第2章--水土流失影响因子监测(宁ding).doc

第2章 水土流失影响因子监测【本章提要】本章主要阐述水土流失影响因子的基本概念、侵蚀原理及分类，分析水土流失影响因子产生水土流失的基本规律和原理，介绍水土流失影响因子的监测常用的方法，并说明了监测数据的分析和整理。水土流失影响因子十分复杂，主要因子为水土流失气象因子、土壤因子、植被因子、地形地貌因子、地质因子及人类活动因子。对于不同影响因子，监测内容和方法也不尽相同，某些方法尚在进一步发展和完善中，以下就目前应用较广泛的成熟方法作以见绍。2.1水土流失气象因子观测气象因子是导致坡面土壤流失的动力因素，包括降水、气温、风向风速及气象灾害等，其中降雨和风是主要因子。降雨对坡面侵蚀的影响决定于降雨所产生径流的侵蚀力，它是降雨量、降雨强度、雨型和雨滴动能的函数。风对土壤侵蚀的影响主要取决于风速和风向，下面对各气象因子的观测作一介绍。2.1.1降雨因子观测地球表面的各类土壤侵蚀均与降水有关，如以水力侵蚀为主的土壤侵蚀的强弱取决于降雨量和降雨强度，本节重点介绍降雨因子的观测内容和方法，其他土壤侵蚀类型的气象要素观测仅作概要介绍。2.1.1.1降雨相关概念大气中的水汽达到饱和或过饱和，在有凝结核存在的条件下，便凝结成云。从云中降到地面的液态或固态水称作降水。降水有多有少、有大有小，常用降水量，降水强度，降水变率等物理指标来表示。降水量是指从天空中降下来的水（雪），在平面上未损失（蒸发、渗透等）的水层深度、以mm计。在降水中对水土流失有重要影响的是降雨，因此本节主要对降雨进行介绍。单位时间内的降雨量，就是降雨强度，以mm/h或mm/min计。降雨变率反映了降雨量的变动程度，某地的实际降雨量与同期多年平均降雨量之差，称为降水距平、称绝对变率；降水距平与多年平均降雨量的百分比，称为相对变率。显然，相对变率越大，表示平均降雨量的可靠程度越小，发生洪涝灾害的可能性就越大。在水力侵蚀监测中，通常按降雨性质、降雨强度对降雨分类，根据气象及水文按降雨强度分为小雨（24h雨量10.0mm）、中雨（24h雨量10.1-25.0mm）、大雨（24h雨量25.1-50.0mm）、暴雨（24h雨量50.1-100mm）、大暴雨（24h雨量100.1-200.0mm）、特大暴雨（24h雨量200.0mm）等六级。水土保持部门关注的是能产生水土流失的最小降雨强度和在该强度范围内的降雨量，即侵蚀性降雨。根据我国各地研究结果，有10min降雨5mm或30min降雨7.210.7mm的降雨强度，且降雨量在10mm上下时，均可以产生水土流失，这就是发生土壤侵蚀降雨标准。在黄土高原，有的研究人员对侵蚀性降雨按雨强进行了划分：低雨强降雨（510mm/h）、小雨强降雨（1020mm/h）、中雨强降雨（2030mm/h）和大雨强降雨（30mm/h）四级。在水土流失监测中，要特别注意暴雨造成的水土流失监测。当降雨强度超过了土壤入渗速率，就会出现地表径流，导致侵蚀的发生和发展，因而，对暴雨的水土流失监测十分必要。2.1.1.2降雨观测场地选择与仪器布置（1）降雨观测场地的选择要求降雨及其他气象要素观测，除了流域点雨量观测外，一般均设置气象观测场。在观测场选址时，要注意场地土壤的代表性，以便使地温观测、地面蒸发观测指标具有准确性和典型性。1）降雨观测场地应避开障碍物或强风区域降雨的收集和量测受周围环境影响很大，故降雨观测场地应避开障碍物或强风区域，应选在四周空旷、平坦的地方。一般降雨观测场距障碍物的距离至少是该障碍物3倍以上，在丘陵区、山区，观测场不宜设在陡坡上或峡谷内，尽量选择在相对平坦的场地，并使仪器口到山顶的倾角不大于30。2）径流场与气象观测场布设间距应靠近在径流场设置气象观测场，两者应尽量靠近，一般应控制在100m的范围内。3）交通应便利此外，还应考虑交通条件，保证观测方便。（2）场地建设与仪器布置要求降雨观测场地确定后，应加以平整，地面种植牧草（草高不超过15cm），四周设围栏保护，防治人畜破坏。观测场的大小，根据需要和仪器布设情况确定，在水土流失测验中通常分为两种情况：1）气象园观测在重点流域径流观测场，要求气象因子观测的内容多，几乎包括了一般气象站所观察的全部内容，如日照、气温、湿度、地温、风、蒸发等，这就需要占地面积较大、观测仪器布置相对集中地园地，又称气象园。水土保持气象园地多为16m12m，园内仪器布置见图2-1，园内最北端1、3分别安装测量风向、风速的仪器，2留待备用；4、5分别安装自计仪器百叶箱和温度湿度百叶箱，6、8安装雨量筒和自计雨量计，7为日照计；场内最南端9安置地温表，10为蒸发皿或大型蒸发仪安置地。图2-1 气象仪器布置参考图2）径流场降雨观测在一般径流观测场，没有其他气象要素观测要求时，仅观测降水资料时，观测场及仪器布置如下：若安装一台雨量计，仪器占地面积不小于4m4m；安装两台雨量计，仪器占地面积不小于4m6m（见图2-2）。