次降雨侵蚀量的计算Word格式文档下载.docx

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、5°

、10°

、15°

、20°

、25°

、30°

。

小区面积均为10m2。

小区边界用混凝土板围成，下部有集水池。

小区常年休耕，耕层土质为粉质沙壤土，各小区的土壤粒度组成以及有机质含量见表1。

表1张家口试验小区土壤性质分析SoilpropertiesofrunoffplotsatZhangjiakougully粒度组成（%）有机质含量小区坡度砂粒粉粒粘粒（%）25°

37.550.012.50.53310°

44.845.211.00.57415°

41.549.09.50.66520°

38.052.59.50.55625°

32.555.711.80.43730°

44.549.06.50.38

五分地沟和五不进沟位于内蒙古自治区准格尔旗境内。

准格尔旗属于中温带大陆性气候，年平均气温6.2～8.7℃，从西北向东南逐步升高。

全年降水少而集中，多集中在7～9月。

降雨年际变化大，最低年份仅143.5mm，最高年份为636.5mm，平均400mm。

分地沟小区坡度分别为6°

、9°

、12°

，小区面积50m2。

土壤为黄土，地表无植被覆盖。

五不进沟小区坡度为9°

、17°

地表物质为砒砂岩，无植被覆盖。

天然降雨观测是每次降雨后，测集水池中水位，取水沙样。

然后将水沙样过滤，烘干，称重。

最后计算含沙量、径流量、侵蚀量。

2观测结果2.1雨强

在地表状况变化不大时，降雨因素就成为侵蚀量的决定因子。

在黄土高原，次降雨降雨量与侵蚀量相关性差，与降雨强度则存在很好的相关关系。

陈永宗、王万忠、蔡强国等发现，黄土高原坡面次降雨流失量与最大30分钟降雨强度的相关性最好[5～7]。

因此，在有雨强资料的五不进沟、五分地沟试验地，用每个径流小区的次降雨最大30min雨强与侵蚀量作回归运算，方程形式为Qs=kIm30

（1）Qs=kI30+c

（2）式中Ｑs是侵蚀量（kg），I30是最大30分钟雨强（mm/30min），k，m，c是常数。

方程

（1）是取对数后运算的，即lgQs=lgk+mlgI30以下幂函数方程都是这样计算的，方程

（1）的结果见表

2、表3。

表2五不进沟侵蚀量与最大30分钟雨强回归方程Equationsforsoillossbasedonrainfallintensity（I30）inWubujingougully方程坡度主程R2次数显著性Qs=kIm309°

Qs=0.0018I3.21300.6713非常显著12°

Qs=0.0097I2.70300.5112非常显著15°

Qs=0.0108I2.77300.2712不显著17°

Qs=0.0009I3.69300.7713非常显著20°

Qs=0.005I3.97300.6313非常显著Qs=kI30+c9°

Qs=1.27I30-6.660.7313非常显著12°

Qs=2.31I30-11.590.4112不显著15°

Qs=3.77I30-19.370.6912非常显著17°

Qs=4.89I30-28.810.2913不显著20°

Qs=19.86I30-94.450.7813非常显著注：

显著、不显著指在0.05水平检验的结果，非常显著指在0.01水平下显著，下同。

方程

（1）中m值与坡度的关系不明显，k值则随坡度增大。

五不进沟17°

小区方程Qs=kIm30中k值异常，经计算，年侵蚀量17°

小区略小于15°

小区，可能是因为17°

小区土壤性质与其它小区有差别。

表3五分地沟侵蚀量与最大30分钟雨强回归方程Equationsforsoillossbasedonrainfallintensity（I30）inWubujingougully方程形式坡度方程R2次数检验结果Qs=kIm306°

