生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建

为建立适用于我国不同区域生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型,在通用土壤侵蚀模型(universal soil loss equation,USLE)框架下,室内概化模拟不同土壤质地、坡度坡长、砾石质量分数等工况下的工程堆积体,通过大量人工模拟降雨试验,修订模型各因子,构建工程堆积体土壤侵蚀量预测模型,并对其进行验证。研究明确工程堆积体标准小区及各因子定义及计算方法,提出采用土石质因子代替传统的土壤可蚀性因子以便更加符合工程堆积体实际,构建以幂函数计算的坡度、坡长因子,与砾石质量分数的指数函数计算的土石质因子和降雨侵蚀力因子相乘的工程堆积体侵蚀量预测模型。经率定与验证,模型预测效果良好(R²＞0.8),且能适用于不同区域及工况下工程堆积体边坡土壤流失量预测,该模型参数少且易获取并具有物理意义,现场操作性和实用性强。研究成果为生产建设项目水土保持工作及水行政主管部门的监督执法提供技术指导及科学依据,具有较大的科学意义与指导生产实践价值。     

工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

坡面水蚀预报模型研究

基于对我国坡面水蚀预报模型研究成果的述评和考虑坡面土壤侵蚀特征，提出了我国坡面水蚀预报模型的基本形式，给出了模型中各参数，如降雨侵蚀力、坡度与坡长、浅沟侵蚀因子的计算公式，并对土壤可蚀性、作物和水保措施等因子的提取方法进行了讨论。     

USLE与WEPP土壤可蚀性因子的关联性分析

通用土壤流失方程USLE与水蚀预测模型WEPP是当前常用的两种土壤侵蚀预测模型,而WEPP物理模型代表着土壤侵蚀预测预报的发展方向。对USLE中的K因子与WEPP中的Ki、Kr因子进行相关分析表明,USLE中的K因子与WEPP中的Ki、Kr因子之间几乎毫无相关性。即无法通过对USLE中可蚀性因子的分析来确定WEPP模型中可蚀性因子的大小。     

川渝油气田建设水土流失影响因子分析

以川渝地区油气田管线建设区域为主要研究对象,确定了9条代表性输气管线工程,选取其中4条不同工程类型管线,现场设定24个典型监测点位,实地监测实际发生的水土流失量;利用通用方程USLE对水土流失量进行预测;运用SPSS软件对监测结果和预测结果进行拟合,同时对USLE中5个显著影响因子进行扰动性矩阵分析。结果表明:（1）USLE在川渝地区油气田建设过程中预测水土流失量与实际水土流失量的拟合效果较好,适用于研究区。（2）水土流失主要影响因子影响程度优先度排序为:土壤可蚀性因子 > 植物覆盖因子 > 降雨侵蚀因子 > 土壤保持措施因子 > 坡度因子。     

细沟间侵蚀影响因子交互作用定量分析

细沟间侵蚀是多种影响因子共同作用形成的复杂过程,不同因子的作用依赖于其他因子的变化而变化。利用前人已发表数据,基于多元线性回归分析,定量分析土壤类型、雨强、坡度和坡长对坡面细沟间侵蚀过程影响及因子间交互作用效应。结果表明：雨强、坡度、细沟间可蚀性及坡长对细沟间侵蚀率的影响具有正向效应,雨强对细沟间侵蚀率的贡献最大（62.93%）。因子间交互作用分析表明,坡长的增加对坡度因子的贡献具有促进作用,对雨强因子的贡献具有抑制作用;坡度增加对坡长因子的贡献具有先促进后抑制的作用,对雨强因子的贡献则相反,20%为坡度对坡长和雨强交互作用方向变化的拐点;雨强增加对坡长因子和坡度因子具有正向交互作用,但是与坡长相比,坡度对雨强的依赖性更强。     

两种工程堆积体边坡模拟径流侵蚀对比研究

基于对重庆市城镇建设中工程堆积体野外调查结果,选择广泛存在的紫色土和黄沙壤工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷试验,对比分析了不同土石比及坡度的工程堆积体边坡径流侵蚀过程。结果表明:(1)工程堆积体土壤入渗率随冲刷过程呈先快速减小、后逐渐稳定的变化趋势,且波动幅度大小随冲刷流量的不同出现差异,下垫面稳定入渗率均在0.4~1.7 mm min~(-1)之间。(2)不同下垫面堆积体产流率随冲刷时间均呈先增加后稳定的谷峰交织变化趋势且随放水流量增大而显著增强;在相同放水流量时,黄沙壤堆积体平均产流率最大可为紫色土堆积体的1.89倍。(3)不同下垫面堆积体径流含沙量随冲刷时间呈先增加后稳定的波动趋势;径流含沙量在不同流量条件下介于0.21~1278.49 g L~(-1);冲刷过程中坡面面蚀向沟蚀的转化对径流含沙量有显著影响,最大可增加13.73倍;堆积体坡面侵蚀过程存在突变期、活跃期和稳定期3个阶段,细沟发生的偶然性和随机性对产沙量波动贡献率最大。(4)工程堆积体在不同放水流量条件下侵蚀泥沙颗粒粒径分布差异性明显,紫色土堆积体最大侵蚀泥沙颗粒均大于黄沙壤堆积体。研究结果可为重庆市城镇建设工程堆积体新增水土流失量预测和植被生态恢复提供重要科学依据。     

