中国土壤侵蚀相关模型研究进展

基于 USLE、GIS、RS 的流域土壤侵蚀研究进展摘要：本文系统地介绍了 ULSE 模型中各侵蚀因子及其相应的算法，总结了国内外研究中获取各因子的新方法，并简要介绍了土壤侵蚀分析研究的新模型及其进展。

当前 GIS 和 RS 作为新兴技术在土壤侵蚀分析研究中发挥了重要的作用，文章针对当前 GIS、RS 和 ULSE 在土壤侵蚀评价中的应用，指出了目前 GIS 和RS 在侵蚀研究中存在的问题，并提出了自己的观点和建议。

关键词：通用土壤流失方程( USLE)；土壤侵蚀; RS； GISThis paper systematically introduces ULSE erosion factors of each model and the corresponding algorithm, summed up the researches of a new method for each factor, and briefly describes the analytical study of soil erosion and its progress in the new model. Current GIS and RS as an emerging technology in the analysis of soil erosion has played an important role, articles for the current GIS, RS and ULSE soil erosion assessment in the application of GIS and RS are pointed out in the erosion problems, and put forward their views and suggestions.Keywords: Universal Soil Loss Equation (USLE)； soil erosion; RS；GIS 土壤是地球上生物赖以生存的基本要素之一，土地以及不同质量的土壤生产了超过90%的人类和牲畜所需要的食物。

土壤侵蚀预报模型的研究进展综述
杨晓;黎武;羊秀娟
【期刊名称】《安徽农学通报》
【年(卷),期】2017(023)013
【摘要】土壤侵蚀预报模型是由美国引进的,经过不断地消化与改进,现已成为我国进行水土流失计算与预测的重要工具.该文简单介绍了土壤侵蚀预报模型的发展历程、公式及其应用.
【总页数】3页(P72-74)
【作者】杨晓;黎武;羊秀娟
【作者单位】西华师范大学国土资源学院,四川南充 637009;西华师范大学国土资源学院,四川南充 637009;西华师范大学国土资源学院,四川南充 637009
【正文语种】中文
【中图分类】S159
【相关文献】
1.基于ABC-BP的土壤侵蚀量预报模型研究 [J], 王权威;唐莉
2.东北黑土区农田植被土壤侵蚀预报模型研究设计 [J], 严尔梅;欧阳力;焉岚
3.黄土高原土壤侵蚀预报模型研究进展 [J], 郑小路;霍艾迪;朱兴华;姜程
4.国外土壤侵蚀预报模型研究进展 [J], 李宏伟;郑钧潆;彭庆卫;田耀金
5.国内土壤侵蚀预报模型研究进展 [J], 牛俊文
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第37卷第3期2023年6月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .3J u n .,2023收稿日期:2022-10-20资助项目:水利部公益性行业专项(201201048,201201047);中国科学院西部行动计划项目(K Z C X 2-X B 3-13);国家自然科学基金项目(41701316) 第一作者:王文龙(1964 ),男,博士,博士生导师,研究员,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究㊂E -m a i l :w l w a n g @n w s u a f .e d u .c n 通信作者:王文龙(1964 ),男,博士,博士生导师,研究员,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究㊂E -m a i l :w l w a n g@n w s u a f .e d u .c n 生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建王文龙1,2,李建明2,3,康宏亮4,郭明明5,李宏伟6(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;2.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心,陕西杨凌712100;3.长江水利委员会长江科学院,武汉430010;4.