CN104699962B

CN104699962B - 一种土壤侵蚀模数计算方法

Info

Publication number: CN104699962B
Application number: CN201510083846.0A
Authority: CN
Inventors: 刘平; 程炯; 刘晓南
Original assignee: Guangdong Institute of Eco Environment and Soil Sciences
Current assignee: Guangdong Institute of Eco Environmental Science and Technology
Priority date: 2015-02-14
Filing date: 2015-02-14
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2035-02-14
Also published as: CN104699962A

Abstract

本发明公开了一种土壤侵蚀模数计算方法，包括以下步骤：A、计算区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子；B、对项目工程的各功能区域的划分自动进行地表扰动等级的赋值，根据赋值计算土壤侵蚀模数基础值A0；C、根据区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子，利用土壤侵蚀模数估算公式计算项目工程的各功能区域的土壤侵蚀模数A。本发明方法根据不同功能区域的划分进行对地表扰动等级的自动赋值，并根据赋值计算土壤侵蚀模数基础值，进而计算土壤侵蚀模数值，实现在不需要反复试验与实测数据的条件下计算土壤侵蚀模数值，并能保证其计算结果的准确性。本发明作为一种土壤侵蚀模数计算方法可广泛应用于水土保持与水土流失预测领域。

Description

一种土壤侵蚀模数计算方法

技术领域

本发明涉及水土保持与水土流失预测领域，尤其是一种土壤侵蚀模数计算方法。

背景技术

土壤侵蚀模数是直观反映水土流失程度强弱的一个极其重要的指标，也是水土保持措施设计标准的重要依据。由于土壤侵蚀模数影响因子的复杂性以及由此导致的其动态可变性，使得探究各种土壤侵蚀类型的侵蚀模数一直成为水土保持研究者孜孜以求的目标。尤其是近年来，随着开发建设项目水土保持方案编制工作的全面展开，对开发建设项目建设过程中产生的水土流失强度进行预测是水保方案编制中的一项非常重要的基础性工作和必不可少的内容。目前，“水保方案”对开发建设项目的水土流失强度预测采取的方法主要有以下三种：一是通用土壤流失方程（USLE）。由于这一方程受自然条件影响较大，方程条件因子繁琐，不同地形地貌、不同气候降水区域间的取值皆不尽相同，基础资料搜集难度很大，一般方案编制单位并不采用；二是类比法。通过与周边自然情况相近的已开发项目水土流失监测数据进行比较分析，来预测本项目新增土壤流失量，这需要已建项目区大量的监测资料，才能得出准确可靠的结论；三是经验公式法。通过对不同建设性质的开发建设项目产生各类下垫面上进行天然降雨、人工降雨、放水冲刷等多次试验研究，建立适合当地条件的土壤流失量经验方程，将预测的降雨资料代入建立的经验方程中，即可获得不同性质开发建设项目的新增土壤流失预测量，该方法同样需要反复试验和大量的实测数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：一种快速、精确的土壤侵蚀模数计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种土壤侵蚀模数计算方法，包括以下步骤：

A、计算区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子；

B、对项目工程的各功能区域的划分自动进行地表扰动等级的赋值，根据赋值计算土壤侵蚀模数基础值A₀；

C、根据区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子，利用土壤侵蚀模数估算公式计算项目工程的各功能区域的土壤侵蚀模数A。

进一步，所述区域侵蚀强度控制系数包括有岩性控制系数y和降雨控制系数r，所述局地侵蚀强度影响因子包括有土壤影响因子k和地形地貌因子g。

进一步，所述步骤C中土壤侵蚀模数的计算公式为：

A=k*g*r*y*A₀。

进一步，所述项目工程的各功能分区为主体工程建设区、临时建设区、弃渣场和影响区。

进一步，所述弃渣场的地表扰动等级的赋值根据弃渣场内的堆放高度、堆放形式、堆放位置计算。

进一步，所述土壤影响因子k的数值通过EPIC模型计算得到。

本发明的有益效果是：本发明方法根据不同功能区域的划分进行对地表扰动等级的自动赋值，并根据赋得的值计算土壤侵蚀模数基础值，进而计算得到土壤侵蚀模数值，实现在不需要反复试验与实测数据的条件下计算土壤侵蚀模数值，并能保证其计算结果的准确性。