图2-2 雨量计布置参考图（3）流域雨量点密度流域雨量点的多少受流域面积、地表形态和地形变化的制约，也随观测降雨目的而变。一般面积大、形态变化大和地形复杂的流域，雨量点密度要大；相反，雨量点可稀疏一些，重点流域要研究点雨量与面雨量的关系、与径流深的关系，同时要研究暴雨中心、频率、雨型和气团活动对水土流失的影响等，雨量点密度要求大；若仅反映降雨和产流量的关系，雨量点可少些。我国小流域测验，一般采用1km2面积，至少应有1个雨量点。在水土流失严重的重点流域或地形复杂的流域，雨量点数按表2-1布设。表2-1 流域基本雨量点布设数量流域面积（1km2）0.20.20.50.52.02.05.0雨量点数253647582.1.1.3仪器安装及校正（1）仪器安装的基本要求雨量筒是常用的量雨器，它只能测定一次降雨的总量，因此需要安装在有人驻守的雨量点上。雨量筒结构简单，通常无需校正，但因出厂运输或其他原因，造成承雨口变形、桶内壁凹凸不光滑、漏斗接触不良，甚至储水瓶、量杯破坏，应检修或更换。降雨受多因素影响，在垂直高度上分布不一，因此，我国规定雨量桶安装高度为器口至地面高0.7m，且保持器口水平。支持三脚架深入地面以下要牢固，防止被风吹倒。常用自记雨量器有虹吸式和反斗式两种，它可记录降水过程及雨量变化，需要观测人员经常检查、换纸、加墨水等，因而常安装在径流场（站）。它的安装高度为0.7m或1.2m。为保证安装稳定、牢靠，应在仪器底部埋设基桩或混凝土（砖）块，并将三条线拉紧埋实，应注意器口要水平（用水平尺检查）。当有融雪径流产生坡面侵蚀时，需要观测降雪量。鉴于降雪的特殊环境，用雨量器时安装高度为1.2m或2.0m，并在器口安装F-86型防风圈，防止雪花随风漂移，提高观测精度；若现有苏制特立奇耶夫式（Tretyakow）防风圈，亦可应用。（2）仪器校正1）雨量器的基本技术要求：雨量筒和自记雨量器的承雨口径为200mm，允许误差不超过0.6mm。自记雨量计量测精度相对误差用式（2-1）计算： （2-1）式中：为测量误差，单位为；为仪器记录水量，单位为mm；为仪器排除水量，单位为mm。测量精度在较小降雨的情况下，以绝对误差表示，超过10mm的降水，以相对误差表示，通常仪器的分辨率为0.1mm或0.2mm，精度要求是：降雨量不大于10mm时，量测误差应为0.2mm、最大不超过0.4mm；降水量大于10mm时，量测误差应为0.2%、最大不超过0.4%。自计雨量计的运行时差机械钟日差不超过5.0min，石英钟日差不超过1.0min。记录笔应划线清晰、无断线现象，且记录调零机构操作方便、灵活，复零位误差不超过仪器分辨力的1/2。2）检查校正。按照上述基本要求，在仪器安装后必须进行检查校正。一般雨量桶在仪器完整无变形的情况下可不校正，或由承雨口计算出水量加入，再量测收集量校正。对自记雨量计，除检查时钟、记录笔等部件外，主要检查测量精度，是否符合规定要求。以虹吸式自计雨量计为例来说明：用量杯（特制杯）量取10mm清水，分十次注入承雨口，每次1mm，并记录下每次自记笔的记录值。当刚好注完10mm时，虹吸应立即发生。重复5遍，将试验结果以累积加水量为纵坐标，相应记录值为横坐标，点绘成相关图，若相关线通过坐标原点，且与坐标轴呈45的直线，说明仪器无误，否则应求出误差，对雨量计进行维修和更换。常见的故障是加完10mm水后不发生虹吸或未加完10mm水已发生虹吸，这是安装虹吸管（玻璃制品小心安装）有误造成的，且在旋转丝口时应加黄油密封。2.1.1.4降雨量观测（1）观测设备及其工作原理降雨量的观测由雨量筒来完成，我国使用的是普通雨量筒，它的直径为20cm、高为70cm。降落的雨水由雨量筒上部进入，经漏斗收集到盛水瓶里，经过测定盛水瓶里雨水的体积，进一步转化为降雨量，这类雨量筒仅能监测到降雨总量。降雨过程（如降雨强度和历时）对土壤入渗、坡面产流和侵蚀影响很大，尤其在我国北方超产流地区更是如此。要观测降雨过程，只能依赖自计雨量计，下图左侧为虹吸式自计雨量计，它由漏斗、盛水瓶、浮子、时钟、虹吸管等几大部分组成。随着降雨的进行，进入盛水瓶内的雨水水位逐渐上升，浮子随着水位的上升而升高，由浮子头上的记录笔在时钟筒上的记录纸上画出浮筒内水位上升的过程。当浮筒内水位上升到10mm时，虹吸管顶部充满了水，在虹吸管作用下浮筒内的水完全排出，浮子又降落到了浮筒的底部，随着降雨的进行继续划线。由于时钟定时转动，因此可以从记录纸上判断出降雨开始、降雨历时和降雨结果的时刻。用虹吸式自计雨量计监测到的曲线，是降雨过程累积曲线（即雨量随降雨过程的累加），要获得降雨强度，尚需对记录纸做出进一步的分析和计算。图2-3的右侧为翻斗式电子自计雨量计，它由接雨漏斗、翻斗、数据采集器、连接线及相关软件组成。降雨时雨水由漏斗进入雨量筒，直接落在翻斗一侧的接雨处，当雨量达到0.1mm时，翻斗翻落，将翻斗内的雨水倒掉，由另一侧翻斗接雨雨量达到0.1mm时，翻斗再次翻落。