Qs=0.16I1.34300.619显著9°

Qs=0.22I1.61300.929非常显著12°

Qs=0.86I0.96300.599显著15°

Qs=0.95I1.29300.729非常显著Qs=kI30+c6°

Qs=0.86I30-4.520.649显著9°

Qs=1.75I30-7.640.929非常显著12°

Qs=1.00I30-1.920.719非常显著15°

Qs=3.41I30-13.950.819非常显著2.2径流量

研究表明，径流量与侵蚀量有着较好的相关关系。

在一次模拟降雨实验过程中，累计径流量与侵蚀量线性回归结果很好[8，9]。

更多的是建立侵蚀量与径流量的幂函数方程[10，11]，经计算，观测资料用这种方程的效果较好（表4）。

Qs=kQm（3）式中Q是径流量（m3）。

表4侵蚀量与径流量回归方程Equationsforsoillossbasedonrunoff（Q）地点坡度方程R2次数显著性9°

Qs=94.30Q1.680.8513非常显著12°

Qs=123.06Q1.640.8412非常显著五不进沟15°

Qs=562.73Q2.130.7212非常显著17°

Qs=56.42Q1.510.5513非常显著20°

Qs=1002.07Q1.890.8613非常显著6°

Qs=9.89Q0.7970.659非常显著五分地沟9°

Qs=36.12Q0.8860.639非常显著12°

Qs=19.65Q0.6290.789非常显著15°

Qs=56.77Q0.7290.749非常显著0°

Qs=1.49Q0.5450.4828非常显著5°

Qs=7.25Q0.7470.7529非常显著10°

Qs=11.99Q0.7580.7728非常显著张家口15°

Qs=18.08Q0.8480.7829非常显著20°

Qs=19.36Q0.8450.6529非常显著25°

Qs=27.54Q0.8500.7029非常显著30°

Qs=29.36Q0.7820.6629非常显著

各小区方程回归结果都非常显著，其中m与坡度的关系不明显，k值随坡度增大。

与五分地沟12°

小区k值异常，理由如论述。

由于径流量与雨强存在较好的相关关系，两者结合起来用来计算侵蚀量的结果不理想。

2.3坡度

关于多年平均侵蚀量与坡度的关系研究很多，而次降雨侵蚀量与坡度的单因子回归方程结果不显著。

当坡度与径流量、雨强等因素结合，用来计算次降雨侵蚀量，效果就会变好（方程（4）、（5）、（6），结果见表5。

Qs=kQmSn［12］（4）Qs=kIm30Sn（5）Qs=kQmSnIp30［4］（6）式中S是坡度因子，以正切表示，n，p是常数。

表5多元回归方程Soillossequationsbasedonrunoff（Q）、slope（S）andrainfallintensity（I30）地点

方程R2次数检验结果五不进沟Qs=98.49Q1.41S1.73I1.10300.7663非常显著Qs=1813.43Q1.77S1.580.7463非常显著Qs=0.09I3.3030S2.320.5663非常显著五分地沟Qs=31.32Q0.32S1.64I0.86300.8036非常显著Qs=475.95Q0.72S1.720.7436非常显著Qs=6.43I1.3030S1.580.7836非常显著张家口Qs=35.06Q0.80S0.570.73173非常显著注：

张家口0°

小区未参与运算。

3讨论3.1方程的选择

方程选择的标准主要是回归方程的R２值。

3.1.1单因子方程

指坡度或坡长等因素一定时，所建立的侵蚀量与某一变量的方程，本文指就每个径流小区建立的方程。

将各回归方程的R2按各地计算均值及均方差，结果见表6。

表6R2均值及均方差AverageR2andsquarerootsoftheirvariances地点方程R2平均值R2均方差Qs=kQm0.770.13五不进沟Qs=kIm0.570.19Qs=kI+c0.580.22Qs=kQm0.700.07五分地沟Qs=kIm0.710.15Qs=kI+c0.770.12张家口Qs=kQm0.690.11