附图说明

图1为本发明方法的主步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种土壤侵蚀模数计算方法，包括以下步骤：

A、计算区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子；

发生土壤侵蚀与自然地貌的土壤侵蚀最根本特征在于前者的土壤侵蚀是由人为扰动地表活动的直接影响引起的。开发建设活动对项目区的地形地貌、地表植被进行了剧烈的扰动，并产生大量的松散堆积土和裸露的挖掘面，这些区域在降水及水力侵蚀作用下，形成土壤侵蚀的重要策源地，而且土壤侵蚀强度的大小与开发建设活动的地表扰动强度有直接的关系，一般地，建设活动的地表扰动强度越剧烈，可能造成的土壤侵蚀强度就越大。因此本发明的具体实施例中将地表扰动强度划分为六级，其每级别的定义可用“扰动面积百分比”和“动土厚度”两个数据来定量表达。所谓“扰动面积百分比”是指在开发建设项目中，建设活动扰动土地的面积占开发建设项目用地总面积的百分比（%）；“动土厚度”就是指扰动（包括开挖或堆积）土地的平均厚度（cm）。每级别的定义如下：

Ⅰ级（微度扰动）：扰动面积百分比小于或等于25%，并且动土厚度小于或等于30cm的开发建设项目。

Ⅱ级（轻度扰动）：扰动面积百分比大于25%并且小于或等于50%，动土厚度小于或等于30cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比小于或等于25%，动土厚度大于30cm而且小于或等于100cm的开发建设项目。

Ⅲ级（中度扰动）：扰动面积百分比大于50%并且小于或等于75%，动土厚度小于或等于30cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比大于25%并且小于或等于50%，动土面积大于30cm并且小于或等于100cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比小于或等于25%，动土厚度大于100cm的开发建设项目。

Ⅳ级（强度扰动）：扰动面积百分比大于75%，动土厚度小于或等于30cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比大于50%并且小于或等于75%，动土厚度大于30cm并且小于或等于100cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比大于25%并且小于或等于50%，动土厚度大于100cm的开发建设项目。

Ⅴ级（极强度扰动）：扰动面积百分比大于75%，动土厚度大于30cm并且小于或等于100cm的开发建设项目；或者扰动面积百分比大于50%并且小于或等于75%，动土厚度大于100cm的开发建设项目。

Ⅵ级（剧烈扰动）：扰动面积百分比大于75%，动土厚度大于100cm的开发建设项目。

进一步作为优选的实施方式，所述区域侵蚀强度控制系数包括有岩性控制系数y和降雨控制系数r，所述局地侵蚀强度影响因子包括有土壤影响因子k和地形地貌因子g。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中土壤侵蚀模数的计算公式为：

A=k*g*r*y*A₀。

进一步作为优选的实施方式，所述项目工程的各功能分区为主体工程建设区、临时建设区、弃渣场和影响区。

进一步作为优选的实施方式，所述弃渣场的地表扰动等级的赋值根据弃渣场内的堆放高度、堆放形式、堆放位置计算。

进一步作为优选的实施方式，所述土壤影响因子k的数值通过EPIC模型计算得到。

所述土壤影响因子k是反映土壤对侵蚀的敏感性的指标，影响k值大小的因素是多方面的，一般来说，土壤质地越粗或越细的土壤有较低的k值，而质地适中的反而有较高的k值。本发明中，k值的获取是利用现有的壤普查数据，运用Williams等在EPIC模型中的方法，利用土壤有机质和颗粒组成资料计算出主要土壤类型的k值数据。

地形因素对水土流失的形成和发展，有着较直接的关系，诸如地貌类型、地面坡度、坡向、坡长及地形，都对水土流失有一定的影响。所述地形地貌因子g反映对土壤侵蚀强弱的影响，主要是通过影响坡面上的径流特征而起作用。径流特征主要受降雨特征和土壤渗透性所支配。在超渗产流为主的地区，坡面上任一段水流所具有的能量，主要决定于坡面的单宽流量和坡度，而单宽流量又取决于降雨强度、坡面径流系数和该点到分水岭的长度。当降雨因素一定时，坡度和坡长是决定坡面水流能量大小，影响径流和侵蚀的重要地貌因素。