而于翻斗轴连接的数据采集器可以自动记录翻斗翻落的次数和每次翻落所需的时间，其观测到的降雨量为翻斗翻落次数的1/10。这类雨量计获得的观测结果可以用计算机下载，由专门软件来分析其降雨过程线。图2-3 自计雨量计布置参考图（2）雨量筒观测1）每天量雨筒观测的次数及其包含的时间称观测时段。水土保持部门多采用2时段观测、即每天早8时和晚20时观测，气象部门多采用3时段、即增加14时观测。若遇少雨或无雨天也可在早8时观测一次。2）按气象部门规定，降水过程中有间歇时，当间歇时间超过15min后，间歇前后作为两次降水记录；若间歇时间不超过15min，则作为一次降水记录。3）降雨观测应在降雨结束后及时观测，这是为减少蒸发损失提高精度所必须的。在记录降水量时，还应记录降雨起止时间。若观测时降雨未结束，应带备用储水瓶换取，此种情况只记录降水量不计降水起止时段。4）使用量雨杯，应两指捏住上口使之垂直，读数时保持视线与杯中水面凹面最低处齐平，读出最小刻度。（3）自记雨量计观测自记雨量计观测在每日8时整进行，当降水量多或降暴雨时要经常巡视，以排除故障，防止漏记降雨过程。以下说明虹吸式雨量计的观测过程。虹吸式自记雨量计是靠人工更换记录纸的一种自记仪器，适用于有人驻守的观测区，观测时，每虹吸一次即为10mm降雨量，乘以虹吸次数，再加上末端末虹吸值，即为该次降雨总量，当然也可用雨量杯量储水器的水量得到，但需将浮子室中水全部吸出。1）观测程序准备。观测前，在备用记录纸上填写上填写观测月份和日期，冲洗量杯和备用储水瓶。每日8时整准时到达雨量计处，并立即对着笔尖位置在记录纸零线上画一短垂线，以便检查时间快慢。正常情况下，若无雨或少雨时，将笔尖拔离纸面，换纸并加墨水，上时钟发条。对准时间，拔回笔尖，准时记录。若此时雨很大，可以不换纸（记录纸上能连续记26h），让其继续工作，经过2h后再换纸。若已达10时雨量仍很大，此时仍不可换纸，但需要拨开记录笔尖，转动钟筒，使笔尖越过压纸条，将笔尖对准时间坐标继续记录，直到雨小时再换纸。在换记录纸的同时，将下方储水瓶带回，放上备用瓶，以便量测校正用。2）观测注意事项换记录纸时，常出现浮子圆筒中有水而未能发生倒虹吸的现象（属于正常现象），需注入一定体积清水，使其虹吸，带回储水瓶后要检查注入量与记录量之差是否在0.05mm之内。若出现笔尖在10mm记录纸上波动，成为平头线（属不正常现象），可先将笔尖剥离纸面，用手握住笔架向下轻压，迫使虹吸；然后对准时间继续记录，待雨后再检查调整。若连续晴日无雨或降水小雨5mm，一般不换记录纸，只需在8时观测时，向承雨口注入清水，使笔尖抬高几毫米，继续记录。每张记录纸连续使用日数一般为5d，并记录末端日期。换纸后，安装纸筒就位时应先顺时针后逆时针方向旋转钟筒，以避免钟筒的齿轮产生间隙，给走时带来误差。注意经常用酒精洗涤自记笔尖，使墨水流畅。对于电子自记雨量计，他的数据采集器可以储存较多的数据，其存储容量随着采集器类型的不同而不同。在降雨比较少的黄土高原地区，每两周采集一次数据即可。但是在降雨比较频繁的南方地区，应当适当缩短数据采集间隔，加大数据采集的频次。因为当采集器的储存空间已满是，后续记录的数据会覆盖之前采集的数据。要下载数据是要将雨量计与笔记本电脑相连，打开相应软件，将降雨记录下载到电脑中。（4）翻斗式遥测雨量计国产翻斗式遥测雨量计可以测定降水起止时间及降水强度，由感应器和指示记录器两大部分组成，并由双芯电线连接，实现较远距离遥测。仪器的感应器由承水、上翻斗、计量翻斗、下翻斗等构成。当降水进入承水口并输至计量翻斗，每降雨0.1mm计量翻斗翻动一次，使下翻斗装有的干簧开关工作将信号输送到记录器。记录器由计数器、记录笔、记录、控制线路板组成，可将传输信号放大、记录。该仪器安装要求同虹吸式雨量计，在使用前除检查、安装记录纸外，还需要使计数器清“0”，及记录笔归“0”，并要经常检查维修保养。（5）暴雨观测与调查暴雨是产生水土流失的重要降水形式，当特大暴雨出现，暴雨观测一般都采用加测的办法，此时如还无法满足观测要求，应尽可能及时进行暴雨调查。1）暴雨观测暴雨观测一般都采用加测的办法，暴雨来临时要加强采集雨量数据的频次，并加强巡视，以防降水溢出储水桶。2）暴雨调查暴雨调查应组织好人力分头进行。在雨区先要选择好被调查人和被调查承雨器，如设在露天的缸、盆等，且雨前无蓄水、雨中无溢流，雨后损失小的器俱。通过量积（或称重）及承雨口面积，调查降雨起止时间、降雨过程雨情变化及时间变化等资料，掌握雨型，测出降雨量。若在各变化时段，有不同的雨量收集物收集降水，且满足无溢出等条件，那是十分宝贵的资料。注意在每一调查点应有两个以上的重复调查资料，以相互印证，保证调查有一定精度。将调查得出的降雨量值点绘在较大比例尺平面图上（1/10000地形图最好），可以绘制暴雨分布图和等雨量线图，得知暴雨中心及衰减变化，也可推求出观测区的暴雨和分布。