从表6及表

2、表3可知，方程Qs=kIm30和Qs=kI30+c结果则从不显著到非常显著都有，R2值变化很大，前者R2值小一些，但均方差也小。

而方程Qs=kQm各小区回归结果都非常显著（表4），R2值变化较小，平均约0.7（表6）。

因此，用径流量计算侵蚀量最好。

3.1.2双因子以及三因子方程

多因子回归方程的结果（表5）都非常显著，以R2为标准，方程（5）的结果差一些。

方程（6）比方程（4）多引进一个变量，R2值略有增加，但计算量增大，且Q与I30本身相关。

因此，方程（4）应优于（6）。

将三地侵蚀量的对数的实测值与计算值（据方程（4）计算）作图于图

1、图

2、图3，实测值与计算值符合较好。

从图1可以看到，五不进沟17°

小区多数点计算值大于实测值。

前已述及，年侵蚀量17°

小区。

将17°

小区作为异常值去掉，用其它小区资料得出Qs=6760.83Q1.82S2.23R2=0.84n=50图1五不进沟lgQs实测及计算值ObservedandcalculatedvaluesofsoillossinWubujingougully图2五分地沟lgQs实测及计算值图3张家口lgQs实测及计算值ObservedandcalculatedvaluesofsoillossatWufendigouObservedandcalculatedvaluesofsoillossatZhangjiakou图2中五分地沟12°

小区也有类似现象，用其它三个小区资料得Qs=863.38Q0.77S1.95R2=0.81n=27作上述处理后，R2值明显增大。

3.2雨强与径流量的关系

一些研究者用坡长（L）及雨强（I）两者组合起来，代替径流量。

用LI代替Q时，其中含有假设：

坡面土层不可渗透、或达到饱和、或全坡面均一入渗，从而径流量与LI呈线性关系。

本文中五分地沟及五不进沟小区坡长L一定（均为10m），因此用I30代替Q。

尽管小区当初是经过平整的、土壤性质较为一致的直形坡，但方程Qs=kIm30Sn与Qs=kQmSn、Qs=kIm30与Qs=kQm相比，后者结果好得多，说明用LI代替Q的前提条件不易满足。

Qs=kIm30中m值明显大于Qs=kQm中m值，且前者具有随坡度增大的趋势，后者与坡度之间关系不明显，也表明I30不能代替Q。

3.3系数的大小

将Qs=kQmSnIp30看作总方程，以上其它方程就是该方程的某种简化形式。

由于方程之间有联系，上述方程系数之间有一些规律，如方程

（1）、

（2）k值随坡度增大。

各地方程Qs=kQmSn与Qs=kQm中m值大小比较接近。

Mathier发现方程Ｑs=kQm中m随坡度增大[13]，本文中m值与坡度没有明显的关系。

由于多数研究都用方程（4），下面主要分析系数方程（4）中系数k、m、n大小及其变化。

k表示地面粗糙度、颗粒粒度等因素的影响。

由于各自所用单位不同，大小比较没有意义。

表7m、n值表Valuesofmandn研究者来源雨强（mm/h）mnWainwright野外模拟试验1001.140.24Bissonais等室内模拟试验300.98～1.28Mathier等野外模拟试验2～151.50.9Band野外观测62.070.84Averaert室内模拟试验601.10～3.101.77～2.96本文五不进沟17.721.771.58五分地沟20.920.721.72张家口-0.800.57注：

五不进沟、五分地沟雨强用两倍最大30分钟雨强。

张家口无雨强资料。

*用方程（3）计算的结果。

一般认为，m值表示水流的输送能力，而n值反映坡度在水流侵蚀中的作用。

Julien和Simons总结出m取值范围1.4～2.4，n值范围1.2～1.9[4]。

不少研究者将该结果当作标准，将所得结果与之比较（表7）。

Wainwright解释其实验所得m、n较小的原因在于土壤的石质及坡面的不规则[11]。

Band认为：

在土壤粒径随坡度变化的地方，n值较小（多见于干旱气候下无植被覆盖的坡面）；

在土质相同时n值应该较大（植被较好发育，地表水流不足以造成地表物质沿坡面的分化常见）[14]。

Everaert发现：

m、n值随土壤粒径增加而增加[15]。

与Julien和Simons的标准相比，本文中五不进沟m、n值在范围内，五分地沟m值、张家口m、n值偏小。

由于观测都是在土壤质地相对均

一、坡面较平整的小区进行的，以上因素（粒度、覆盖、坡形）对m、n值影响不大。

对张家口数据分成每年计算，得出m、n值见表8。

表8张家口小区各年计算m、nCalculatedmandnfordatacollectedduringeveryyearatplotsofZhangjiakou年份kmnR2次数199222．480．680．69`0．78901993321．881．270．810．89241994129．031．310．270．7059