长安大学土地工程学院,西安710054;5.中国科学院东北地理与农业生态研究所,哈尔滨150081;6.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,西安710000)摘要:为建立适用于我国不同区域生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型,在通用土壤侵蚀模型(u n i v e r s a l s o i l l o s s e q u a t i o n ,U S L E )框架下,室内概化模拟不同土壤质地㊁坡度坡长㊁砾石质量分数等工况下的工程堆积体,通过大量人工模拟降雨试验,修订模型各因子,构建工程堆积体土壤侵蚀量预测模型,并对其进行验证㊂研究明确工程堆积体标准小区及各因子定义及计算方法,提出采用土石质因子代替传统的土壤可蚀性因子以便更加符合工程堆积体实际,构建以幂函数计算的坡度㊁坡长因子,与砾石质量分数的指数函数计算的土石质因子和降雨侵蚀力因子相乘的工程堆积体侵蚀量预测模型㊂经率定与验证,模型预测效果良好(R 2>0.8),且能适用于不同区域及工况下工程堆积体边坡土壤流失量预测,该模型参数少且易获取并具有物理意义,现场操作性和实用性强㊂研究成果为生产建设项目水土保持工作及水行政主管部门的监督执法提供技术指导及科学依据,具有较大的科学意义与指导生产实践价值㊂关键词:工程堆积体;预测模型;土石质因子;参数修订;生产建设项目中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)03-0027-08D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.03.004S o i l E r o s i o nP r e d i c t i o n M o d e l f o r S p o i lH e a ps i n P r o d u c t i o na n dC o n s t r u c t i o nP r o je c t s WA N G W e n l o n g 1,2,L I J i a n m i n g 2,3,K A N G H o n g l i a n g 4,G U O M i n g m i n g 5,L IH o n gw e i 6(1.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f S o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n g o n t h eL o e s sP l a t e a u ,I n s t i t u t e o f So i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,N o r t h w e s tA&F U n i v e r s i t y ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f So i l E r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n g o n t h eL o e s sP l a t e a u ,I n s t i t u t e o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s a n d M i n i s t r y o f W a t e rR e s o u r c e s ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100;3.C h a n g j i a n g R i v e rS c i e n t i f i cR e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h a n g j i a n g W a t e rR e s o u r c e sC o mm i s s i o n ,W u h a n 430010;4.S c h o o l o f L a n dE n g i n e e r i n g ,C h a n g a n U n i v e r s i t y ,X i a n 710054;5.N o r t h e a s t I n s t i t u t e o f G e o g r a p h y a n dA g r o e c o l o g y ,C h i n e s eA c a d e m y o f Sc i e n c e s ,H a r b i n 150081;6.H a n j i a n g -t o -W e i h eR i v e rV a l l e y W