区域暴雨调查的雨量点分布应较均匀，且应有一定数量。调查点愈多，暴雨分布图愈能反映真实情况，调查点愈稀少，相对精度较低。一般大范围暴雨调查，一平方公里面积不少于一个调查点，对于靠近观测区的范围，一平方公里不少于2个调查点。2.1.1.5资料整理与计算（1）点雨量整理内容与方法1）审核原始记录通常必须随测、随算、随整理、随分析，以便及时发现问题，及时处理和改正。对自记雨量计的记录，要求分别检查时间误差和降水量是否超过规定，超过规定值需要进行时间订正和降水订正。2）时间订正一日内时差超过5min，就需要订正。订正的方法是：以20时、8时观测注记的时间纸上记号为依据，算出记号与记录纸上相应的时间差值，用两记号之间的小时数去除上边的差值（分钟），得出每小时差数，然后用累积分配方法订正于需要记录的整点时间上。3）降水量订正当虹吸量（记录纸上算出量）大于记录量（收集量），且每虹吸一次平均差0.2mm或一日累计差值达2.0mm时，应进行订正。方法是将虹吸量与累计降水量之差按虹吸次数分配到每次虹吸降水中即可4）统计日降水量、月降水量雨量筒观测在8时观测完后，应记录在表中，对于自记仪器的观测，若出现记录笔在10mm或10mm以上呈水平线并有波动，大雨时记录笔不能复零现象，均以储水瓶收集降水量为标准记录，最后按月统计，标出其中最大雨量、最强雨量、降雨天数、降雨次数，并装订成册。5）特征雨量资料摘抄水土流失受降雨强度影响极大，因而常要求摘录出一次降水过程中相同降雨强度时段的降雨历程和历时，这就是特征雨量资料摘抄。在已经订正的自记雨量计的记录纸上，先按照记录线的斜率一致性将一次降水过程分为若干段，使相邻的降雨时段斜率不一；然后算出每一时段的降水量，并由起止时段算出历时。将各时段降雨量和分时段时间加总，与校正的降水总量和历时比较，若误差不超过0.2mm和5min，即可满足；若误差超规定数，则分别按雨量和历时平差分配订正。订正后就可算出各时段的平均降雨强度。在月统计表中反映强度最大的降水量、历时和强度。（2）面（小流域）雨量资料整理与方法在小流域径流泥沙观测中，设置流域降雨观测的意义主要在于：分析与校核流域径流泥沙观测资料；对流域点雨量资料进行插补和订正；分析建立雨量径流泥沙关系；探寻流域降雨分布规律，以及对洪峰流量的影响；分析流域水土保持综合治理效益等。流域雨量资料整理与计算是建立在点雨量资料校正准确的基础上的。整理的内容主要是求流域的平均降雨量、日平均雨量和月平均雨量。对于面积较大的流域，还要做暴雨分布分析。下面着重介绍流域平均雨量推求的两种方法。1）算数平均值法在流域布置雨量点密度住够，且地形单一、分布均匀时，用算数平均值法推求流域平均次降雨量采用式2-2。 （2-2）式中：为流域平均次降雨量，单位为mm；为流域所设点雨量的校正次雨量，单位为mm；为流域不设的点雨量数。2）面积加权法若流域点雨量较稀、分布不均或地形起伏大，则用面积加权法计算平均次降雨量。各雨量点面积的确定多用泰森多边形法，也有用雨量等值线法。泰森多边形法是将布设的雨量点依据紧邻关系连成多个三角形，从周边雨量点起作三角形每个边的中垂线，再延长连接流域中部雨量点周围各线的中垂线，形成围绕雨量点的多边形（含流域边界线），这些多边形所包围的面积即为被围雨量点的面积。面积测量：先分别量算各雨量点的面积并求和，再与总面积相比，将差值按各点面积大小平均分配到各个多边形中（成平差），得出真实面积并求出占总面积的百分比，即面积权数。用式2-3计算流域平均雨量。 （2-3）式中：为各点雨量，单位为mm；为各点雨量的面积权数（小数值），（该式中：为该点雨量覆盖面积、F为流域总面积）。若流域面积较大，且有较多雨量点时，可按一定比例绘制雨量等值线图，分别测量各等值线间所包围的面积，经平差后用不同面积分别乘以两相邻等值线所示雨量的平均值，再求和后除以总面积即得平均雨量，即式（2-4）。 （2-4）式中：、为等值线所围面积和流域总面积；、为两相邻等值线实处的雨量，单位为mm。有了流域次平均降雨量，就可进行日降雨量和月降雨量统计，并找出最大雨量值和时间。（3）流域降雨资料几个特征值的统计1）降雨变率是表示某地降雨的变化大小。由绝对变率（d）和相对变率（D）表示。绝对变率（d）是指某年（或月）降水量与多年平均降水量之差，当d为正值表示降水量比往年多，d为负值表示降水量偏少。绝对变率用式（2-5）计算。 （2-5）相对变率（）是指某年的绝对变率（）与多年平均值之比，用式（2-6）计算。 （2-6）2）降水强度（）是指单位时间内（min，h）的降水量（mm），用式（2-7）计算。 （2-7）3）保证率是指降水量高于（或低于）某一界限数值的频率的总和，含有保障性和可靠性程度的意思。统计分析降水保证率至少需要有1230年以上的资料。计算步骤是按降水量从大到小排列的顺序，并以此累加频率，这个累计频率值即为各界线数值的保障率，见表2-2。