降雨基础数据的时间序列为计算时间序列的前一年10月1日至结束年12月31日；
S2、将选择出的日降雨按照降雨发生的月份，以前一年10月份至当年9月份为一个周期作为一个单元年，并将每一个单元年区分为暖季降雨月份和冷季降雨月份，暖季降雨月份为6-9月份，冷季降雨月份为前一年10月份至当年的5月份；
S3、筛选时间序列的所有周期内暖季降雨月份中日降雨量大于12mm的降雨日；
S4、分别按照暖季降雨侵蚀力和冷季融雪径流侵蚀力计算公式，得到时间序列内每一个单元年对应时段的降雨侵蚀力，两者相加得到该一个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力；
R＝R暖+R冷
式中：R为一个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R暖为暖季降雨侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R冷为冷季融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；
其中，R暖的计算公式如下：
Figure BDA0002619454570000031
式中：P日为6-9月大于12mm的第j个降雨日的降雨量，单位为mm，k为日降雨大于12mm的第一个降雨日，j为日降雨大于12mm的第j个降雨日；
R冷的计算公式如下：
R冷＝0.125P10-5 1.437
式中：P10-5为上年10月1日至当年5月31日的总降雨量，单位为mm；
S5、对于不同年份降雨-融雪径流侵蚀力的计算，重复步骤S4，依次得到时间序列内多年的暖季降雨侵蚀力和冷季融雪径流侵蚀力，并依次计算得到时间序列内每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力；
S6、对步骤S5得到的每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力求平均值，得到高海拔区时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力；
Figure BDA0002619454570000041
式中：
Figure BDA0002619454570000042
为计算时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力，N为计算时间序列的单元年数，1,2,3,...。
优选地，步骤S3中，暖季降雨侵蚀力计算公式的确定方法如下所述：
根据实际测量的暖季期间的降雨数据计算得到暖季降雨的降雨量和EI30，EI30是根据精细的降雨资料计算得到的降雨侵蚀力,在excel表格中对暖季降雨的降雨量和EI30散点描出图像曲线，该图像曲线为一条直线，在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到暖季侵蚀力关系表达式。
优选地，步骤S3中，冷季融雪径流侵蚀力计算公式的确定方法如下所述：
将冷季期间实际测量的降水量和融雪径流侵蚀力散点，在excel表格中对冷季期间降水和融雪径流侵蚀力散点描出图像曲线，该图像曲线为一条直线，在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到冷季融雪径流侵蚀力关系表达式。
优选地，融雪径流侵蚀力的计算包括以下子步骤：
①将河道观测断面的泥沙输移量与泥沙输移比相除得到土壤侵蚀量；
②根据区域坡度坡长因子、植被覆盖因子的空间分布状况，将土壤侵蚀量分别除以坡度坡长因子、植被覆盖因子，得到区域的降雨-融雪径流侵蚀力；
③降雨-融雪径流侵蚀力减去暖季期间的降雨侵蚀力，得到的数值即为冷季期间融雪径流侵蚀力。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
①本发明提出一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其首次提出了适用于高海拔区降雨-融雪径流侵蚀力的计算方法，能够计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力，可以更加精确的反映降雨和融雪径流对侵蚀力的影响，对于区域土壤侵蚀定量评估具有重要作用。
②本发明提出了暖季降雨侵蚀力以及冷季融雪径流侵蚀力的计算方法，其基于具体数值通过拟合曲线得到，方法简单，计算结果可靠。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其包括以下步骤：
S1、确定计算时间序列，并在确定计算时间序列后选择出日降雨量大于0.1mm的日降雨；
比如准备计算1991-2010年共20年间的降雨-融雪径流侵蚀力。首先筛选降雨日资料序列为1990年10月1日-2010年12月31日的日降雨。
S2、将摘录出来的日降雨按照降雨发生的月份，以前一年10月份至当年9月份为一个周期，区分为暖季降雨月份和冷季降雨月份。暖季降雨月份为6-9月份，冷季降雨月份为前一年10月份至当年的5月份；
S3、筛选时间序列的所有周期内暖季降雨月份中日降雨量大于12mm的降雨日；