不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程

工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形、土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元。该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质、侵蚀动力及径流侵蚀过程。结果表明：1）2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2～2.0倍,稳定入渗率为原土1.70～4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02～11.59倍。2）各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155～0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632～57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337～77.071 g/(m2·s)之间;而紫色土工程堆积体边坡径流流速、剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184～0.281 m/s,35.525～53.600 N/m2和1.445～61.910 g/(m2·s)。3）土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因。该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持。     

赣北红壤坡地土壤流失方程关键因子的确定

土壤流失方程是开展水土流失监测,指导水土流失防治的重要技术工具。针对红壤坡地土壤流失方程因子算法和取值研究薄弱的问题,基于野外径流小区观测资料,采用80%经验频率法确定了赣北红壤区侵蚀性降雨标准为降雨量10.0 mm、平均雨强1.3 mm/h、最大30 min雨强5.0 mm/h,区内次降雨侵蚀力采用总动能和最大30 min雨强乘积计算最佳。通过建立基于年降雨量的逐年侵蚀力简易算式,测算土壤可蚀性因子以及6种生物措施因子、5种工程措施因子取值,选定适宜的地形因子算式,构建了赣北红壤坡地土壤流失方程体系。经检验,模型能良好预报赣北红壤坡地多年平均土壤侵蚀强度;年际尺度预报的精度整体较高,但对于降雨较多年平均水平浮动较大或地表出现沟蚀等侵蚀类型时,预报精度将有所降低。有关因子的确定可为土壤流失方程在南方红壤坡地水土流失监测和水土保持规划中的应用提供技术支撑。     

Erodibility of agricultural soils on the Loess Plateau of China

Soil erodibility is thought of as the ease with which soil is detached by splash during rainfall or by surface flow. Soil erodibility is an important factor in determining the rate of soil loss. In the universal soil loss equation (USLE) and the revised universal soil loss equation (RUSLE), soil erodibility is represented by an erodibility factor (K). The K factor was defined as the mean rate of soil loss per unit rainfall erosivity index from unit runoff plots. Although high rate of soil loss from the Loess Plateau in China is well known and widely documented, it is remarkable that there is little systematic attempt to develop and validate an erodibility index for soils on the Loess Plateu for erosion prediction. Field experimental data from four sites on the Loess Plateau were analyzed to determine the K factor for USLE/RUSLE and to compare with another erodibility index based on soil loss and runoff commonly used for the region. The data set consists of event erosivity index, runoff, and soil loss for 17 runoff plots with slope ranging from 8.7 to 60.1%. Results indicate that the K factor for USLE/RULSE is more appropriate for agricultural soils on the Loess Plateau than the erodibility index developed locally. Values of the K factor for loessial soils range from 0.0096 to 0.0269 t h/(MJ mm). The spatial distribution of the K value in the study area follows a simple pattern showing high values in areas with low clay content. For the four sites investigated, the K factor was significantly related to the clay content, (K=0.031−0.0013 Cl, r²=0.75), where Cl is the clay content in percent. The measured values of the K factor are systematically lower than the nomograph-based estimates by a factor of 3.3–8.4. This implies that use of the nomograph method to estimate soil erodibility would considerably over-predict the rate of soil loss, and local relationship between soil property and the K factor is required for soil erosion prediction for the region.     

通用土壤流失方程中的坡长因子研究进展

 坡长是决定土壤侵蚀的地形因素。通用土壤流失方程中的坡长因子反映坡长与侵蚀的关系,是土壤侵蚀预报模型的重要指标,在土壤侵蚀预报和水土保持规划中被广泛应用和深入研究。从坡长与侵蚀的关系、坡长因子算法以及坡长因子在地理信息系统环境中的提取3方面,系统回顾坡长因子在国内外的研究成果和发展历史。在此基础上,分析目前在我国土壤侵蚀预报模型的研究和应用过程中,坡长因子存在的5方面的问题,并针对这些问题对未来的研究提出了展望。     

基于RS和GIS技术对中国陕西省北部地区土壤水蚀风险评估

运用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术来进行中国陕西省北部地区的土壤水蚀风险评估。综合运用RS和(31S技术以及修订的通用土壤流失方程式(简称RusLE)来定量化地评估土壤侵蚀。建立了一个关于土壤侵蚀、斜坡长度/坡度、降雨侵蚀和人类活动的评估系统。评估值输入修订的世界土壤亏损方程式中，用来计算土壤退化进程的风险，土壤退化又叫土壤侵蚀。利用榆林和靖边两地区的1987年和1999年的陆地卫星TM传感图像来制作研究区土地使用/覆盖情况的地图，然后用这些地图产生RusLE方程中的人类活动因子。使用ERmapper/Info两个软件来管理和处理主要数据，及处理卫星图像和表格数据源。根据统计分析，3985．9km^2(33．12％)的土地面积有轻微到中度的土壤侵蚀，2941．4km^2(24．44％)的土地面积有高的土壤侵蚀，总土地面积中3522．1km^2(29．27％)正面临着很高的土壤侵蚀风险，总体上来说，研究区处于高的土壤水蚀风险中。     