表2-2 频率计算表降水量分组650700600650550600500550450500400450总计出现年数361072230频率（%）102033.323.86.76.7100保证率（%）103063.386.693.3100.01002.1.1.6降雨强度与雨型（1）降雨强度单位时间内的降雨量，称为降雨强度。降雨强度愈大，雨滴动能愈大，地表产流量愈多，土壤侵蚀有可能愈严重，故监测降雨强度对阐明土壤侵蚀极为重要。常用的降雨强度指标分为平均降雨强度、瞬时降雨强度和最大降雨强度。1）平均降雨强度平均降雨强度指次降雨平均强度，单位为mm/min/或mm/h，它是降雨量与降雨历时的比值，反映降雨的平均状况。2）瞬时降雨强度瞬时降雨强度指在降雨过程中影响侵蚀最明显的某一时段的平均降雨强度，经过国内外多年研究，常用的瞬时降雨强度有等，它是在次降雨过程中，降雨强度最大的10min、30min和60min中的平均强度，单位为mm/min或mm/h。计算瞬时降雨强度需要分步进行，首先将降雨过程记录按雨强大小不同划分若干段，如记录纸中按曲线斜率划分；再从各段中摘出降雨量和降雨历时，如曲线段上纵坐标即上下之差为降雨量，横坐标即左右之差为降雨历时；最后，降雨量除以历时即得瞬时雨强。的计算步骤同前，所不同的是，在划段时还要考虑时间，即从中选取出最大雨强的10min、30min、60min一段加以计算。当降雨过程变化不大时，选取的时间是某一段中的最大部分；当降雨过程变化较大时，选取的时间可能包含了最大降雨强度及其两侧的变化部分。如利用自记仪的曲线记录纸，凡斜率大、曲线陡的那部分即是降雨强度大的部分。实质上，是10min、30min、60min内最大降雨量的平均值。3）最大降雨强度最大降雨强度指某一时段（月或年）中，最大的降雨平均强度，单位为mm/min或mm/h。在水文计算中，常用次降雨的最大平均值，是将1个月中的最大值比较后摘出来；再对12个月中的最大值比较后，摘出得到年最大值。在水土保持工作中，由于影响侵蚀最明显的是，故取用时对一月中，或者一年中的进行对比，摘出最大值。有时为了表明显示，并与瞬时雨强度相区别，记为，或。（2）雨型雨型是指降雨过程变化类型的简称。在水土流失严重的地区，次降雨变化过程不同，侵蚀效果是不一样的。人们研究了黄土高原的降雨特性，尤其是高降雨强度的暴雨特性，根据其降雨过程、降雨强度和降雨范围的变化大小，将侵蚀严重的暴雨划分为三个类型：由强对流条件引起的小范围、短历时高强度暴雨，称为A型；由锋面及局部对流引起的较大范围、中历时、中强度暴雨，称为B型；由锋面引起的大范围、长历时低强度暴雨，称为C型。这三种类型均都产生强烈土壤侵蚀，所不同的是，A型侵蚀强度大、但范围小；B型侵蚀强度较大、范围较大；C型侵蚀强度较小，但历时长、范围大，总体土壤侵蚀依然十分严重。2.1.1.8侵蚀性降雨与降雨侵蚀力计算（1）侵蚀性降雨1）侵蚀性降雨概述侵蚀性降雨是指引起土壤流失的最小降雨强度和在该强度范围内的降雨量。一般而言，凡是产生地表径流的降雨，就能引起土壤流失。因而，侵蚀性降雨实质是产生地表径流的临界降雨。由于目前对侵蚀性降雨的认识不同，出现了不同的侵蚀性降雨指标。有的以产生轻微侵蚀（1t/km2）或允许土壤流失量（2t/km2）为标准，得出最小降雨量，有的以径流系数在0.05以下的降雨量为标准，有的取用10mm降水量为指标等。相比国外的研究成果，美国取次降雨量12.7mm和日本取13.0mm为侵蚀性降雨，我国采用10mm基本符合国情，尤其符合流失严重的黄土高原。2）侵蚀性降雨特征指标特征侵蚀性降雨既包含了最小降雨量，又包含了最小降雨强度两项指标，若仅反映一个指标，很难完全表达清楚。表2-3是我国各地现有研究提出的侵蚀性降雨标准，它既有最小降雨量，也有最小降雨强度。表2-3中为侵蚀性降雨的次降雨量，I10和I30是10分钟和30分钟最大降雨时段内的侵蚀性降雨量。这说明在降雨量为10mm上下时、且有10分钟出现5.0mm上下的降雨，或30分钟出现7.210.7mm的降雨量均可产生径流，此时均可发生土壤侵蚀。表2-3 我国不同地区的侵蚀性降雨标准地区及代表土壤代表地点标准（mm）PI10I30西北黄土陕北子洲9.95.27.2甘肃西峰10.07.5东北黄土黑龙江宾县8.95.08.0东南红壤广东电白9.4西南紫色土四川资阳8.910.7分布特征一年中的几十次降水并非都出现土壤侵蚀，侵蚀性降雨仅占其中的一部分。在黄土高原侵蚀性降雨仅出现在每年的5月到11月，其中主要分布在78月。侵蚀降雨年平均出现次数全国各地不同，在黄土高原北部为57次、南部35.5次；累加侵蚀性降雨量，一般黄土高原北部为140150mm、南部达150220mm，均占同期降水量的5065%左右。