基于RULSE方程原理在阜新地區(qū)小流域土壤侵蝕量估算中的應(yīng)用

姜仕琪

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113007)

小流域綜合治理中首先需要對(duì)治理流域的土壤侵蝕量進(jìn)行估算，而土壤侵蝕量較為準(zhǔn)確的估算對(duì)于小流域綜合治理設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)十分重要[1]。傳統(tǒng)土壤侵蝕量主要采用通用土壤侵蝕方程(ULSE方程)進(jìn)行估算，該方程主要從土壤侵蝕的形成機(jī)理進(jìn)行分析，重點(diǎn)考慮降雨因子、土壤侵蝕因子、估算區(qū)域的植被覆蓋因子、水保因子以及地形因子，在國(guó)內(nèi)許多區(qū)域水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中均得到廣泛應(yīng)用[2- 6]。近些年來(lái)，有學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程不能考慮坡面徑流對(duì)土壤侵蝕的影響，而引入徑流因子，對(duì)傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程進(jìn)行改進(jìn)，并在國(guó)內(nèi)一些小流域綜合治理的土壤侵蝕量估算中進(jìn)行應(yīng)用[7- 10]，應(yīng)用效果均表明相比于傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，其土壤侵蝕估算精度有所改善，尤其在一些具有超滲產(chǎn)流機(jī)制的區(qū)域，其改善效果更為明顯。阜新地區(qū)屬于遼寧省水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，為提高阜新地區(qū)小流域土壤侵蝕的估算精度，本文結(jié)合阜新某試驗(yàn)小流域土壤侵蝕觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用修正前后的通用土壤侵蝕方程對(duì)其土壤侵蝕量進(jìn)行估算，對(duì)比其土壤侵蝕量的估算精度，研究成果對(duì)于阜新地區(qū)小流域土壤侵蝕量估算方法的選擇具有參考價(jià)值。

1 RULSE方程估算原理

修正的通用土壤侵蝕方程主要基于傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，增加坡面徑流因子，其估算公式為：

A=11.8×(Q·R·A)0.56·K·C·P·L·CFRG

(1)

式中，A—估算的小流域土壤侵蝕量，t;Q—坡面徑流因子，mm；A—估算小流域的面積，hm2；qpeak—降雨侵蝕力因子，MJ/(mm·hm2·h);K—土壤侵蝕因子，t·h/(MJ·mm);C—植被覆蓋和管理因子；P—水保措施因子；L—坡度因子；CFRG—粗糙度因子。各因子確定方法如下。

1.1 土壤侵蝕因子K

土壤侵蝕因子主要和土壤類型有關(guān)，是土壤侵蝕影響的重要因子，本文主要采用Williams等人研發(fā)的土壤侵蝕因子估算方法進(jìn)行土壤侵蝕因子的確定，該方法對(duì)數(shù)據(jù)要求較少，且估算原理較為簡(jiǎn)單，方便快速確定土壤侵蝕因子K，其估算公式為：

KULSE=fcsand·fcl-si·forgc·fhisand

(2)

式中，fcsand—土壤質(zhì)地中粗砂和細(xì)砂所占的比例，%;fcl-si—土壤質(zhì)地中黏土所占的比例，%;forgc—土壤質(zhì)地中有機(jī)物所占比例，%;fhisand—土壤質(zhì)地中沙土所占的比例，%。各比例估算公式分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，ms—粒徑在0.05～2.00mm的砂粒顆粒所占比例，%;msilt—粒徑在0.002～0.05mm的粉粒顆粒所占比例，%；mc—粒徑<0.002的黏粒顆粒所占比例，%；orgC—有機(jī)質(zhì)所占比例，%。

1.2 植被覆蓋和和管理因子C

植被覆蓋和管理因子主要表示為在相同降雨、土壤類型、坡度條件下不同植被覆蓋方式下和物植被覆蓋裸土方式下的土壤侵蝕量的比值，其變化范圍在0～1.0之間，其估算公式為：

C=exp([ln(0.8)-ln(Cmm)]·

exp[-0.00115·rsdsurf]+ln[Cmm])

(7)

式中，rsdsurf—植物在地表殘留比例，%；Cmm—植被覆蓋和管理因子的最小值，其估算公式為：

Cmm=1.463ln[Caa]+0.1034

(8)

式中，Caa—植被覆蓋和管理因子的年均值。

1.3 水土保持措施因子P

水土保持措施因子表示為區(qū)域具有水土保持措施和不采取水土保持措施下土壤侵蝕量的比值，其主要和小流域耕作方式、坡度及坡長(zhǎng)有關(guān)，本文按照Wischmeier和Smith(1978)在不同小流域試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定的水土保持措施因子關(guān)系(見(jiàn)表1)對(duì)水土保持措施因子進(jìn)行確定。

表1 水土保持因子P關(guān)系表

1.4 地形因子L

地形因子的估算公式如下：

(9)