土壤侵蚀的形成和发展，很大程度上取决于侵蚀区的母岩岩性。母岩的机械性质、坚实性、渗透性、矿物组成和化学特性等，会直接影响成土过程的速度和方向。母岩种类不同，风化程度、成土过程的速度和方向、侵蚀方式、侵蚀强度及侵蚀速率也不一样。例如广东地质岩性主要分布有花岗岩、砂页岩、玄武岩、石灰岩和第四系松散冲积物等，各岩性的土壤侵蚀发生发展机理均不相同。此外，岩性还控制着土壤侵蚀的空间分布和发展程度。因此，在土壤侵蚀模数取值中，需要考虑项目所在区域成土母岩的特性，了解其对土壤侵蚀规律的影响，因此在步骤C的估算公式中引入岩性控制系数y。

在引起土壤侵蚀的各种因素中，降雨是最主要的动力因子之一，降雨侵蚀力就是反映降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，如何准确评估区域降雨侵蚀力，对定量预测区域土壤侵蚀强度具有重要意义，因此在步骤C的估算公式中引入降雨控制系数r。

本发明具体实施例中可根据降雨侵蚀力的年内季节分布特性，将广东省分为三个降雨侵蚀控制区域（参照下表1），为便于开发建设项目在行政区域的管理，各降雨侵蚀区以县为行政单元进行划分。

表1：广东省降雨侵蚀控制分区

这三个类型区降雨对土壤侵蚀的影响特征是：第二类型区的年内降雨侵蚀力集中度最高，4~9月份的降雨侵蚀力占全年的86.4%，最大月降雨侵蚀力发生在6月，占年降雨侵蚀力的19.1%；第三类型区的降雨侵蚀力集中度次之，4~9月份占全年的83.2%，最大月降雨侵蚀力发生在8月；第一类型区的集中度较第二、三类型区低，4-9月份占全年的77.8%，小于全省的平均值，最大月降雨侵蚀力发生在6月。

参照图1的主步骤流程图，具体说明本发明具体实施例，其步骤如下：

（1）根据现有数据计算区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子，即岩性控制系数y和降雨控制系数r（区域侵蚀强度控制系数），以及包括有土壤影响因子k和地形地貌因子g（局地侵蚀强度影响因子）；包括项目区的降雨、母岩岩性、地形地貌及土壤性质等环境因素，并参照开发建设项目土壤侵蚀环境控制系数（下表2），得出影响本开发建设项目的侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子。

表2：开发建设项目土壤侵蚀环境控制系数表

（2）对开发建设项目按照主体建设区、临建区、影响区、弃渣场等功能区域进行划分，并详细了解建设活动对各功能区域的地表扰动面积、地表扰动厚度、弃渣土质、弃渣堆放部位和堆放高度等情况。

根据开发建设活动的具体情况，例如参照开发建设项目的地表扰动强度分级（下表3）和开发建设项目弃渣场的地表扰动强度分级（下表4），对开发建设项目各功能区的地表扰动强度进行等级划分，再根据扰动强度级别参照开发建设项目土壤侵蚀模数基础值（A₀）强度分级（下表5）得出该级别的侵蚀模数基础值（A₀）。

表3：开发建设项目的地表扰动强度分级

表4：开发建设项目弃渣场的地表扰动强度分级

表5：开发建设项目土壤侵蚀模数基础值（A₀）强度分级

（3）将开发建设项目的各土壤侵蚀环境控制系数（即侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子）和各功能区的土壤侵蚀模数基础值（A₀）代入开发建设项目土壤侵蚀模数估算公式，计算出在建设过程中各功能区的土壤侵蚀模数值。