a t e rD i v e r s i o nP r o je c tC o n s t r u c t i o nC o .L t d .,X i a n 710000)A b s t r a c t :T h e s t u d y a i m s t oe s t a b l i s has o i l l o s s p r e d i c t i o n m o d e l i ns p o i lh e a p sof p r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o n p r o j e c t s f o r d i f f e r e n t r eg i o n s i no u r c o u n t r y.As e r i e s o f i n d o o r s a r t i f i c i a l s i m u l a t e d r a i n f a l l t e s t sw e r e c a r r i e d o u t o n t h e s p o i l h e a p sw i t hd i f f e r e n t s o i l t e x t u r e ,s l o p e l e n gt ha n d g r a v e l c o n t e n t .T h es o i l l o s s p r e d i c t i o n m o d e l o f s p o i lh e a p sw a se s t a b l i s h e d i nt h e f r a m e w o r ko fU n i v e r s a lS o i lL o s sE qu a t i o n (U S L E ),a n dt h e f a c t o r p a r a m e t e r sw e r e r e v i s e d .T h e s t u d y c l a r i f i e d t h e d e f i n i t i o n o f t h e s t a n d a r d p l o t o f t h e e n g i n e e r i n g s p o i l h e a p s a n dt h e m e t h o d st oc a l c u l a t ee a c hf a c t o ra n d p r o p o s e st o u s et h es o i l -r o c kf a c t o rt or e p l a c et h e t r a d i t i o n a l l y u s e d e r o d i b i l i t y f a c t o r ,a s t ob em o r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o n .T h e r e s u l t ss h o w e d t h a t t h e p o w e r f u n c t i o n i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e s p o i l h e a p s s l o p e d e g r e e a n d s l o p e l e n g t h f a c t o r ,a n d t h e s o i l a n d r o c k f a c t o r i s c a l c u l a t e db y t h e e x p o n e n t i a l f u n c t i o nc o m b i n e dw i t h t h e g r a v e lm a s s f r a c t i o n ,w h i c hc a n e f f e c t i v e l yp r e d i c t t h e r a i n f a l l e v e n t s e r o s i o no f t h e s p o i l h e a ps .T h e c a l c u l a t i o nm e t h o do f t h em o d e lw a s t o m u l t i p l y r a i n f a l le r o s i v i t y ,s l o p ed e g r e e ,s l o p e l e n gt ha n ds o i la n dr o c kf a c t o r .T h ec a l i b r a t i o na n dv e r i f i c a t i o n Copyright ©博看网. All Rights Reserved.s h o w e d t h em o d e l p r e d