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第四章 通用水土流失方程


(4)土壤渗透性根据浸透速度的大小,分为快、中快、 中、中慢、慢、特慢等六级,由田间或实验室测定到。 根据诺谟图查K值的步骤是: 从左边粉粒+粘粒的坐标值查起,然后找相应的 表示砂粒、有机质百分数线,以及土壤结构和渗透性 的线,依次内插各曲线。例如:粉粒+粘粒的含量为 65%,砂粒含量为5%,有机质含量2.8%,土壤结构为2, 渗透性为4。由此而查得k=0.41。我国的黄土性质与美 国相差不多,K值一般在0.35~0.45之间,平均为0.40, 可参照以上方法求得。 在没有大量外业本区观测资料的情况下,要很精 确地计算出不同土壤的可蚀性K值是不可能的。因此, 目前国内外正在对这方面做进一步的研究。 目前,美国根据外业观察资料通过整理计算和比 较,将常见土壤类型可蚀性因子K值制成表(表4-2),供 实际中应用。
二、与通用土壤流失方程有关的几个问题
通用土壤流失方程介绍到我国的时间不长,国内对它 的研究和应用时间更短。加之它又是一个以实验数据为基 础的经验性方程,而我国与美国在作物种植管理、降雨类 型等因子上存在着一些差异,因此,有必要就有关问题做 一阐述。 1.通用土壤流失方程的适用范围 通用土壤流失方程主要用于农地上由水所引起的土壤 侵蚀(片蚀和细沟侵蚀),计算结果只表示多年平均土壤流 失量,而不能够代表当地某一年或某一次降雨所产生的土 壤流失量。因为降雨本身年际变幅很大,而由此引起的土 壤流失量在年际上的变化也就相当可观了。近年来随着研 究的深入,通用土壤流失方程逐渐被推广应用于计算林地 和牧草地由水引起的土壤侵蚀量。
• S——坡度因子,当其他条件相同时,实际坡度与标 准小区坡度上土壤流失量的比值。实际计算中常将L 和S合成一个地形因子,以LS表示, • C——作物经营因子,为种植作物地块上的土壤流失 量与标准处理地块(经过犁翻而没有遮蔽的休闲地) 上土壤流失量的比值 • P——水土保持措施因子,有水土保持措施地块上的 土壤流失量与没有水土保持措施小区(顺坡犁耕的坡 地)上土壤流失量的比值。 应该指出,通用土壤流失方程是以大量实验数据 为基础的经验性方程。因此只有根据本地区具体条件 和情况,通过长期观察的资料,推导出方程式中各因 子值和其变动范围,以及它们之间的相关关系,才能 应用到本地的实践中去。
2.通用土壤流失方程的主要用途
(1)预报单位面积上多年平均土壤流失数量 若方程右边的6个因子值都已确定,即地块内的降雨侵蚀力、 土壤类型、坡长、坡度、作物管理情况、地块内的土壤保持措施 都已知,它们相乘后,就得出在此特定条件下所预报的平均土壤 流失量。 (2)利用土壤流失方程制定水土保持规划 水土保持的重要任务是预防和治理水土流失,制定最佳的水 土保持措施。土壤流失方程能较科学地提出防与治的有效措施。 对于任何一块作物地,知道了R、K、L、S、C、P各因子值后,即 可求算出该地块的土壤流失量。如果这个数值在允许土壤流失量 之内,那就不需要采取保土措施。然而,在实际生产情况中,土 壤流失量常常是允许值的若干倍,如不采取保土措施,土壤将日 益退化,以致于不能再继续生产。为了保证土地能永续的进行高 水平的生产,必须采取必要的保土措施,使其流失量在允许值之 下,而通用土壤流失方程就能出色的完成这个任务,这正是方程 最重要的用途所在。 在一般情况下,方程中的R、K值是个常数,是不易改变的。 但我们可以通过调整或改变C、P、L、S值,如增加地面覆盖度、 种植植物防冲带、等高垄作、修筑地埂和梯田等措施达到减少土 壤流失量的目的。