对于线状开发建设项目（如公路）的土壤侵蚀模数计算，可把线状分成若干点状，点状土壤侵蚀模数的确定就可用以上方法计算获取。

以下根据某市快速路工程水土保持方案以及本发明方法计算而得的结果进行对比：

（1）项目与项目区概况

该快速路是京珠国道主干线广州（新洲）至番禺（坦尾）段高速公路中的一段，位于广州市中南部。路线全长11.322km，工程总投资199759.84万元。工程拟定2006年12月开工，2009年12月竣工，工期36个月。该项目的具体工程特性见表6。本公路等级为城市快速路，设计行车速度80km/h，全路段按双向六车道建设。主线路基面宽度为29.0m，拟建线路穿越城镇建筑物密集地段，全线设置主线桥7座，共计4858.374m。其中特大桥2座，共计4303.374m，大中桥5座，共计555 m，设置互通式立交5座。全线共设涵洞11道，于起点处设置主线收费站1处。

项目区处于北回归线以南，属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛。年平均气温21.8℃，无霜期为346天；最高气温是7月，月平均气温28.4℃，极端最高气温38.7℃；最低气温是1月，月平均气温13.3℃，极端最低气温0.9℃。多年平均降雨量1694mm，主要集中在4～9月。本项目所处区域为珠江三角洲平原水网地区，路线穿越区域为低矮浅丘相间地貌，小丘包海拔高在90m以下。地表水为珠江流域水系。沿线大小城镇星罗棋布，并以城乡道路相通。

表6：工程特性表

（2）原水保方案报告书中水土流失预测方法与结果

原水保方案报告书将项目区划分为公路建设区、施工营造布置区和施工便道区等三个区域。

公路建设区：由于公路建设区占地面积广，根据地形地貌特征、地表破坏程度及水土流失特点，将其进行二次分区，划分为挖方区、填方区、桥梁区、互通立交区、附属机构区。公路建设区破坏了原有地貌及原有植被，致使地表裸露，原有土壤层次、结构发生改变，并形成路堤、路堑等人工地貌，土壤抗侵蚀能力大降低，尤其是高填深挖施工，由于坡面汇流，往往形成强烈的土壤侵蚀。

施工营造布置区：含路线施工场区、施工生活区、预制场等。该区一般地形开阔平坦，稍平整清理即可，对原地貌损坏不严重。

施工便道区：本工程施工便道主要是进场道路，所以占地面积较小，加上地势平坦，大部分稍加平整即可使用。

各区域在施工期的侵蚀模数采用类比工程法取值，其取值及预测结果见表7。

表7：建设期各分区水土流失预测结果

（3）用查算表方法水土流失预测结果

对水土流失的分区采用水保方案报告书中的方法，即公路建设区、施工营造布置区和放工便道等三个区域，根据这三个区域所处的自然环境状况来确定各侵蚀环境的控制系数（r、y、g、k值），然后再根据项目工程的地表扰动情况确定各功能区的地表扰动等级和土壤侵蚀模数基础值（A₀），最后查算出各区的土壤侵蚀模数（见表8）。

表8：项目建设各功能区的侵蚀模数查算参数

根据上述项目各功能区的侵蚀模数查算结果就可预测出该项目在建设期间的水土流失量（表9）。

表9：查算表方法水土流失预测结果

从上述两种方法预测结果可以看出，原水保方案报告采用类比法预测的项目建设造成的水土流失量为4.13万t，查算表方法预测结果为3.88万t，偏差为6.1%；但相对而言，类比法预测方法的计算复杂，数据采集过程繁琐，因此计算所需时间远远超过本发明方法。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种土壤侵蚀模数计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、计算区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子；

C、根据区域侵蚀强度控制系数和局地侵蚀强度影响因子，利用土壤侵蚀模数估算公式计算项目工程的各功能区域的土壤侵蚀模数A,所述区域侵蚀强度控制系数包括有岩性控制系数y和降雨控制系数r，所述局地侵蚀强度影响因子包括有土壤影响因子k和地形地貌因子g,所述土壤侵蚀模数的计算公式为A＝k*g*r*y*A₀。

2.根据权利要求1所述的一种土壤侵蚀模数计算方法，其特征在于：所述项目工程的各功能分区为主体工程建设区、临时建设区、弃渣场和影响区。

3.根据权利要求2所述的一种土壤侵蚀模数计算方法，其特征在于：所述弃渣场的地表扰动等级的赋值根据弃渣场内的堆放高度、堆放形式、堆放位置计算。

4.根据权利要求1所述的一种土壤侵蚀模数计算方法，其特征在于：所述土壤影响因子k的数值通过EPIC模型计算得到。