i c t i o ne f f e c t i s g o o d,w h i c hc a nb e a p p l i e d t od i f f e r e n t s o i l t y p e so f e n g i n e e r i n g s p o i l h e a p s.T h e p a r a m e t e r so f e a c hf a c t o ro f t h e m o d e lw e r ee a s y t oo b t a i na n dh a d p h y s i c a lm e a n i n g,a n dt h e f i e l d o p e r a b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y w e r e s t r o n g.R e s u l t s p r o v i d e t e c h n i c a l g u i d a n c e a n d s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e s o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o nw o r ko f p r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o n p r o j e c t sa n dt h es u p e r v i s i o na n dl a w e n f o r c e m e n to f w a t e r a d m i n i s t r a t i v e d e p a r t m e n t s,a n dh a v e g r e a t s c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c e a n d p r o d u c t i o n a p p l i c a t i o n a n d g u i d i n g v a l u e. K e y w o r d s:s p o i l h e a p s;p r e d i c t i v em o d e l;s o i l a n d g r a v e l f a c t o r;f a c t o r r e v i s i o n;p r o d u c t i o n a n d c o n s t r u c t i o n p r o j e c t s由美国农业部主导研发的经验性模型通用土壤流失方程[1](u n i v e r s a l s o i l l o s s e q u a t i o n,U S L E),主要用于农地或草地坡面多年平均土壤流失量的预测预报,于1965年正式对外发表,该机构于1978年开始对该模型进行修订,修订后的模型修正通用土壤流失方程(r e v i s e d u n i v e r s a l s o i l l o s s e q u a t i o n,R U S L E)于1997年得到正式发表,模型在美国乃至世界范围内得到广泛应用㊂U S L E及R U S L E对我国土壤侵蚀预测模型的研究具有积极促进作用㊂国内刘宝元等[2]㊁江忠善等[3]和蔡强国等[4]为代表的不少学者以U S L E为模板,通过参数修正等方法尝试构建地方或区域的土壤侵蚀预测模型㊂另外根据地域差异,先后提出东北漫岗丘陵[5]㊁黄土高原[6]㊁南方红壤区[7]㊁滇东北山区[8]㊁长江三峡库区[9]和华南地区[10]等区域土壤侵蚀预测模型,取得系列成果㊂目前,多数土壤侵蚀预测模型主要针对的是传统农耕地或荒地,对模型是否适用于人为扰动强烈的生产建设项目土壤侵蚀量预测仍未形成共识㊂现阶段,生产建设项目土壤侵蚀已成为新增水土流失的主要来源之一[11]㊂在欧洲等发达国家,较早开始关注由生产建设项目导致的侵蚀问题,重点集中在采矿废弃地的土地复垦及植被修复㊁公路铁路及水利工程等侵蚀边坡防治及恢复等方面[12]㊂我国针对工程建设造成的侵蚀问题引发关注主要从20世纪50年代开始,至80年代得到较大发展,其中,以采矿活动造成的水土流失问题为代表,重点开展矿区废弃地的土地复垦方面研究,至90年代,为有效控制建设项目导致的侵蚀和土地退化问题,专门组织研讨会探索对应防治策略[13]㊂在该阶段,中华人民共和国水土保持法的颁布,为生产建设项目水土保持工作提供法律依据和技术支撑㊂随着生产建设项目土壤侵蚀与水土保持研究的持续深入,如何准确预测生产建设项目造成的水土流失成为关键㊂将U S L E㊁R U S L E 等[14]模型应用于煤矿开发过程中土壤侵蚀量预测方面取得系列成果㊂在我国,针对生产建设项目新增水土流失量的研究主要通过自然观测㊁模拟降雨及冲刷试验等,蔺明华等[15]基于大量的模拟试验和观测结果,提出数学模型法㊁新增土壤侵蚀系数法和水土流失系数法可用于工程建设侵蚀量的预测;苏彩秀等[16]着重指出,相较于U