S4、分别按照暖季降雨侵蚀力和冷季降雨侵蚀力计算公式，计算对应时段的侵蚀力，两者相加得到年降雨-融雪径流侵蚀力。该计算公式参数的计算和公式的形式综合考虑了青藏高原东北部高海拔地区的降雨特征和融雪径流规律。根据实测的暖季期间的降雨过程摘录资料计算得到了暖季降雨的降雨量和EI30，EI30的计算方法为现有技术，在此不再赘述。在excel中对暖季降雨的降雨量和EI30散点描出图像曲线，可看到其基本为一条直线，因此在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到暖季侵蚀力关系表达式。
在此基础上，进一步结合长江、黄河、澜沧江三大江河源头区水文站(沱沱河站、直门达站、香达站)实测的泥沙变化规律，根据高海拔地区受少人类活动影响下侵蚀泥沙产输主要受自然条件影响。将河道观测断面的泥沙输移量与泥沙输移比相除得到土壤侵蚀量，进一步根据区域坡度坡长因子、植被覆盖因子的空间分布状况，将土壤侵蚀量分别与坡度坡长因子、植被覆盖因子相除，得到区域的降雨-融雪径流侵蚀力，区域坡度坡长因子、植被覆盖因子的空间分布状况通过现有数据库获得，在此基础上，减去暖季期间的降雨侵蚀力，由此推算得到冷季期间融雪径流侵蚀力。将冷季期间实际测量的降水量和融雪径流侵蚀力散点，在excel表格中对冷季期间降水和融雪径流侵蚀力散点描出图像曲线，该图像曲线为一条直线，在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到冷季融雪径流侵蚀力关系表达式。表达式在Matlab软件经检验合理有效，在融雪径流侵蚀力的预测上效果好。
R＝R暖+R冷
式中：R为一个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R暖为暖季降雨侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R冷为冷季融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；
其中，R暖的计算公式如下：
Figure BDA0002619454570000061
式中：P日为6-9月大于12mm的第j个降雨日的降雨量，单位为mm，k为日降雨大于12mm的第一个降雨日，j为日降雨大于12mm的第j个降雨日；
R冷的计算公式如下：
R冷＝0.125P10-5 1.437
式中：P10-5为上年10月1日至当年5月31日的总降雨量，单位为mm；
S5、对于不同年份降雨-融雪径流侵蚀力的计算，重复步骤S4，依次得到时间序列内多年的暖季降雨侵蚀力和冷季融雪径流侵蚀力，并依次计算得到时间序列内每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力；
S6、对步骤S5得到的每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力求平均值，得到高海拔区时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力；
Figure BDA0002619454570000071
式中：
Figure BDA0002619454570000072
为计算时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力，N为计算时间序列的单元年数，1,2,3,...。
下面结合具体实施例对本专利进行进一步叙述：
以某站点1991-2010年多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的计算为例，具体计算过程如下：
(1)确定需要计算的高海拔区的多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的计算时间序列，本示例的时间序列确定为1991-2010年；
(2)收集1990年10月1日-2010年9月30日期间的所有大于0.1mm的日降雨数据；
(3)将时间序列划分为多个单元年，并将每个单元年的日降雨数据分为暖季降雨和冷季降雨，暖季降雨的时间段为6月1日-9月30日，冷季降雨的时间段为上年的10月1日-当年的5月31日；
(4)筛选暖季侵蚀性降雨。将日降雨量大于12mm的侵蚀性降雨筛选出来，用于暖季侵蚀力的计算。
(5)计算1991年的暖季降雨侵蚀力。
1991年暖季期间(6月1日-9月30日)共发生侵蚀性降雨的日数为8日，侵蚀性降雨量分别为14.9mm、14.1mm、15.6mm、13.8mm、15.1mm、26.6mm、14.2mm、13.4mm，1991年的暖季降雨侵蚀力：R暖＝0.0689×14.92.14+0.0689×14.12.14+0.0689×15.62.14+0.0689×13.82.14+0.0689×15.12.14+0.0689×26.62.14+0.0689×14.22.14+0.0689×13.42.14＝223.83MJ.mm.hm-2.h-1
(6)重复步骤(5)，依次计算得到计算时间序列内多个单元年逐年暖季降雨侵蚀力。
1991-2010年暖季降雨侵蚀力计算结果分别如下：
表1 1991-2010年暖季降雨侵蚀力
Figure BDA0002619454570000081
(7)计算1991年冷季融雪径流侵蚀力。