土壤可蚀性研究现状及展望

<正> 土壤可蚀性(soil erodibility)是指土壤是否易受侵蚀破坏的性能,也就是土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性。与侵蚀营力一样,土壤可蚀性是影响土壤侵蚀量大小的又一个重要因子。在水土保持学科中,我国习惯上把“水”和“土”并列使用,而国际上则用“soil loss”、“soil erosion”、“soil conservation”或“soil and water conservation”等术语。显然,土壤是水土保持学科的重点。另一方面,土壤侵蚀营力等是土壤流失过程中的外部因素,而土壤性质才是内在因素,因此,水土保持学科中核心的也是重要的问题,应该是土壤保护。土壤可蚀性研究在水土保持研究工作中具有重要意义,国际上把土壤可蚀性研究一直作为水土保持学科研究的重要内容之一。     

2种扰动土壤工程堆积体坡面泥沙运移特征比对研究

为探究不同土壤类型对工程堆积体坡面侵蚀泥沙搬运的影响,选取构筑堆积体的2种扰动土壤,设定4个放水梯度(8,12,16,20 L/min)在32°条件下进行野外冲刷试验。结果表明:2种坡面产流产沙率均随冲刷延时呈"多峰多谷"变化;较扰动风沙土堆积体,扰动红壤堆积体产流产沙率均随流量增加上升速率较缓;流量20 L/min时,重力在扰动风沙土堆积体坡面侵蚀中发挥主导作用;各放水梯度下2种堆积体坡面累积产沙量与累积径流量均呈极显著线性关系(P0.01,R~20.99);随流量增大,搬运泥沙颗粒组成均接近原状土,扰动风沙土坡面径流搬运泥沙颗粒以砂粒为主( 60%),扰动红壤坡面径流搬运泥沙颗粒各组分比例相对均匀(各组分含量为24%～41%)。该研究结果可为不同土壤类型堆积体坡面水土流失防控措施科学配置提供理论依据。     

不同工程堆积体坡面治理措施对土壤抗冲刷侵蚀能力的影响

为量化不同区域堆积体坡面水流分离土壤能力,评价植被恢复模式、恢复年限和削坡分级治理对堆积体土壤抗冲刷侵蚀的调控作用。选取秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区（陕西省境内）高速公路不同工程堆积体,通过在堆积体坡面原位采集土壤样品,室内水槽冲刷试验进行系统研究土壤分离能力大小。结果表明,秦巴山区、关中平原、黄土丘陵沟壑区典型堆积体土壤分离能力变化范围分别为0.034～1.659、0.311～0.816、0.346～1.042 kg/(m2·s)。相比冰草,堆积体坡面自然恢复植被为小冠花可以显著降低土壤分离能力,其降低幅度高达94.97%。相比未复垦,在石渣土堆积体坡面短期人为复垦种植玉米和黄豆对土壤分离能力均无显著调控效益。相比恢复1 a,恢复2 a未能显著降低堆积体土壤分离能力,恢复5 a可以显著降低堆积体土壤分离能力,其降低幅度为57.35%,相比耕地,恢复5 a土壤分离能力降低60.41%。黑垆土堆积体短坡长（<60 m）坡面土壤分离能力空间变异不显著。相比未治理坡面,削坡分级治理可以显著降低堆积体坡面土壤分离能力,治理后堆积体平台和坡面土壤分离能力显著降低66.79%和49.04%。根重密度、粘结力、含水量、中值粒径、黏粒含量与土壤分离能力之间存在极显著负相关关系,可用指数函数关系表达,并建立了基于根重密度和水流剪切力土壤分离能力预测模型。该研究不仅可为堆积体水土流失预测提供基础数据支撑,也可为堆积体坡面治理措施配置提供指导。     

基于CSLE模型的巴基斯坦土壤侵蚀评价

通过制作土壤侵蚀图,分析土壤侵蚀主控因子,为巴基斯坦水土流失与保护提供合理的科学依据及治理参考。以土壤侵蚀抽样调查单元数据和土壤侵蚀因子数据为数据源,基于CSLE模型分别以空间插值法和地图代数法定量计算巴基斯坦水蚀区土壤侵蚀图,以空间插值结果为参照对地图代数计算结果做直方图匹配得到巴基斯坦水蚀速率图;采用水利部SL 190—2007标准对巴基斯坦风蚀强度进行了定性评价;使用分类决策树分析土壤侵蚀的主控因子。结果表明,空间插值法制图具有空间预测的准确性,地图代数法制图可以表现良好的局地变异特征;直方图匹配土壤侵蚀图兼具这2种方法的优点,土壤水蚀速率平均值为972.9 t/(km²·a),水蚀区土壤侵蚀比较严重,风蚀区以剧烈风蚀和极强烈风蚀为主,大部分地区生物措施因子是影响土壤侵蚀的主控因子,耕作区和山区的主控因子分别是R因子和LS因子。