（2）降雨侵蚀力计算降雨是水力侵蚀的间接基本动力，降雨的雨滴击打（溅蚀）是水力侵蚀的主要营力，它既粉碎和溅起土粒，又扰动薄层水流，增强冲刷和挟沙能力，这就是降雨侵蚀作用力。降雨侵蚀力与降雨量、雨强和下落速度等有关，它并非物理学中“力”的概念，而是降雨侵蚀作用强弱大小的一个表达指标，通常用R表示。降雨侵蚀力是雨滴动能和降雨强度两个特殊值的乘积，以下介绍几种常用的计算方法。1）在国外R的计算以通用流失方程（USLE）为基础的R的计算，见式2-8。 （2-8）式中：E次降雨动能（）；I30该次降雨过程中最大30分钟时段的平均雨强（cm/h）。解此式是由每次降雨记录曲线中，先选出最大30min降雨时段，截取雨量后，算出，该式中为30min降雨量（cm），t为历时即0.5h，然后按计算雨滴动能的方法依次计算每次降雨动能，再用式（2-8）计算得年总侵蚀力指标。由于降雨雨滴变化大，蕴含的能量非常小，难以用式计算降雨功能。通常是由动能与雨强的变化关系式间接计算的。在USLE中，D.D.Smith等提出下列经验计算式。 （2-9）式中：；I单位是：cm/h （2-10）式中：；式中为降雨过程中所划分的若干时段内平均雨强。若1小时为一段，则该时段的即为该时段的降雨量；若半小时为一般，则为该段降雨量的2倍（）。算出各时段的动能后，累加得次降雨总功能。计算步骤如下：a、从自记雨量计的降雨过程记录纸上，选出30分钟最大降雨时段，截取雨量算出；b、将降雨过程按雨强的变化划分若干段，每一段内雨强应一致；c、计算每时段降雨强度，并代入前式求该时段降雨动能；d、将各段动能累加得次降雨动能，再乘以，得次降雨。上述求方法，需要有每次降雨过程线，当不能得到时降雨过程线时，WHWischmeier等提出以下经验式： （2-11）式中：年降雨量（mm）；某月平均降雨量（mm）。2）在我国的计算以通用流失方程为基础的计算。我国学者研究降雨侵蚀力指标，有以基本公式为基础的计算方法，但在计算动能时公式不同，以下为几个地区的计算式：西北地区 普通雨型 短阵型雨 （2-12）东北地区 普通雨型 短阵型雨 （2-13）南方（福建） （2-14）上式中单位：动能为；雨强为mm/min。值的简易计算。以上计算必须得到降雨过程记录纸，在我国较难以实现，因而出现了R值的简易计算方法。简易计算分次降雨值、年降雨值和多年平均值三个层次。计算式有：第一层，次降雨值简易计算式： （适用10mm/h） （2-15）式中：降雨侵蚀力指标（）； 次降雨量（mm）； 最大30min降雨强度（mm/h）。第二层，年R值简易计算式：卜兆宏式 （2-16）式中：汛期雨量（mm）；年特征值（cm/h）；为美习用单位。黄炎和式 （适用闽东南地区） （2-17）式中：单位为；各月大于20mm的降雨总量（mm）。周伏建式 （适用福建） （2-18）式中：年侵蚀力（）；月雨量（mm）。刘秉正式 （适用陕西渭北地区） （2-19）式中：年6月9月降雨量之和（mm）；全年降雨量（mm）。王万忠式 （适用全国） （2-20）式中：单位为；10为次降雨量10mm的年降雨总量（mm）；为年最大60分钟降雨量（mm）。第三层，多年平均值的估算。中科院水保研究所王万忠对全国25个试验站的资料统计分析，得出估算多年平均值的计算式： （2-21）式中：一个地区的多年平均值（）；年平均雨量（mm）；、分别为平均年最大60分钟、1440分钟时段的降雨量（mm）。有了上述R值计算式，就可得出观测区的降雨侵蚀力指标，为其他观测资料整理与分析计算奠定基础。2.1.2气温因子观测各类土壤侵蚀均与气温变化有关，尤其是重力侵蚀、风蚀和冻融侵蚀受气温变化影响较大，因而，观测气温成为土壤侵蚀监测的重要内容。2.1.2.1气温观测仪器目前，常用的测温仪器有以下几种。（1）干湿球温度计干湿球温度计，他的感应液体有水银和酒精两种。水银温度计因其沸点高，适宜在高温区应用；当气温在-38.9以下时，水银凝固，温度计失效。酒精温度计因其凝固点低（-117.3），可在低温区应用，但因测定精度差（膨胀系数小且不稳定），通常不采用。测定空气温度用干球温度计；测定空气湿度用湿球温度计。湿球温度计是在感应球表面包裹着湿润的纱布，并浸在一个小水杯中而成。（2）最高温度计这是用来专门测定一段时间内最高温度的特质温度计，其构造与普通温度计相同，只是在进球部内管中镶嵌有一玻璃针或将这段内管做的狭窄些，见图2-5（a）。当气温升高时球部水银膨胀而上升，当气温下降时，已经上升的水银压力小，不能通过狭窄处回流而出现断开，于是管上部水银柱顶端，就保持了过去一段时间内的最高温度。观测温度后需要调整温度计，方法是手握温度计中部球部向下，向体侧伸出30左右用力甩动，使断开上部水银回入球部，并与当地气温一致，然后放回百叶箱。现在用的最高温度计，测温幅度在-2050。（3）最低温度计最低温度计是用来测定一段时间内的最低温度特制的温度计，见图2-5（b）。其构造是在装有酒精感应液的毛管内有一个可以动的哑铃棒。