第二节 通用土壤流失方程中诸因子 值的确定
通用土壤流失方程中各因子参数的确定均要求 对监测区的相关地理要素进行详尽分析,所以引用 RUSLE的关键在于对各相关因子的科学计算或测试。 现将方程式中各因子值的确定方法分述如下:
一、降雨侵蚀力因子(R)
自记雨量计
R值是根据降雨资料推求的,所以据此可 以编绘出全国各地区(有降雨资料的地方)侵蚀 力R的等值线图。我们国家也做了这方面的工 作,中国科学院、水利部采用分析雨量分布 的方法,以一次降雨最大30min降雨强度(I30) 作为强度指标,绘制了全国R值等值线图(图。
3.允许侵蚀极限(Acceptable Limits of Erosion) 在土壤侵蚀中,侵蚀的标准是什么?也就是说,哪些侵 蚀是可为人们所接受的?哪些侵蚀是人们不允许的?土壤保持 工作的目的就是使土地永续的利用下去,而不致发生退化。 当土壤的流失速度不超过其形成速度时就能够达到这一目的。 美国土壤学专家本尼特(Benett)于1939年曾指出,成土速 度不可能在短时间内精确地测定出来,但是根据土壤学家们 的估计,在不扰动的自然条件下,每300年可以形成25cm厚 的表土层。 但是在经过扰动的条件下,土壤的通气性和淋洗作用由 于耕种而加强了,300年的时间就可能缩短为30年左右,其 成土速度大约为11.2t/hm²∙a,因此在英美等国家中常使用的 允许侵蚀极限为11.2t/hm²∙a。 但允许侵蚀极限还取决于土壤条件,当土壤剖面由深厚 的土层构成且整个土壤剖面上肥力状况都基本上相同时,它 在30年内流失25mm厚的土层,其严重性要比由覆盖在坚硬 岩石上的薄层土壤在30年内流失25mm厚的土壤小得多。所 以在后者情况下,土壤的允许侵蚀极限要比11.2t/hm²∙a小。 在美国比较通用的数值是2~11t/hm²∙a,目前我国有些地方 采用的允许土壤侵蚀极限为10 t/hm²∙a,但也有人主张采用 5t/hm²∙a.
二、土壤可蚀性因子(K)
在其他影响侵蚀的因子不变时,K因子反映不同类型 土壤抵抗侵蚀能力的高低。影响K值的因素主要是土壤 质地、土壤结构及其稳定性、土壤渗透性、有机质含量 和土层厚度。当土壤颗粒粗、渗透性大时,K值就低, 反之则高;抗侵蚀能力强的土壤K值低,反之则K值高。 一般情况下K值的变幅为0.02~0.75。 K因子的值是在标准小区(坡长22.1m,宽18.3m,坡 度9%)内测定的,小区上没有任何植被,完全休闲,无 水土保持措施。降雨后,收集由于地面径流而冲蚀到集 流槽内的土壤烘干称重,然后由下列公式求得K值: K=A/R 式中A——标准小区内年平均土壤流失量(t/hm²∙a) R——降雨侵蚀力R的年值。 一般来说,土壤可蚀性因子K,对粉沙质粘土为 0.15~0.20,粉沙质壤土为0.2~0.3,沙壤土0.3~0.5。
一、通用土壤流失方程的形成过程
作为对侵蚀过程的进一步理解,土壤流失预报技术已 提出多年了。然而,早期的估算基本上是定性的。随着研 究的深入,占优势的定性描述导致了对有关因子的定量估 算,真正通过经验公式进行土壤流失量的预报,则是从辛 格(Zing,A.W.,1904年)进行侵蚀小区试验开始的。他把土 壤流失量与坡度和坡长联系起来,提出了模型: A=CSmLn-1 式中 A——单位面积上的平均土壤侵蚀量; C——变量常数; S——坡度; L——坡长(水平); m,n——坡度和坡长指数(取值分别为1.4和1.6)。
