2024年2月21日发(作者：)
浅谈水土流失预测的常用计算方法
朱荣华
(乐清市水利水电建筑勘测设计院)
摘要：水土流失作为一项世界性的研究课题，一直受到世界各国的重视，长期以来，在其基础理论方面开展了大量的研究，并取得了有益的成果。水土流失预测是水土流失问题研究中很重要的内容，其预测方法也很多，常用的有通用土壤流失方程法、类比法、分类分级法、流失系数法等。在我省由于各地方自然条件、地理环境等存在很大差异，采用各种预测方法对水土流失进行预测时，必须确定该方法是最符合本地区实际情况的，这将直接影响到水土流失量数据的精确性，因此对预测方法和计算公式的选择至关重要。
关键词：水土流失 预测 计算公式 侵蚀模数
水土流失与当地自然条件和人类活动密切相关，水土流失的影响因素包括自然因素和人为因素两个方面，其中自然因素主要有气候(降雨强度)、地形(坡长、坡度)、植被状况、地质构造和土壤类型等诸因素，人为因素主要表现为在工程建设过程中改变原有地形(坡长、坡度)，破坏原有植被，使地表裸露，削弱其原有的蓄水保土功能，并产生新的水土流失，从而增加水土流失量。
水土流失作为一项世界性的研究课题，一直受到世界各国的重视，长期以来，在其基础理论方面开展了大量的研究，并取得了有益的成果。水土流失预测是水土流失问题研究中很重要的内容，其预测方法也很多，常用的有通用土壤流失方程法、类比法、分类分级法、流失系数法等。在我省由于各地方自然条件、地理环境等存在很大差异，采用各种预测方法对水土流失进行预测时，必须确定该方法是最符合本地区实际情况的，这将直接影响到水土流失量数据的精确性，因此对预测方法和计算公式的选择至关重要。
1水土流失预测常用计算公式
1.1通用土壤流失方程
通用土壤流失方程USLE (Universal Soil Loss Equation)是美国研制的用于定量预报农地或草地坡面多年平均年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型。它是从20世纪30年代开始的土壤侵蚀试验和定量研究基础上不断发展完善的，最终于1965年正式出版，期间又分别在70年代和90年代进行了二次修订。自模型研制以来，已在水土保持规划和土地资源管理方面得到了广泛应用。模型在发展过程中形成的思想和方法，对于各国经验性土壤侵蚀模型的建立具有很好的借鉴作用。我国自80年代开始引入该模型，进行模型的订正和应用研究，取得了重要成果。
USLE方程式如下：
W =R·K·L·S·C·P(通常将L、S合并为LS考虑) (1-1)
式中：W－土壤流失量，t/ha；
R－降雨侵蚀力因子；
K－土壤可蚀性因子；
LS－坡长坡度因子；
C－植被和作物管理因子；
P－土壤保持措施因子。
(1)降雨侵蚀力因子R
①Wischmeier经验公式：Pi－各月平均降雨量(mm)；
P－年平均降雨量(mm)。
②年R值的估算：R=0.207(P·I60/100)1.205
式中：R－年降雨侵蚀力；
P－年降雨量(mm)；
I60－年最大60min降雨量(mm)。
③多年平均R值的估算：R=0.009×P0.564· I601.155· I14400.560
式中：R－多年平均降雨侵蚀力；
P－年降雨量(mm)；
I60－平均年最大60min降雨量(mm)；
式中：R－降雨侵蚀力；
I1440－平均年最大1440min降雨量(mm)。
上述降雨侵蚀力因子R计算式是王万忠、焦菊英、陈法扬等在绘制全国降雨侵蚀力R等值线图时(《水土保持学报》1995、《土壤侵蚀与水土保持学报》1996)，全国协作，综合了南方南昌水专研究的广东、福建、江西等省，西北水保所研究的陕西、甘肃，东北黑龙江水保部门研究的黑龙江省等地区的综合成果得出的，可适用于全国各水蚀区。
(2)土壤可蚀性因子K
反映土壤抗侵蚀的能力，与土壤类型有关。具体数据根据土壤质地、土壤有机质百分含量、土壤结构、土壤透水性等几个主要因子，查土壤可蚀性因子诺谟图。
