CN107992446B

CN107992446B - 一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法

Info

Publication number: CN107992446B
Application number: CN201711160898.9A
Authority: CN
Inventors: 张晴雯; 雷廷武; 董月群; 郑莉
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: CN107992446A

Abstract

本发明涉及一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法，包括如下步骤：S1，测定不同水动力条件下浅沟随不同沟长对应的含沙量，得到含沙量与沟长的函数关系；S2，根据S1中浅沟侵蚀含沙量与沟长的函数关系，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀速率；S3，根据S2中浅沟侵蚀土壤剥蚀速率，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀能力。本发明通过数学变换对坡长极限求导的方法，计算浅沟侵蚀剥蚀能力，克服了了用长坡长计算剥蚀速率的基础上计算剥蚀能力误差比较大的缺陷。用数学方法实现了实验过程中应该用无限短的坡长计算剥蚀能力的局限。

Description

一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀与水土保持、农田面源污染控制领域，具体地说是涉及一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法。

背景技术

水力侵蚀引发严重的水土流失，对流域水质和生态环境的可持续性造成严重威胁(Baken等，2015；Kerr等，2011；Morgan，2011)。浅沟是坡地侵蚀产沙的主要来源和输沙通道，是细沟侵蚀向切沟侵蚀演化的一种过渡侵蚀类型。已有研究发现大于15°的坡耕地普遍发育有浅沟侵蚀(张科利，1991)，同时浅沟是现代沟谷侵蚀发展的主要缘由，可引发崩塌等重力侵蚀(唐克丽，2004)。发育有浅沟的坡地在降雨过程中迅速汇集径流，形成冲刷力很强的股流，侵蚀动能剧增，成为切沟侵蚀和沟头前进的动力源泉，使土地资源遭到极大的破坏(朱显谟，1956；唐克丽等，1983)。浅沟在我国西北黄土区和东北黑土区、中欧黄土带和美国东南部非常普遍，在侵蚀活跃区可占坡面侵蚀量的70％以上(张科利，1991；Nachtergaeleet al.，2001；Poesen et al.，2003；Capra et al.，2009；Stefano et al.，2013)。

构建以物理过程为基础的浅沟侵蚀预报模型是目前的研究热点和难点。由于浅沟侵蚀对坡面总侵蚀输沙量的显著贡献，近十几年来引起了国内外对浅沟侵蚀模拟和预报研究的极大兴趣(Casali et al.，2000；Nachtergaele et al.,2002；Cheng et al.，2007；Wilson et al.，2008；Taguas et al.，2012)。但目前所用的大多数模型根据沟道侵蚀的特点，将细沟和浅沟等归类为沟道侵蚀，但浅沟侵蚀模型和模型参数研究较少，对浅沟侵蚀机理认知不足。已开发的浅沟侵蚀模型EGEM(Ephemeral Gully Erosion Model)可用于预报浅沟年均侵蚀量，但不能反应浅沟侵蚀产沙的时空变化过程(Woodward,1999；Nachtergaele et al.，2001)，限制了模型指导水土保持实践的应用。

坡面细沟侵蚀或浅沟侵蚀水流的剥蚀速率和输沙能力等与水力学性质及含沙量有密切的互馈关系，模型构建的关键之一是把侵蚀过程与水动力学联系起来对参数进行测量或计算。模型的建模思想是将流域划分为沟道和坡面系统，将土壤侵蚀过程分解为剥蚀、输移和沉积3个子过程。土壤剥蚀及其过程均由径流冲刷引起，主要受控于坡面径流的水动力学特性和土壤属性。在降雨击溅和径流冲刷作用下，土壤颗粒或团聚体脱离土体，离开原始位置的过程称为土壤剥蚀过程，为后续的输移过程提供了泥沙来源。土壤剥蚀能力是指含沙量为零时坡面径流对土壤颗粒的最大剥蚀速率，是确定土壤可蚀性参数和临界剪切力的基础。

水动力学模型实验求解法从水动力原理上很好地反映土壤对侵蚀的影响作用，但由于难于区分试验得到的土壤流失量是剥蚀的结果还是搬运的结果，用长坡试验小区人工降雨和放水冲刷试验得到的结果并不理想。理论上只有当含沙量接近零的清水冲刷细沟时，才能达到剥蚀能力。同时，随着含沙量的增加，土壤剥蚀速率降低。长坡的土壤剥蚀速率与实际值有很大的不同，因此测定土壤剥蚀能力必须隔离泥沙输移对土壤剥蚀的影响，为了获得最大的剥蚀率，测定土壤剥蚀能力的土壤样本应该很短。用于测定土壤剥蚀能力的试验水槽长度对剥蚀能力的确定具有显著影响，从而影响土壤可蚀性值的计算精度。因此，作为测定剥蚀能力长坡的平均剥蚀率大大低估了剥蚀率，由此获得的剥蚀能力估算土壤可蚀性可能不合适。因此，需要通过理论分析和实验设置来提供一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法，用解析法把表征浅沟侵蚀剥蚀速率的变量和激发条件包括在一个表达式内，通过数学变换对坡长极限求导的方法，计算浅沟侵蚀剥蚀能力，克服了了用长坡长计算剥蚀速率的基础上计算剥蚀能力误差比较大的缺陷。用数学方法实现了实验过程中应该用无限短的坡长计算剥蚀能力的局限。