如计算1991年冷季融雪径流侵蚀力。1991年冷季期间降雨量共计109.2mm，1991年冷季融雪径流侵蚀力：
R冷＝0.125×109.21.437＝26.93MJ.mm.hm-2.h-1
(8)重复步骤(7)，依次计算得到逐年冷季融雪径流侵蚀力。1991-2010年冷季融雪径流侵蚀力计算结果分别如下：
表2 1991-2010年冷季融雪径流侵蚀力
Figure BDA0002619454570000091
(9)累加得到时间序列内多个单元年的降雨-融雪径流侵蚀力。
表3 1991-2010年降雨-融雪径流侵蚀力
Figure BDA0002619454570000092
(10)计算到多年平均降雨-融雪径流侵蚀力。求算1991-2010年的逐年降雨-融雪径流侵蚀力的算术平均值，得到多年平均降雨-融雪径流侵蚀力数值336.52MJ.mm.hm-2.h-1。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、确定高海拔区需要计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的计算时间序列，得到侵蚀力计算的起始年与结束年，并在确定计算时间序列后选择出日降雨量大于0.1mm的日降雨，所需降雨基础数据的时间序列为计算时间序列的前一年10月1日至结束年12月31日；
S2、将选择出的日降雨按照降雨发生的月份，以前一年10月份至当年9月份为一个周期作为一个单元年，并将每一个单元年区分为暖季降雨月份和冷季降雨月份，暖季降雨月份为6-9月份，冷季降雨月份为前一年10月份至当年的5月份；
S3、筛选时间序列的所有周期内暖季降雨月份中日降雨量大于12mm的降雨日；
S4、分别按照暖季降雨侵蚀力和冷季融雪径流侵蚀力计算公式，得到时间序列内每一个单元年对应时段的降雨侵蚀力，两者相加得到该一个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力；
R＝R暖+R冷
式中：R为一个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R暖为暖季降雨侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；R冷为冷季融雪径流侵蚀力，单位为MJ.mm.hm-2.h-1；
其中，R暖的计算公式如下：
Figure FDA0002619454560000011
式中：P日为6-9月大于12mm的第j个降雨日的降雨量，单位为mm，k为日降雨大于12mm的第一个降雨日，j为日降雨大于12mm的第j个降雨日；
R冷的计算公式如下：
R冷＝0.125P10-5 1.437
式中：P10-5为上年10月1日至当年5月31日的总降雨量，单位为mm；
S5、对于不同年份降雨-融雪径流侵蚀力的计算，重复步骤S4，依次得到时间序列内多年的暖季降雨侵蚀力和冷季融雪径流侵蚀力，并依次计算得到时间序列内每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力；
S6、对步骤S5得到的每个单元年的年降雨-融雪径流侵蚀力求平均值，得到高海拔区时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力；
Figure FDA0002619454560000021
式中：
Figure FDA0002619454560000022
为计算时间序列内多个单元年的平均降雨-融雪径流侵蚀力，N为计算时间序列的单元年数，1,2,3,...。
2.根据权利要求1所述的适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其特征在于：步骤S3中，暖季降雨侵蚀力计算公式的确定方法如下所述：
根据步骤S1中获得的实际测量的暖季期间精细的降雨过程数据计算得到暖季降雨的降雨量和EI30，在excel表格中对暖季降雨的降雨量和EI30散点描出图像曲线，该图像曲线为一条直线，在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到暖季侵蚀力关系表达式。
3.根据权利要求1所述的适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其特征在于：步骤S3中，冷季融雪径流侵蚀力计算公式的确定方法如下所述：
将冷季期间实际测量的降雨量和冷季期间融雪径流侵蚀力散点，在excel表格中对冷季期间降水和融雪径流侵蚀力散点描出图像曲线，该图像曲线为一条直线，在Matlab软件中采用regress函数作最小二乘法作线性拟合得到冷季融雪径流侵蚀力关系表达式。
4.根据权利要求1所述的适用于高海拔区计算多年平均降雨-融雪径流侵蚀力的方法，其特征在于：冷季期间融雪径流侵蚀力的计算包括以下子步骤：
①将河道观测断面的泥沙输移量与泥沙输移比相除得到土壤侵蚀量；
②根据区域坡度坡长因子、植被覆盖因子的空间分布状况，将土壤侵蚀量分别除以坡度坡长因子、植被覆盖因子，得到区域的降雨-融雪径流侵蚀力；
③降雨-融雪径流侵蚀力减去暖季期间的降雨侵蚀力，得到的数值即为冷季期间融雪径流侵蚀力。
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