如果土壤类型主要为黄壤、紫色土等，其可蚀性因子一般为0.02~0.75。
(3)、坡长坡度因子LS
式中：L－开始发生径流的一点到泥沙开始汇集或径流进入水道点的长度(m)；
S－径流长度的平均坡度，°；
M－模数，当sinS＞0.05时，M=0.5；当0.05≥sinS≥0.035时，M=0.4；
当0.035＞sinS≥0.01时，M=0.3；当sinS＜0.01时，M=0.2。
(5)植被与作物管理因子C
主要反映地表植被覆盖情况对产生土壤侵蚀的影响，施工时，由于植被已被破坏，一般取最大值1.0，工程完工采用绿化等植被措施后，根据植被覆盖率情况一般可取C=0.06~0.6。
(6)土壤保持措施因子P
主要反映地表的处理状况，如压平、压实及其它构筑物对土壤侵蚀的影响。施工场地地表被破坏无防护措施时，P=1.0；完工后经平整、夯实以及边坡防护工程与植被绿化等措施后，P=0.5~0.8。
1.2加速侵蚀系数法
计算公式：
(1-2)
式中：W－各分区的水土流失量之和(设定n个分区，i=1，2，…n)，t；
Fi－第i块扰动地表区的流失面积(km2)；
Mi－第i块扰动地表区Fi上原地貌条件的土壤侵蚀模数(t/km2•a)；
Ai－第i块扰动地表区Fi在预测时段T内的年加速侵蚀系数(t/km2•a)；
Ti－第i块扰动地表区的水土流失预测时段(a)。
当A＞1时，与开挖、扰动、破坏地表的具体情况有关，在无实测或试验资料的情况下，可用类比法参考确定。当A=1时，上式计算出的Ｗ等于原地貌的水土流失量。在预测时段内的不同期间，加速侵蚀系数A可以不同，但A应≥１，不能＜１。
1.3分类分级法
(1-3)
式中：W－扰动地表新增水土流失量，t；
Fi－扰动地表面积，km2；
Msi－不同预测单元扰动后的土壤侵蚀模数，t/km2·a；
Moi－不同预测单元原生土壤侵蚀模数，t/km2·a，
Ti－预测时段，a。
这个公式中因注意的是Msi
和Moi取值，Msi指的是预测单元的年土壤侵蚀模数，反映水土流失的动态变化及发展趋势,是一个动态变量指标；而Moi为原生土壤侵蚀模数，指的是预测单元的多年平均侵蚀模数，是一个相对恒定的常数，一般作为侵蚀区土壤侵蚀状况的背景值用于反映区域水土流失的严重程度。
1.4流失系数法
一般用于计算弃渣流失量的预测，计算公式：
(1-4)
式中：W－弃堆土流失量(t)；
Si－弃土量或临时堆土量(t)；
Ti－堆土时间(a)；
i－工程最终弃土和临时堆土；
a－流失系数(%)，即在不采取任何防护措施下，弃渣体自然流失至自然稳定状态时可能产生的弃渣流失总量与弃渣体总量的比值。
(1)一般地，流失系数a≤１，与弃渣体所处的位置、地形、地貌条件，当地水文、气象因素和弃渣体的级配组成，形状等有关。在无实测或试验资料的情况下，可用类比法参考确定。
(2)采用流失系数法计算水土流失量，比较科学、准确，各方案编制单位和各地水土保持实验研究单位通过观测实验，都可得出本地区的地貌破坏前后土壤侵蚀变化关系，然后经全国汇总、修订、完善，就可以形成中国的水土流失预测技术手册。
2 不采用通用土壤流失方程的原因
使用通用土壤流失方程式时，必须具备相应的试验资料。在方案编制初期，我市曾经采用通用土壤流失方程进行水土流失预测。但由于我市基本没有实验观测资料，在水土流失观测、实验、研究方法和代表性方面还难以满足土壤侵蚀预报方程的运用，特别是大范围的运用，方程中所需参数缺乏扎实的科学基础，因此预测结果的准确性还经不起推敲，操作性比较差。基于以上的原因，现在在我市的水土保持方案编制中一般不采用该方程式进行预测计算。
3 运用公式应注意的问题
新增的水土流失一般包括两部分：第一，施工过程中扰动地表引起的水土流失；第二，工程建设过程中，项目区的临时堆土及渣场弃土造成的水土流失。