由表8可见，1993年、1994年m值接近Julien和Simons的标准，1992年m值则较小。

Bissonnains认为Q=kQm中m受土壤湿度的影响[10]。

Bryan通过实验发现，水流输送能力是坡度的多项式方程。

方程系数变化很大，受土壤性质及试验小区尺寸的影响[13]。

可能因为这种复杂性，m值变化较大，张家口范围为0.68～1.31。

因此，五分地沟和张家口计算所的m值也属正常。

张家口n值各年变化较大，没有明显的趋势（表8），与Julien和Simons的标准相比较小。

前面提到，方程Qs=kIm30中m值及Qs=kI30+c中k值随坡度增加而增大（个别小区k值异常）。

因此，坡度间侵蚀量的差别随雨强的增大而增加，表现在方程Qs=kQmsn中为大雨强降雨次数多时n值增大。

从表7可知，除Wainwright的研究是在不规则坡面进行的外，其它研究都表明，大雨强试验（观测）取得较大的n值。

本文中五不进沟及五分地最大30分钟雨强平均值分别为8.86mm/30min、10.46mm/min。

张家口没有雨强资料，但张家口观测次数多，如果大雨强降雨次数少时n值也会较小。

张家口三年所得结果不同可能原因在于此。

从以上分析来看，n值受到雨强的影响。

4结论

综上所述，可得出以下结论：

1.方程Qs=kQmSn和Qs=kQm用来计算侵蚀量较为可靠。

2.坡度小区（坡长一定）用I30代替Q结果差一些，用I30代替Q时必须注意满足所需条件。

3.方程Qs=kQmSn中m值影响因素复杂，其值变化较大，n值受雨强的影响。

参考文献1吴普特，周佩华。

地表坡度与薄层水流侵蚀关系的研究。

水土保持通报，1993，13（3），P1-5.2Liu，B.Y.，Nearing，M.A.andRisse，L.M..Slopegradienteffectsonsoillossforsteepslopes.TransactionofAmericanSocietyofAgricultrueEngineers，1994，37（6），P1835-1840.3江忠善，王志强，刘志。

黄土丘陵区小流域土壤侵蚀空间变化定量研究。

土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2

（1），P1-9.4Julien，P.Y.，Simons，D.B..Soillosscapacityofoverlandflow.Trans.Am。

Soc.Agric.Eng.28，P755-766，1985.5陈永宗，景可，蔡强国。

黄土高原现代侵蚀与治理。

科学出版社，1988.6王万忠，焦菊英。

黄土高原降雨侵蚀产沙与黄河输沙。

科学出版社，1996.7蔡强国，吴淑安等。

坡耕地表土结皮对降雨径流和侵蚀产沙过程的影响。

见：

山西省水土保持科学研究所等编，晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集，水利电力出版社，1990.8蔡强国，马绍嘉等。

黄土坡耕地上坡长对径流侵蚀产沙过程的影响。

蔡强国等编，水土流失规律与坡地改良利用，环境科学出版社，1995.9蔡强国，马绍嘉等。

白洋淀平原地区不同地类径流与侵蚀产沙模拟降雨试验的初步研究。

章申等著，白洋淀区域水污染控制研究，科学出版社，1995.10LeBissionnais，Y.，Renaux，B.，Delouche，H..Interactionsbetweensoilpropertiesandmoisturecontentincrustformation，runoffandinterrillerosionfromtilledloesssoils.Catena25，P33-46，1995.11Wainwright，J..Infiltration，runoffanderosioncharacteristicsofagriculturallandinextremestormevents，SEFrance.Catena26，P27-47，1996.12Carson，M.A.&

KirkbyM.J..Hillslopeformandprocess.CambridgeUniversityPress，1972.13Mathier，L.，Roy，A.G.，&

Pare，J.P..Theeffectofslopegradientandlengthontheparametersofasedimenttransportequationforsheetwash.Catena16，P545-558，1989.14Band，L..Fieldparameterizationofanempiricalsheetwashtransporteuqation.Catena12，281-290，1985.15Everaert，W..Empiricalrelationsforthesedimenttransportcapacityofinterrillflow.Earthsurfaceprocessandlandforms16，P513-532，1991.