S L E模型,R U S L E模型辅以G I S技术更加适用于工况复杂的工程建设项目侵蚀量预测工作,该方面研究也将是今后研究者重点关注及行业发展趋势;黄翌等[17]以R U S L E结合数字地形分析㊁遥感影像融合等技术,阐明黄土高原山地煤矿开采导致地表平均坡度和坡长在10年内呈减少趋势,进而导致侵蚀量减少㊂目前,工程建设区导致的土壤侵蚀预测模型的构建主要是以U S L E或R U-S L E为理论基础及框架,但由于大部分的研究对象较单一,用于构建模型的基础数据有限,约束模型适用性及推广性㊂综上可见,对于生产建设项目土壤侵蚀规律已引起较多关注,并取得一定进展,对工程堆积体侵蚀机理的认识也在进一步加深㊂目前,对生产建设项目土壤侵蚀预测模型尚未形成统一的标准,且缺乏从大区域尺度的概化模型,导致生产建设项目土壤侵蚀预测无法有效指导生产实践中各项水土保持措施的设计及效益发挥,进一步使得水土保持方案中土壤侵蚀量预测缺乏必要的科学依据,严重滞后于生产实际的需要㊂该研究基于前期大量野外调查,室内概化堆积体,通过对影响生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀主要因子分别进行修订,最终提出一个适用于不同土质类型及工况条件下工程堆积体的土壤侵蚀预测模型㊂为生产建设项目水土保持方案编制㊁水行政主管部门监督执法提供科学依据,进一步完善我国土壤侵蚀模型研究的涵盖范围,具有重要的科学意义与生产应用价值㊂1材料与方法1.1模型概化及因子定义1.1.1基本形式 U S L E模型表达为:A=R㊃K㊃L S㊃C㊃P(1)式中:A为任一坡耕地在特定的降雨㊁作物管理制度及所采用的水土保持措施下,单位面积年平均土壤流失量[t/(h m2㊃a)];R为降雨侵蚀力因子[(M J㊃m m)/ (h m2㊃h㊃a)],是单位降雨侵蚀指标,如果融雪径流显著,需要增加融雪因子;K为土壤可蚀性因子[(t㊃h m2㊃h)/(h m2㊃M J㊃mm)],标准小区上单位82水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.降雨侵蚀指标的土壤流失量;L为坡长因子(无量纲),等于其他条件相同时实际坡长与22.13m相比土壤流失量比值;S为坡度因子(无量纲),等于其他条件相同时,实际坡度与9%坡度相比土壤流失量比值;C为作物覆盖和管理因子(无量纲),等于其他条件相同时,特定植被和经营管理地块上的土壤流失与标准小区土壤流失量之比;P为水保措施因子(无量纲),等于其他条件相同时,实行等高耕作,等高带状种植或修地埂㊁梯田等水土保持措施后的土壤流失与标准小区上土壤流失量之比㊂在综合已有研究[18]基础上,以U S L E为蓝本,建立生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型㊂由于工程堆积体在堆弃短期内没有作物覆盖和管理,缺少水土保持措施,因此,模型中的C与P均取值为1;另一方面,由于工程堆积体由人工堆填形成,物质组成复杂,与传统的坡面有较大区别,其中砾石掺杂是主要方面, U S L E中可蚀性指土壤的可蚀性,对生产建设项目并不适用㊂因此,将表征堆积物质对侵蚀的敏感程度称为土石质因子(T)㊂最终确定生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型基本形式,计算公式为:A=R㊃T㊃L S(2)式中:A为土壤流失量(t/h m2);R为降雨侵蚀力因子[(M J㊃m m)/(h m2㊃h)];T为土石质因子[(t㊃h m2㊃h)/(h m2㊃M J㊃m m)];L S为坡长坡度因子(无量纲)㊂1.1.2工程堆积体标准小区及因子定义 U S L E的建立是基于农耕地标准小区而定,坡度为9%,坡长(均指投影坡长,特别提及的斜坡长指实际坡度下量测得到的坡面长度)为22.13m,由于我国地域辽阔,不同地区间地形地貌差异大,与U S L E有较大差异㊂基于前期对我国6大水蚀类型区共计368座工程堆积体各项参数的实地调查[19],经统计分析,堆积体大部分是土石混合介质,其坡度的平均值为33.5ʎ,斜坡长平均值为4.99m㊂由于统计得到的坡度均值甚至超过自然休止角,对堆积体稳定性产生影响;同时,考虑室内试验装置的可操作性及安全性,结合野外工程堆积体实际情况,确定工程堆积体标准小区的坡度为25ʎ,坡长为4.53m(25ʎ条件下斜坡长为5m)㊂基于前期研究,重新明确生产建设项目工程堆积体标准小区和各因子定义㊂(1)生产建设项目工程堆积体标准小区㊂坡度为25ʎ,坡长为4.53m,在人力及机械等外力作用下形成的裸露松散土石混合介质坡面㊂(2)坡度因子(S)㊂借鉴U S L E中坡度因子的计算方法,坡度因子指在工程堆积体标准小区条件下[即降雨侵蚀力因子(R)㊁土石质因子(T)和坡长因子(L)相同],实际坡度条件下产生的流失量与坡度为25ʎ的工程堆积体产生的侵蚀量之比㊂(3)坡长因子(L)㊂借鉴U