扰动地表流失量，根据土地类型分区分类进行预测，按照所处的不同位置、地形、地貌条件确定各自的年土壤侵蚀模数或加速侵蚀系数，同时按照各分区的具体施工时间确定各自的预测时段。扰动地表流失量的计算有两条公式(1-2)和(1-3)，由于加速侵蚀系数比较难确定，我市的方案编制中通常选择公式(1-3)来进行水土流失量的计算，该公式操作性比较强，简单实用，是一种值得推广的计算方法。
弃渣流失量，必须对各弃渣场分别进行预测。按照各渣场弃渣来源的具体施工确定各渣场每年的堆渣量。在渣场的流失系数确定后，可以与每年的弃渣量直计出其流失量；也可以按弃渣体流失趋于稳定的年限，将流失系数合理分配在流失年限的各年中，然后对每年的弃渣量按流失年限与分配的流失系数逐年计出流
失量。特别注意的是当渣场渣体流失年限与流失系数的分配值确定后，无论一年的弃渣，都必须计出流失年限各年的弃渣流失量。弃渣流失量的计算一般用公式(1-4)，采用该式计算水土流失量，比较科学、准确，能够满足相应的精度要求。
上述(1-2)、(1-3)、(1-4)公式中，加速侵蚀系数Ai、扰动后的土壤侵蚀模数Msi以及流失系数a的确定比较难，其他的参数根据实际情况很容易确定。Fi、Msi和a可以采用类比法进行确定。选取地形地势条件大致相似，造成新增水土流失影响因子基本相同的工程作为类比工程，且类比工程最好有较为准确的水土流失监测资料。也可以用同类地区已有的水土流失资料推算项目建设前后的水土流失量，确定年土壤侵蚀模数或加速侵蚀系数。
4 预测时段的选取
(1)一次性建设项目，预测时段一般是基本建设期和运行期的前几年。但具体的起始时间，应按土建工程最早开工的那一年，如三通一平开始年作为预测时段起始年；终止时间一要考虑植物措施的迟效性(运行期前1～2年)，二要考虑弃渣流失趋于稳定的年限(一般3～5年)，按建设期最后弃渣年开始应有3～5年，这两项要求相比较，以需要运行期年限长的年作为预测时段的终止年。
(2)长期生产建设项目，预测时段可分为基本建设期和生产运行期两个阶段，重点预测水土保持服务年限以内的情况。
5 实例计算
通过以上分析，预测新增水土流失量的计算有两种情况，①采用公式(1-2)和公式(1-4)进行计算；②采用公式(1-3)和公式(1-4)进行计算。我市的水土保持方案编制中采用第二种情况进行水土流失计算的比较多，现摘选乐清市沙门岛大桥及接线工程水保方案中施工期水土流失预测表作为实例，仅供参考。
施工期水土流失量预测表
类 别
项 目
接线段一般路面
接线段软基路面
路基、路堤边坡
堆置
(m3)
－
－
－
F
(km2)
0.0184
0.0129
0.0265
P
(t/km2.a)
900
1500
5000
T
(年)
1.5
1.5
1.5
－
－
－
流弃比
水土流失量
(t)
24.87
28.94
198.74
施工场地 － 0.0254
－
－
0.0005
2000
－
－
800
－
1.5
1.5
1.5
1.5
－
－
0.3
1
－
－
76.2
8775.03
3294
0.6
12398.37
弃渣、耕植土 10833.37
泥浆、钻渣
拆迁安置区
合计
2440
－
13273.37 0.0837
注：土石方容重按1.8t/m3，泥浆、钻渣容重按0.9 t/m3计。
6 结语
(1)、水土流失预测方法推荐采用类比法，用同类地区已有的水土流失资料推算项目建设前后的水土流失量，比较简单、务实。
(2)、由于水土流失的实验观测资料我市比较缺乏，在现阶段，水土流失预测计算公式推荐采用公式(1-3)和公式(1-4)。
参考文献
1、曾大林，对水土保持方案编制有关问题的研究，《中国水土保持》2001.2。
2、周天佑，水土保持方案报告书中的一些技术问题。
3、王礼先，中国水利百科全书-水土保持分册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2004年。
4、焦居仁，开发建设项目水土保持[M]. 北京：中国法制出版社，1998年。
发布评论