基于RULSE方程原理在阜新地區小流域土壤侵蝕量估算中的應用

姜仕琪

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113007)

小流域綜合治理中首先需要對治理流域的土壤侵蝕量進行估算，而土壤侵蝕量較為準確的估算對于小流域綜合治理設計參數和指標十分重要[1]。傳統土壤侵蝕量主要采用通用土壤侵蝕方程(ULSE方程)進行估算，該方程主要從土壤侵蝕的形成機理進行分析，重點考慮降雨因子、土壤侵蝕因子、估算區域的植被覆蓋因子、水保因子以及地形因子，在國內許多區域水土保持規劃設計中均得到廣泛應用[2- 6]。近些年來，有學者針對傳統通用土壤侵蝕方程不能考慮坡面徑流對土壤侵蝕的影響，而引入徑流因子，對傳統通用土壤侵蝕方程進行改進，并在國內一些小流域綜合治理的土壤侵蝕量估算中進行應用[7- 10]，應用效果均表明相比于傳統通用土壤侵蝕方程，其土壤侵蝕估算精度有所改善，尤其在一些具有超滲產流機制的區域，其改善效果更為明顯。阜新地區屬于遼寧省水土流失較為嚴重的區域，為提高阜新地區小流域土壤侵蝕的估算精度，本文結合阜新某試驗小流域土壤侵蝕觀測數據，分別采用修正前后的通用土壤侵蝕方程對其土壤侵蝕量進行估算，對比其土壤侵蝕量的估算精度，研究成果對于阜新地區小流域土壤侵蝕量估算方法的選擇具有參考價值。

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，是土壤侵蝕影響的重要因子，本文主要采用Williams等人研發的土壤侵蝕因子估算方法進行土壤侵蝕因子的確定，該方法對數據要求較少，且估算原理較為簡單，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—土壤質地中粗砂和細砂所占的比例，%;fcl-si—土壤質地中黏土所占的比例，%;forgc—土壤質地中有機物所占比例，%;fhisand—土壤質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—有機質所占比例，%。

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、坡度及坡長有關，本文按照Wischmeier和Smith(1978)在不同小流域試驗基礎上確定的水土保持措施因子關系(見表1)對水土保持措施因子進行確定。

表1 水土保持因子P關系表

1.4 地形因子L

地形因子的估算公式如下：

(9)

式中，Lhill—坡長，m；m—坡長指數；αhill—斜坡角度。坡長指數估算公式為：

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小流域為研究區域，該區域總面積為45km2，區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，在對各類型土壤質地測定的基礎上，采用方程(2)對其土壤侵蝕因子K進行估算，小流域各類型土壤因子見表2。小流域主要土地覆被分別為林地、耕地以及裸體，通過對土地覆被方式下的地表植物量進行調查統計，結合小流域水土保持部門的調查數據，對各類型土地覆被下的植被覆蓋和管理因子進行確定，結果見表3。坡面徑流因子主要通過小流域徑流系數和場次降水進行相乘轉化得到其坡面徑流深，降雨侵蝕力因子主要采用參考文獻[11]中介紹的方法，結合遼寧省無資料地區設計暴雨洪水手冊對其進行確定。

表2 研究小流域各類型土壤侵蝕因子確定結果

表3 不同土地覆被方式下植被覆蓋和管理因子確定結果

2.2 土壤侵蝕量的監測

本次主要以某試驗小流域作為研究區域，在徑流試驗小區底部安裝集水池，在每次出現降雨量超過50mm時進行觀測，現場安裝有虹吸式雨量筒，共觀測10組徑流試驗數據，在集水池的底部設置有大型集水桶，隨集水桶內的水量和泥沙量進行測定并進行記錄。在水桶內對水樣進行攪拌均勻后每次取出1000ml作為試驗觀測水樣，到試驗室內對泥沙量進行測定，具體檢測方法可詳見參考文獻[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通用土壤侵蝕方程，結合10組降雨觀測數據，坡面徑流采用徑流系數進行轉換得到，其他土壤侵蝕估算因子如2.1節中確定值代入估算，結合10組土壤侵蝕量監測數據，對比分析修正前后通用土壤侵蝕方程的估算精度，結果見表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比結果

從修正前后通用土壤侵蝕方程下土壤侵蝕量估算值和監測值之間的誤差對比結果可看出，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土壤侵蝕的影響，總體相對誤差均小于修正前的通用土壤侵蝕方程。傳統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土壤侵蝕的影響，尤其是對于超滲產流機制的區域，降雨超過區域土壤下滲能力后基本全部產生坡面徑流，因此其對區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流機制區域其土壤侵蝕估算精度要好于傳統通用土壤侵蝕方程，從10組土壤侵蝕監測數據對比結果可看出，相比于傳統通用土壤侵蝕方程，在10組觀測數據對比下修正后的通用土壤侵蝕方程的土壤侵蝕估相對誤差平均可減少9.63%，估算精度得到顯著提升。

3 結語

本文結合阜新某徑流試驗小流域土壤侵蝕監測數據，分別采用修正前后的通用土壤侵蝕方程對比其土壤侵蝕估算誤差，相比于傳統通用土壤侵蝕方程，修正后的通用土壤侵蝕方程估算誤差得到明顯改善，10組試驗數據相對誤差可平均減少9.63%，對于阜新超滲產流機制的區域修正后的通用土壤侵蝕方程土壤侵蝕估算精度更高，適用于阜新地區土壤侵蝕量的估算。