式中，Lhill—坡長(zhǎng)，m；m—坡長(zhǎng)指數(shù)；αhill—斜坡角度。坡長(zhǎng)指數(shù)估算公式為：

m=0.6·(1-exp[-35.835·slp])

(10)

式中，slp—流域平均坡度，‰；αhill和slp之間的估算公式為：

slp=tanαhill

(11)

1.5 粗糙因子CFRG估算公式為：

CFRG=exp(-0.053×rock)

(12)

式中，rock—礫石在土壤質(zhì)地第一層中的所占比例，%。

2 小流域土壤侵蝕量估算

2.1 主要因子的確定

本文以阜新某徑流試驗(yàn)小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，該區(qū)域總面積為45km2，區(qū)域主要土壤類型分別為石灰性始成土、石灰性沖積土、潛育淋溶土、弱發(fā)育淋溶土、石灰性淋溶土、石灰性粗骨土、飽和粗骨土等7種類型土壤，在對(duì)各類型土壤質(zhì)地測(cè)定的基礎(chǔ)上，采用方程(2)對(duì)其土壤侵蝕因子K進(jìn)行估算，小流域各類型土壤因子見(jiàn)表2。小流域主要土地覆被分別為林地、耕地以及裸體，通過(guò)對(duì)土地覆被方式下的地表植物量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)合小流域水土保持部門的調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)各類型土地覆被下的植被覆蓋和管理因子進(jìn)行確定，結(jié)果見(jiàn)表3。坡面徑流因子主要通過(guò)小流域徑流系數(shù)和場(chǎng)次降水進(jìn)行相乘轉(zhuǎn)化得到其坡面徑流深，降雨侵蝕力因子主要采用參考文獻(xiàn)[11]中介紹的方法，結(jié)合遼寧省無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行確定。

表2 研究小流域各類型土壤侵蝕因子確定結(jié)果

表3 不同土地覆被方式下植被覆蓋和管理因子確定結(jié)果

2.2 土壤侵蝕量的監(jiān)測(cè)

本次主要以某試驗(yàn)小流域作為研究區(qū)域，在徑流試驗(yàn)小區(qū)底部安裝集水池，在每次出現(xiàn)降雨量超過(guò)50mm時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝有虹吸式雨量筒，共觀測(cè)10組徑流試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在集水池的底部設(shè)置有大型集水桶，隨集水桶內(nèi)的水量和泥沙量進(jìn)行測(cè)定并進(jìn)行記錄。在水桶內(nèi)對(duì)水樣進(jìn)行攪拌均勻后每次取出1000ml作為試驗(yàn)觀測(cè)水樣，到試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)泥沙量進(jìn)行測(cè)定，具體檢測(cè)方法可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。

2.3 土壤侵蝕量的估算

分別采用修正的通用土壤侵蝕方程和傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，結(jié)合10組降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，坡面徑流采用徑流系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到，其他土壤侵蝕估算因子如2.1節(jié)中確定值代入估算，結(jié)合10組土壤侵蝕量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析修正前后通用土壤侵蝕方程的估算精度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 修正前后通用土壤侵蝕方程下土壤侵蝕量估算誤差對(duì)比結(jié)果

從修正前后通用土壤侵蝕方程下土壤侵蝕量估算值和監(jiān)測(cè)值之間的誤差對(duì)比結(jié)果可看出，相比于修正前，修正后的通用土壤侵蝕方程考慮坡面徑流因子對(duì)土壤侵蝕的影響，總體相對(duì)誤差均小于修正前的通用土壤侵蝕方程。傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程由于只考慮降雨侵蝕的影響，而未能坡面徑流因子對(duì)土壤侵蝕的影響，尤其是對(duì)于超滲產(chǎn)流機(jī)制的區(qū)域，降雨超過(guò)區(qū)域土壤下滲能力后基本全部產(chǎn)生坡面徑流，因此其對(duì)區(qū)域土壤侵蝕影響不能有所忽略，修正后的通用土壤侵蝕方程除考慮降雨侵蝕影響外，還增加了坡面徑流因子，因此其在阜新超滲產(chǎn)流機(jī)制區(qū)域其土壤侵蝕估算精度要好于傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，從10組土壤侵蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，在10組觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比下修正后的通用土壤侵蝕方程的土壤侵蝕估相對(duì)誤差平均可減少9.63%，估算精度得到顯著提升。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合阜新某徑流試驗(yàn)小流域土壤侵蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用修正前后的通用土壤侵蝕方程對(duì)比其土壤侵蝕估算誤差，相比于傳統(tǒng)通用土壤侵蝕方程，修正后的通用土壤侵蝕方程估算誤差得到明顯改善，10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差可平均減少9.63%，對(duì)于阜新超滲產(chǎn)流機(jī)制的區(qū)域修正后的通用土壤侵蝕方程土壤侵蝕估算精度更高，適用于阜新地區(qū)土壤侵蝕量的估算。