本发明提供一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法，包括如下步骤：

S1，测定不同水动力条件下浅沟随不同沟长对应的含沙量，得到含沙量与沟长的函数关系；

S2，根据S1中浅沟侵蚀含沙量与沟长的函数关系，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀速率；

S3，根据S2中浅沟侵蚀土壤剥蚀速率，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀能力。

进一步，所述步骤S1中浅沟侵蚀含沙量与沟长的对应关系为：

c＝A(1-e^-βx)

其中，其中C为含沙量kg/m³，β为衰减系数，x是浅沟从入水口至采样点的沟长，m，A是回归系数。

进一步，所述步骤S2中，土壤剥蚀率为单位面积单位时间内土壤的剥蚀量，是单位宽度水流所含泥沙沿距离的变化率，其与沟长和单位宽度流量的关系为：

其中,D_G是土壤剥蚀速率,kg/m²s，β为衰减系数，kg/m³，q是单位宽度流量，m²/s，x是浅沟从入水口至采样点的沟长，m；A是回归系数。

进一步，所述步骤S3中浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的计算公式为：

D_c＝qAβ

其中,D_C是土壤剥蚀能力,kg/m²s，A和β分别是不同水动力条件下含沙量随沟长变化非线性数学关系式的回归系数和衰减系数。

本发明的有益效果是：本发明用解析法把表征浅沟侵蚀剥蚀速率的变量和激发条件包括在一个表达式内，通过数学变换对坡长极限求导的方法，计算浅沟侵蚀剥蚀能力，克服了了用长坡长计算剥蚀速率的基础上计算剥蚀能力误差比较大的缺陷。用数学方法实现了实验过程中应该用无限短的坡长计算剥蚀能力的局限。本发明得到的浅沟侵蚀土壤剥蚀能力与流量和坡度的函数关系，可以通过这一函数关系计算任意浅沟的流量和坡度条件下的土壤剥蚀能力，从而为坡地剥蚀输沙的动态过程及作用机理研究提供了新手段。

附图说明

图1为本发明的浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法，该方法包括以下步骤：

S1，测定不同水动力条件下浅沟随不同沟长对应的含沙量，得到含沙量与沟长的函数关系：

1)不同水动力条件下浅沟随不同沟长对应的含沙量的测定

实验设定：水动力条件采用4个坡度(8.74％、17.62％、26.78％和36.38％)和4个流量(32、64、128和256L/min)的16种水动力组合，由可变坡固定式径流土槽开展不同水沙耦合试验，冲刷流量由恒定水头稳水箱加水表来控制，试验过程中的径流流量用水位传感器测量。

实验相关装置：由可变坡固定式径流土槽开展不同水沙耦合试验，可变坡土槽坡度变化0-30度(精度0.5度)，水槽总长度为12m。用PVC板将1m宽和12m长的水槽细分为2个分别宽0.5米，长12米的水槽。由自来水管及水箱加泵供水，采用一系列安装在分流箱上的阀门控制流量，并由校准流量计直接测量。水槽沟床可调节，以允许在不同的坡度下进行试验。试验细沟和短渠的土壤厚度为50cm，土壤容重约为1350kg/m3。试验中使用的土壤为黄土高原的母质性黄绵土，土壤质地统一，其颗粒组成为5.5％粘粒(<0.002mm)，60.7％粉粒(0.002～0.05mm)和33.8％砂粒(0.05～2mm)，土壤CaCO3含量为97.3g/kg，有机物含量为4.01g/kg，pH值为8.5，阳离子交换能力(CEC)为每100克7毫当量，土壤风干后过10mm筛网备用。

实验方法：在同一时段沿不同浅沟沟段人工采集泥沙样，烘干称重测量含沙量，确定水流含沙量沿浅沟不同部位的分布规律，由此得到浅沟侵蚀含沙量随任意沟长变化的数据。沿下坡方向分别位于1，2，3...和12m处设定12个观测点，以1米的间隔沿着沟槽同时采集含有泥沙的径流样品。在水流达到稳定状态后，以60秒为间隔分别在30秒，90秒，150秒，210秒和270秒进行观察，每次试验重复操作三次。在水槽出口处使用塑料桶测量五次流量。使用颜料示踪法测定水流表层速度，重复测量三次。通过将表层速度乘以系数0.8得到水流平均流速。每个试验运行的持续时间约300秒。将所有样品在105℃下烘干8小时，根据泥沙的体积和质量估算泥沙含量，即为干泥沙质量与含沙水样体积的比率，样品的平均泥沙含量为三次重复的平均值。