当温度上升，酒精绕过哑铃棒向前移动、棒不动；当温度下降时，酒精柱收缩，在酒精柱顶端表面张力的作用下，带动哑铃棒一起移动。因此哑铃棒远离球部的一端6指示出最低温度。另外，为克服酒精的高热率小这一缺陷，球部做成叉形，以增大与空气的接触面，并在顶端充以氮气，防止酒精蒸发。最低温度计是水平放置的，不要用手拿起读数，应在百叶箱内读数。读完后把叉球抬起，使温度计直立，让哑铃棒划向顶端，然后放回原处。注意放置时，先放顶端（要低），后放球部，防止小棒滑动。此外，还有电阻温度计，自计温度计等，这里不再介绍。2.1.2.2仪器安装要求为避免阳光直射和降水、风的影响，温度计通常安装在小型百叶箱内。百叶箱内部高度537mm、宽460mm、高290mm。百叶箱的四壁是由两排薄的木板条（百叶）作成，百叶板条分别以45角向内外倾斜。三面固定，向北的一面可以开闭。箱盖为双层木板，期间留有空隙，空气可自由流通，下面一层水平安装，上面一层略向后倾斜。干（湿）球温度计垂直安装在箱内的铁架上，球部向下。要求温度表的球部距离地面1.5m高。通常干球温度计布设在东面，湿球温度计布设在西面。最高温度计和最低温度计安装在铁架下的横梁钩上，最低温度计要水平放置在前面一对勾上，球部略高于干（湿）球温度计球部2cm，这是为了便于观测。最高温度计放置在后面的一对勾上，球部略向下倾斜。图2-5 温度计（a）最高温度计 （b）最低温度计1-玻璃针；2-狭窄内管；3-叉形球部；4-酒精；5-哑铃棒；6-最低温度指示端；7-氮气；8-顶端2.1.2.3温度观测及要求（1）观测时段根据各地的情况和需要，观测的次数和时刻可以不完全一致。一般冻融侵蚀观测区，可采用四时段观测，即一般在北京时间2时、8时、14时、20时观测。其他观测区，可采用三时段观测，即一般在北京时间8时、14时、20时观测。（2）观测要求观测读数时，要将干（湿）球温度计（表）垂直放置，视线高度与水银柱齐平，使其读到一位小数。最高、低温度计（表）则是先观测，视线应先移动到最高、最低温度指示的位置，然后手动调整。注意不要使头部和手部接近温度计（表）的球部，不要对着温度表呼吸，尽量快速调整完。温度计（表）读数后要进行订正每支温度表都附有检定证，上面有器差订正值，（包括温度变化范围、订正值）。例如，编号为的某温度计（表），某时读数为20.3，在检定证上查得订正值为-0.1，则订正后的温度为20.2。将修订正后的气温填写到日气温记录表中。2.1.2.4观测资料整理观测资料校核后即可整理汇编。（1）总数如积温数等要求总数，用下式计算。 （2-22）（2）平均值如日均温、月均温等，将各次记录值相加，除以总次数，用下式计算。 （2-23）当为三时段观测时，日平均气温用（2-16）计算。 （2-24）（3）极值与气温较差一天中或一月或一年中的最大（高）值（最高气温值）和最小（低）值（最低气温值）为该时段的极值。两极值之差成为较差，他给出了某气象要素变化程度大小数量的概念。气温日较差是一天的观测中，最高气温与最低气温之差；气温年较差是一年中，最高气温与最低气温值之差。（4）积温计算一般积温是利用多年温度的年变化曲线，确定日平均气温大于、等于某一界限温度的持续期和该期间的温度的总数。积温为作物生长的重要依据，当日均温在0以上时，越冬作物开始缓慢生长；当日均温度在10以上时，一般喜温作物进入生长期；当日均温不小于15时，喜温作物进入活跃生长期；当日平均气温不小于20时，北方的玉米、高粱等秋作物才能安全成熟。因此，0、10、15和20具有明确的农业意义，称为界限温度。把界限温度出现的日期、持续天数及相应期间的积温作为鉴定农业生产热量资源的主要指标。多年平均积温的计算方法为：首先绘制多年月平均气温的变化曲线图，在方格纸横坐标表示一年内时间（一般1mm代表1天），纵坐标表示温度（一般1mm代表0.1），将每月平均气温绘制成直方图；然后连接各长方形中点（每月中旬的一天）成为一条圆滑曲线，该条圆滑曲线称为多年平均气温变化曲线图。从图上直接找出某一界限温度的起止月份，结合月平均气温变化的起止日期，就可知某一界限温度的起止日期，期间曲线包含的面积就是该界线温度的积温值。曲线包含的面积可用求积仪量取，也可用梯形法或网格法计算。如需要某年的积温，可绘制每月平均温度变化曲线，从该曲线可查得，也可由统计表上累加得到。2.1.3风向及风速观测在我国西部的干旱区域，风蚀极为严重，沙化扩展和生态恶化极为严重。其他区域，风的作用也加速水蚀、重力侵蚀的发展，并导致诸多灾害。因而，风向、风速观测成为水土流失监测的重要内容。2.1.3.1风的概念空气的水平运动称为风。由于地球上不同纬度接受太阳热能不同，形成气压梯度，于是高气压区的空气向低气压区流动，从而产生了风。在我国大部分地区，风随季节改变，夏季来自东南沿海，温暖而湿润，冬季来自西北，干燥而寒冷，这就是季风形成的气候特征。