CN109060588A - 一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法 - Google Patents

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王志忠
许灏
李超亮
宋英辉
崔兆杰
杨孝勇
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Abstract

本发明涉及一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，测量待测边坡的侵蚀表面积；再在待测边坡下方修建测量沟槽，在沟内面铺设薄膜，储备边坡流失土壤；定期进行流失土壤收集，测定流失土壤重量；最后，用测得的侵蚀表面积和流失土壤重量计算土壤侵蚀模数。本发明减少了大量不必要的监测环节与计算过程，适用于陌生环境下小范围的边坡土壤侵蚀模数测定，具有工艺简单、易于实施、原料来源广泛、价格低廉、成本低、快速又准确的特点，可以推广应用到其他种类边坡土壤模数测定。

Description

一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法
技术领域
本发明涉及水土保持学和恢复生态学领域，特别涉及一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法。
背景技术
土壤侵蚀模数是土壤侵蚀强度单位，是衡量土壤侵蚀程度的一个量化指标。也称为土壤侵蚀率、土壤流失率或土壤损失幅度。指表层土壤在自然营力(水力、风力、重力及冻融等)和人为活动等的综合作用下，单位面积和单位时间内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量。
中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，由于特殊的自然地理和社会经济条件，使水土流失成为主要的环境问题。我国的水土流失分布范围广、面积大，根据公布的中国第2次遥感调查结果，中国的水土流失面积达356万km2，占国土总面积的37％，水土流失所损失的土壤大致为50亿吨。为防治水土流失，测定土壤侵蚀量是研究水土流失规律的一项重要内容。矿山排土场由采矿区岩土剥离、运输、堆垫而形成，原来的土体和矿层的上覆岩层经过剧烈的扰动混合后，以松散堆积体状态堆置在内外排土场，形成人工巨大松散堆积地貌景观，平台-陡坡是其基本地貌单元，其水土流失分布是点、线、片、带、块、面中的一种或多种形式的组合。排土场土壤侵蚀过程复杂，主要表现在土壤侵蚀部位集中、类型多样、强度剧烈。
目前，边坡的土壤侵蚀模数测定方法主要包括径流小区法、侵蚀测针法、元素示踪法以及模型模拟法。这些测量方法虽然已被验证为准确，但是往往都具有一定的限制性。如：径流小区法需耗费大量人力和物力设计出径流场；元素示踪法需要制造出测量所需的磁性示踪剂，并且测量过程需要借助磁化率仪进行测量；模型模拟法需要查阅当地边坡数据，设计模拟出现侵蚀过程从而计算出土壤侵蚀模数；侵蚀测针法的测量准确性较差。
在国内已申请的相关专利中，专利申请号为201710032159.5《矿山排土场边坡土壤侵蚀速率估算方法》，利用无人机影像和高精度DEM数据之间的结合,快速推算出排土场边坡土壤侵蚀速率,但需要使用到无人机，具有一定的操作难度性，同时需要使用到GIS等软件。专利申请号为201710406264.0《一种改进的K#RUSLE模型与成土速率计算土壤侵蚀的方法》，对降雨侵蚀力因子进行喀斯特化，基于成土速率的阂值,对理论土壤侵蚀模数进行有效性检验，提升了土壤侵蚀结果的准确率，但本质上仍基于RUSLE模型，需要进行长时间的监测与计算，虽准确性高但耗时长，操作难，工作量大。
因此，而针对无实测数据地区以及一些应急情况下的监测，如何找到一种快速、简单又准确的方法用于测定矿山排土场边坡土壤侵蚀模数是一项重要课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法。
本发明所采用的技术方案是：
按照本发明所述矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测量待测边坡的侵蚀表面积；
(2)在待测边坡下方修建测量沟槽，在沟内面铺设薄膜，储备边坡流失土壤；
(3)定期进行流失土壤收集，测定流失土壤重量；
(4)用测得的侵蚀表面积和流失土壤重量计算土壤侵蚀模数。
按照本发明所述的矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于：所述边坡流失土壤收集为每周或每月一次，再用测得的侵蚀表面积和流失土壤重量计算土壤侵蚀模数。
按照本发明所述的矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于，年土壤侵蚀模数测定的计算公式为：
其中：Ms为年土壤侵蚀模数，单位为单位为吨/(平方千米*年)，[t/(km2*a)]；Mn为每月称重所得到的平均流失土壤重量，单位为千克(kg)；F为侵蚀面积，单位为平方米(m2)。
本发明的矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法特点是：
1、本发明从土壤侵蚀模数定义角度构思一种通过边坡侵蚀面积以及流失土壤重量测定边坡的土壤侵蚀模数方法，减少了大量不必要的监测环节与计算过程，适用于陌生环境下小范围的边坡土壤侵蚀模数测定。
2、本发明的方法工艺简单，易于实施，测量价格低廉，成本低。
3、本发明具有快速又准确的特点，适于推广应用到其他种类边坡的土壤侵蚀模数测定。
具体实施方式
下面结合实施例与对比例对本发明作进一步详细描述：
试验地点：辽宁省鞍山市大孤山铁矿库生态护坡试验地。
实施例：
具体步骤如下:
1、测量出待测边坡的长和宽，计算出边坡的侵蚀面积，记为F，单位为平方米，记为m2。
2、清理边坡下方的杂草、杂物，挖出测量沟槽，沟槽深度为3～5厘米，沟宽为0.5～0.7米，长度与边坡长度相同，将测量沟槽里面处理平整。
3、将塑料薄膜平铺在测量沟槽内，在测量沟槽的侧面再抹上一层水泥，防止测量沟槽侧面土壤被冲刷进测量薄膜内影响测量结果以及边坡流失土壤与侧面土壤混合干扰测量结果，同时也固定压紧测量薄膜防止风吹变形。
4、每隔一月进行一次流失土壤的收集，测出薄膜上流失土壤的重量，记作Mn，单位为千克(kg)，土壤收集时应小心谨慎，不可有余漏，同时注意不能破坏测量薄膜。
5、计算该边坡的年土壤侵蚀模数，计算公式如下：
其中Ms为土壤侵蚀模数，单位为吨/(平方千米*年)，[t/(km2*a)]；Mn为每次称重所得到的流失土壤重量，单位为千克(kg)；F为侵蚀面积，单位为m2。
对比例1：通用土壤流失方程
选用修正通用土壤流失方程(RUSLE)，并根据研究区特点和数据获取条件确定各因子算法，评估该区域的土壤侵蚀量，其计算公式为：
A＝R·K·S·L·C·P
式中：A为单位面积土壤年侵蚀量，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子，无量纲；S为度因子，无量纲；C为植被覆盖与管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。
降雨侵蚀力R值与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴大小及雨滴下降速度有关，它反映了降雨引起土壤分离和搬运的动力大小,计算公式为:
其中Xi为月降雨量，mm；为年降雨量，mm。
土壤可蚀性因子K是指单位降雨侵蚀力在标准小区上所造成的土壤流失量，计算公式为：
K＝[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.35(s-2)+2.5(p-3)]/100
其中M为美国粒径分级制中的(粉粒+极细砂)％与(100-粘粒)之积,OM为土壤有机质含量,s为结构系数,p为渗透性等级。
坡长坡度LS因子表示在其余条件均相同的情况下，某一给定坡度和坡长的坡面上土壤流失量与标准径流小区典型坡面上土壤流失量的比值。计算公式为:
L＝(λ/22.13)m L＝(λ/22.13)m
其中坡长指数m，当像元坡度a＞5％时，m＝0.5；当3％＜a≤5％时，m＝0.4；当1％＜a≤3％时，m＝0.3；当a≤1％时，m＝0.2；λ为坡长，m。
S＝21.9sinθ-0.96S＝21.9sinθ-0.96
其中θ为坡度值，(°)。
植被覆盖因子C和水土保持措施因子P可通过查表获得。
对比例2：
把100支侵蚀针,分别直接插入坡面上所划分的100个微区的中心部位,插入土壤的深度为5cm,露出土壤表面的长度为5cm。每隔一月读一次数，每支侵蚀针的侵蚀前的读数与侵蚀后的读数之差,代表被测定部位在整个试验期间的土壤的侵蚀量。
实施例及对比例的试验指标监测结果见下表：
表1各区的侵蚀模数查算参数
A(A区)＝R·K·S·L·C·P＝1.87t/(hm2·a)＝187t/(km2*a)
A(B区)＝R·K·S·L·C·P＝3.20t/(hm2·a)＝320t/(km2*a)
表2侵蚀模数测定表
月份 A区(kg) RSD B区(kg) RSD
7 44 0.018 30 0.021
8 67 0.024 36 0.029
9 57 0.026 33 0.025
平均值 56 33
经公式计算，覆土区全年土壤侵蚀模数：
覆尾矿区全年土壤侵蚀模数：
表3侵蚀针测定法
月份 A区(mm) RSD B区(mm) RSD
7 0.11 0.102 0.14 0.092
8 0.18 0.113 0.21 0.121
9 0.12 0.106 0.16 0.114
平均值 0.137 0.17
经公式计算，覆土区全年土壤侵蚀模数：
0.137×12＝1.644mm/a
覆尾矿区全年土壤侵蚀模数：
0.17×12＝2.04mm/a
RSD为相对标准偏差。
结果表明，本发明实施例的矿山排土场边坡的土壤侵蚀模数测定方法，用于大孤山铁矿库生态护坡试验地结果证明，本发明采用的测量方法具有较低的标准偏差，且测量结果与对比例通用土壤流失方程所得结果误差在15％左右，符合国家土壤侵蚀模数估算标准，可作为该地区土壤侵蚀模数的估算方法；对比例侵蚀针测定法虽测法简单，但相对偏差较大，且测量结果与通用土壤流失方程所得结果吻合度较差。因此本发明与侵蚀针法相比，既具有简便性，同时也具有较高的准确性，可作为一种快速准确的土壤侵蚀模数测定方法。
上述实施例为本发明创造较佳的实施方式，但本发明创造的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创造的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测量待测边坡的侵蚀表面积；
(2)在待测边坡下方修建测量沟槽，在沟内面铺设薄膜，储备边坡流失土壤；
(3)定期进行流失土壤收集，测定流失土壤重量；
(4)用测得的侵蚀表面积和流失土壤重量计算土壤侵蚀模数。
2.根据权利要求1所述的矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于：所述边坡流失土壤收集为每周或每月一次，再用测得的侵蚀表面积和流失土壤重量计算土壤侵蚀模数。
3.根据权利要求1或2所述的矿山排土场边坡土壤侵蚀模数测定方法，其特征在于，年土壤侵蚀模数测定的计算公式为：
其中：Ms为年土壤侵蚀模数，单位为吨/(平方千米*年)，[t/(km2*a)]；Mn为每月称重所得到的平均流失土壤重量，单位为千克(kg)；F为侵蚀面积，单位为平方米(m2)。
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