2)含沙量与沟长的函数关系

设在某一特定坡度和径流量条件下，浅沟沟长距离径流入水口x_m-1的含沙量为c_m-1，则在浅沟沟长距离径流入水口x_m的含沙量为c_m，表达式为

x_m＝x_m-1+Δx(m∈[1，12]) (1)

其中c_m为浅沟从入水口至沟长x_m处的含沙量，kg/m³；m是段数，因次；x_m是浅沟从入水口至点m的沟长，m。

不同坡度及流量下含沙量随沟长变化的产沙过程复合非线性数学关系式：

c＝A(1-e^-βx) (3)

其中,c含沙量，kg/m³，β为衰减系数，x是沟长(m)，A是回归系数。

S2，根据S1中浅沟侵蚀含沙量与沟长的函数关系，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀速率。

水流中泥沙含量来源于水流对土壤的剥蚀，土壤剥蚀率为单位面积单位时间内土壤的剥蚀量。预报土壤侵蚀的物理模型法就是将复杂的土壤侵蚀条件概化为简单的土壤侵蚀模型，通过研究物理模型来认识土壤侵蚀机理及规律，用数学上的积分法和积分变换等方法，用解析法直接对物理模型的求解，把表征坡面土壤运动规律的变量和激发条件、时空变化包括在一个表达式内，分析土壤侵蚀的过程运动规律。土壤剥蚀速率的解析表达式为单位宽度水流所含泥沙沿距离的变化率：

其中,D_G是土壤剥蚀速率,kg/m²s，c是含沙量，kg/m³，q是单位宽度流量，m²/s，x是浅沟从入水口至采样点的沟长，m。

将产沙方程(3)带入解析式(4)，土壤剥蚀速率D_G表达为：

其中,D_G是土壤剥蚀速率,kg/m²s，q是单位宽度流量，m²/s，x是浅沟从入水口至采样点的沟长，m，β为衰减系数，A是回归系数。

在水槽入水口处，径流全部能量用于剥蚀土壤颗粒，清水时剥蚀率最大，随着含沙量增加，一部分径流能量用于输移泥沙，土壤剥蚀率降低。当输沙量等于水流输沙能力时，剥蚀率最小，意味着径流中的含沙量已达到了径流所能挟带的极限值。由此，水流冲刷条件下的最大剥蚀率，也就是土壤剥蚀能力Dc为：

不考虑浅沟随机性形态变化，对于限定性可控水槽水动力冲刷试验，结合方程(3)和方程(4)，土壤剥蚀能力及最大剥蚀率为：

D_c＝qAβ (5)

收集上述试验中，不同坡度及流量组合下沿不同坡段的含沙量，通过上述公式计算相关参数，并用方程(5)计算不同水动力条件下的土壤剥蚀能力。由试验结果看出，坡度越陡、流量越大，径流对土壤的剥蚀能力越强。

表1不同水动力组合土壤剥蚀能力Dc和衰变系数β

土壤剥蚀能力的大小决定于径流的能量，而坡度和流量是影响径流能量的重要因素，也是影响浅沟发育的主要条件。坡度是构成地形的基本要素，它既是影响浅沟发育的重要因素，其本身又是侵蚀在不断发展过程中塑造出的产物。因此，坡度、流量和侵蚀之间存在着相互促进和相互制约的复杂关系。随坡度的增加，径流位能增大，径流的冲刷力增大，径流的剥蚀能力也随之增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的定量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3，根据S2中浅沟侵蚀土壤剥蚀速率，得到不同水动力条件下的浅沟侵蚀土壤剥蚀能力；

其中，所述步骤S1中浅沟侵蚀含沙量与沟长的对应关系为：

c＝A(1-e^-βx)

其中，c为含沙量，Kg/m³，β为衰减系数，x是浅沟从入水口至采样点的沟长，m，A是回归系数；

所述步骤S2中，土壤剥蚀率为单位面积单位时间内土壤的剥蚀量，是单位宽度水流所含泥沙沿距离的变化率，其与沟长和单位宽度流量的关系为：

其中，D_G是土壤剥蚀速率，Kg/m²s，q是单位宽度流量，m²/s，

通过对沟长极限求导，计算浅沟侵蚀土壤剥蚀能力，

所述步骤S3中浅沟侵蚀土壤剥蚀能力的计算公式为：

Dc＝qAβ

其中，Dc是土壤剥蚀能力，Kg/m²s。