至1954年,土壤侵蚀预报研究才克服研究分区域进行 的一些固有缺点,把从美国21个州36个地区所获得的大量 研究资料进行汇编,对影响土壤流失量的因子重新评价, 最后由维斯奇迈尔(Wischmeier,W.H.)和史密斯(Smith)于 1961年提出了目前应用最为广泛的通用土壤流失方程,数 学模型如下: A=R×K×L×S×C×P 式中A——单位面积多年平均土壤流失量(t/hm2); • R——降雨侵蚀力指数(或称降雨因子),以100J· cm/m² ·h 计 • K——土壤可蚀性因子,对于一定土壤,等于标准小区 上单位降雨侵蚀力所产生的土壤流失量(标准小区,在 美国要求坡长22.13m,纵向坡面规整,坡度9%。顺坡 耕翻,至少连续休闲2年); • L——坡长因子,当其他条件相同时,实际坡长与标准小 区坡长上土壤流失量的比值;
三、坡长与坡度(地形)因子(LS)
我国水土保持机构
四、作物经营管理因子(C)
第一节 通用土壤流失方程
• 通用土壤流失方程(USLE)是美国1958年利用36个 地区8000个径流小区一年的观测数据得出的分析 研究成果,是一种估算土壤水蚀量的数学模型, 它在美国各大洲都有成功应用的实例,传人我国 相对较晚。由于方程中各因子参数的复杂性,美 国农业部(USDA)针对提高各因子计算的通用性又 提出了修正方程RUSLE。目前,通用土壤流失方程 已被世界上一些国家广泛应用。
在此基础上,史密斯(Smith,D.D.,1941年)根据作物 轮作和土壤处理的不同组合,评价了土壤保持措施因子的 作用,将作物和工程措施因子与土壤流失量有机联系起来。 布朗宁(Browning,G.M.)等人(1947年)又进一步发展和完善 了史密斯对土壤流失量的估算方法,并作了土壤处理措施 对流失量影响的估算。同时,马斯格雷夫(Musgrave,G.W., 1947年)建立了降水特性与土壤侵蚀量间的关系,并广泛应 用于估算流域的总侵蚀量,方程式为 E=(0. 00527 )IRS1.35L0.35P301.75 式中E——土壤流失量(mm/a) I——在坡长22 m、坡度10%的坡面上,内在的土壤可 蚀性(mm/a), R——植被覆盖因子 S——坡度(%); L——坡长(m); P30——最大30min降雨量(mm)。
2.诺谟方程
直接测定K值方法被认为是最符合田间实际土壤对降雨侵 蚀力的敏感程度,但是直接测定K值所需的时间较长,经费 较多。 Wischmeier和Mannering(1969)用人工降雨法测定了55种 土壤的土壤可蚀性指数,选定13个土壤特性指标与土壤可蚀 性进行回归分析,得出了下式(即诺谟方程) K=[2. 1 × 10-4M1. 14 (1. 2-Mo) +3. 25 (S-2) +2. 5 (P-3)]/ 100 式中M——粉粒与粘粒所占百分比含量与土壤中砂砾物质所 占的百分比的乘积; M0——土壤有机质含量; S——结构系数; P——渗透性等级。 该方程尤其适用于温带中质地土壤。
在使用EI30法计算降雨侵蚀力R的过程中,逐步发 现大部分低强度降雨不会引起侵蚀现象的发生。侵蚀 总是位于一个分界雨强以上的降雨时才出现。在美国, 这个分界雨强大约25mm/h。所以有人提出,在计算 降雨总能量时不应包括雨强<25mm/h的降雨能量,即 KE>1法,它与EI30法计算R值的方式基本一样,而精度 和相关性比EI30 法要好得多。 但在不同国家和地区,引起侵蚀的分界雨强是不 同的。近年来的实际应用中,美国有些地区也把这个 分界雨强由25mm/h降低到13mm/h左右。我国在这方 面的研究中、部分地区选取了10mm/h作为引起侵蚀 的降雨分界值。
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