我国的大地势及山脉走向很大程度上阻隔了东南季风的长驱直入，导致了西北大部分地区的降水缺少，蒸发强烈，成为极度干旱区。由于气候干旱，导致地表植被稀疏，强烈的太阳辐射又会改变大气的气压梯度，从而加剧了风蚀的发展。由于地表起伏和海陆位置，还形成一些局部的地方风。在山区，风在一天中交替转换方向，一般白昼风从山谷吹向山坡，夜晚风从山坡吹向山谷，称为山谷风。在气流翻越山岭时，迎风坡气流上升，可产生云雨；背风坡气流下降，出现高温而干燥的梵风。当空气向前运动，由开阔地进入狭窄谷地时，风速极速加大，形成强风，称为峡谷风。在沿海地带，由于下垫面海洋与陆地的差距，一天内的风向在交替转换，白昼风由由海洋吹向陆地，夜晚由陆地吹向海洋。上述这些地方风，虽然不是风蚀的主要因素，但是它能引起局部温度和地面水分状态的改变，造成风害，例如干热风。在一些地区，这些风还会对风蚀起着推波助澜的作用，如夏季从青藏高原入侵西北的暖风空气就有焚风的性质。2.1.3.2风向、风速观测及设备风是矢量，包括风向和风速。风向指风的来向，通常用8个或者16个方位表示。风速为单位时间内空气水平移动的距离，单位为m/s。由于风向风速的变化较大，瞬时观测缺乏代表性，一般取2min内的平均风速值和最多风向值。风的观测多采用四时段，即2时、8时、14时和20时观测。观测常用电接风速风向仪和手持轻便三杯风向风速表。前者用于固定观测站，后置多用于临时性野外观测。（1）电接风速仪（计）及观测该仪器由感应器、指示器和记录器三部分组成。感应器由风速表和风向标两部分组成，安装在观测场的高杆上，一般高度为12m。他通过电缆与室内的指示器、记录器相连。指示器面板上有瞬时风速指示器和风向标指示器，记录器则由风向记录机构、风速记录机构、自记钟及充放电电路组成。安装检验及通电后，该仪器进入工作状态，能自动记录风速和风向在24h内的变化。1）风速记录的读取风速标尺的最小分度为1m/s，相邻两弧段间为10min。读数时，先找出记录曲线于某一时间线的交点（图2-6），读出两时间线的格数，即为10min内的平均风速（m/s）。若曲线在10min内已移出边线又折回，则来回走的格数均应记入。有时曲线略微超过边线或不到边线，应按实际走的格数记标。风速越大则曲线越陡。若要求最大风速时，可从中选取多个10min陡线进行比较后选出。图2-6 风速记录表2）风向记录的读数风向记录每隔2.5min记录一次，所以从头到尾10min内共有5次划线记录，读取这5次划线的方位，取其出现最多者，作为在这10min内的平均风向。若有两个方位风向出现次数一样，则应舍弃最左边（最初时）的一次划线，然后在其余的四次划线中选取。如果仍有次数相同的划线，再舍弃左边的一次划线，后在其余的三条划线中选取（图2-7）。以此类推，由15时50分到16时，这10min内5次划线的方位均是南，则其盛行风向为南风。16时10分至16时20分，图2-7 风向记录表5次划线的方位从左到右依次是：南东南、南、南东南、南东南、南，以南东南出现最多，即为这10min的盛行风向。有时因走时误差，第一根线和最后一根线没有划在记录纸的时间线上，略微偏过一点，可照常读取。自记钟24h内的走时误差不超过10min，风向、风速记录可不作时间订正。若超过10min，需做时间订正，订正方法同降水一样。（2）手持轻便三杯风向风速表及观测在观测风沙区的风向风速时最常用该仪器，手持高度一般为2.0m。观测时段可为四时段，也可根据实际情况和设计要求自行确定。目前有DEM6型和南京58-2型轻便风速表。这里介绍DEM6型风速表的观测和使用方法，见图2-8。该风向风速表有风向标、方向盘、小套管制动部件及风速表护架、旋杯、风速表和手柄组成。图2-8 风速表示意图（a）DEM6型三杯风向风速表； （b）风速检定曲线1-风向标；2-方向盘；3-小套管制动部件；4-风速表护架5-旋杯；6-风速表；7-手柄；8-风向指针；9-启动杆使用时将小套管拉下，右转一个角度后，方向盘就按地磁子午线方向稳定下来。风向指针与方向盘所对应的读数即为风向。用手指轻压启动杆，风速指针归零。放开启动杆，红色时钟指针和风速指针开始走动。经1min后，风速指针停止转动，接着时间指针转移到原来位置也停下来，测定结束后读出风速指针指示的数值，即为所测的平均风速。若要重新测量，再轻压一下启动杆即可。观测结束后务必将小套管向左旋转一个角度，以便固定方向盘，放回盒内。该仪表要轻拿轻放，切勿用手摸旋杯。钟表工作时，不能按压启动杆，以保证时钟工作正常。仪表上的轴承、螺母不得随便松动，保持机件完好无损。2.1.3.3风向、风速观测资料的整理风向的统计按8个或16个方位以及2时、8时、14时、20时各风向的风速合计，出现次数和最大风速填入表中。然后计算每月平均风速、月最大风速和风向频率。（1）资料计算1）月平均风速月平均风速计算公式为：月平均风速=各向风速的月合计/风出现的次数 （2-25）2）各向月