S L E中坡长因子的计算方法,坡长因子指在工程堆积体标准小区条件下[即降雨侵蚀力因子(R)㊁土石质因子(T)和坡度因子(S)相同],实际坡长条件下产生的流失量与坡长为4.53m的工程堆积体产生的侵蚀量之比㊂(4)土石质因子(T)㊂为在标准小区试验条件下(坡度为25ʎ,坡长为4.53m),单位降雨侵蚀力产生的堆积体侵蚀量,通过计算侵蚀量(A)与侵蚀影响因子乘积(R L S)之比得到㊂通过计算不同砾石质量分数(砾石质量与土石混合介质总质量之比)下的T可以得到T与砾石质量分数的定量关系㊂(5)降雨侵蚀力因子(R)㊂R定义与U S L E保持一致,指由降雨导致的侵蚀下垫面发生侵蚀的潜力,该因子主要与降雨时长㊁降雨强度及降雨量相关[18]㊂1.2试验设计与标准化处理1.2.1试验设计模拟降雨试验设计4个坡度(15ʎ, 25ʎ,30ʎ和35ʎ),斜坡长设置为3,5,6.5,12m(在25ʎ条件下的投影坡长分别为2.72,4.53,5.89,10.88m)㊂基于野外大量的调查[11]统计表明,堆积体坡面以土石混合介质为主,且砾石质量分数集中在0~40%的占比超过90%,砾石粒径分布范围集中在10~36m m,单个砾石的粒径只有在D>10m m才呈现出明显的重力分选现象,且堆积体土石混合介质中的砾石并非是单一粒径组成,而是由多粒径组合而成㊂因此,试验砾石为机械碎石分选获取,以砾石能被搬运作为依据,确定粒径D<50mm作为试验砾石,并将堆积体中的粒径划分为D<14mm,14mm<D<25mm,25mm< D<50m m3级,不同粒径的质量百分比为3ʒ5ʒ2,混合后的砾石与土壤充分混合形成堆积体土石混合介质㊂试验用土采用砂土㊁壤土㊁黏土3种类型,与配置好的砾石按照不同质量配比配置㊂试验在中国科学院水利部水土保持研究所模拟降雨大厅完成,该实验室降雨装置的雨滴降落高度为16m,能够有效模拟自然降雨的终点速度,降雨装置的降雨强度可调节范围为30~350mm/h,均匀度>90%㊂试验钢槽为自行研发并生产的可移动液压式变坡钢槽,尺寸包括为5.0mˑ1.0mˑ0.5m, 6.5mˑ1.5mˑ0.5m和12.0mˑ3.0mˑ0.5m,试验槽坡度调整范围为0~36ʎ[11]㊂试验所用砂土取自陕西榆林靖边县,具有土壤颗粒质地轻㊁粉砂粒含量多等特点;壤土在试验地(陕西杨凌)获取,土壤质地黏重;黏土取自江西省南昌市新建县,归属于红壤类别㊂堆积体是将经过筛分后的土壤与不同粒径混合砾石在装槽前均匀混合,土壤与砾石按照不同质量配比配置,分别设置0(纯土体),10%,92第3期王文龙等:生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建Copyright©博看网. All Rights Reserved.20%,30%㊂仅壤土做大砾石质量分数下(40%,50%)的降雨试验㊂为使不同土壤质地工程堆积体具有可比性,先对试验土壤进行6m m粒径筛分,使其处于相同水平,处理好的土壤与砾石通过人工多次搅拌均匀用于装填㊂装填深度为40c m,为模拟自然堆积体自然排水,底部首先装填10c m细砂㊂装填土石混合介质共计30c m,分3层,每层10c m,各层按照设计容重进行压实并打毛,最表层不压实仅进行刮平,模拟堆积体表层松散特性㊂试验槽装填完成后放置24h令其自然沉降,各层之间充分融合,随后用于模拟试验㊂各工况下分别进行不同降雨强度的模拟试验,降雨强度分别设置为60,90,120,150mm/h㊂模拟降雨产流历时均设置为45m i n㊂1.2.2数据标准化处理接取不同降雨强度及不同工况下工程堆积体产沙,测定次降雨产沙量㊂为使各组试验数据能够有效进行叠加及对比分析,各场次降雨试验计算的侵蚀量均换算为单位投影面积上的侵蚀量㊂2结果与分析已有研究[20]表明,U S L E适用于多年平均土壤流失量的预测,对单次降雨的侵蚀预测不适用㊂为此,采用多场次的结果叠加后再计算㊂将4种不同降雨强度条件下产生的土壤流失量之和用于建立模型,并进一步对模型中各因子分别进行修订㊂2.1坡长因子(L)修订根据定义,生产建设项目工程堆积体坡长因子修订采用2.72,4.53,5.89,10.88m4种坡长试验数据,壤土试验槽宽度为1.5m㊂其中2.72,5.89,10.88m均采用壤土试验数据,而坡长4.53m(标准小区坡长)采用砂土㊁壤土和黏土3种平均值作为计算值,砂土和黏土试验槽宽度为1.0m㊂降雨强度包括60,90,120,150mm/h4种类型㊂为避免重复考虑砾石影响,进行坡长和坡度因子修订时砾石质量分数为0㊂计算不同坡长下(2.72,4.53,5.89,10.88m)4次降雨的总侵蚀量与相同条件下标准小区坡长(4.53m)的总侵蚀量之比,即可得到坡长因子(L)值㊂由表1可知,4种坡长因子(L)值分别为0.63,1.00,1.11,1.38㊂拟合坡长因子(L)与实际坡长与标准小区坡长比值(λ/4.53)即为坡长因子(L)计算式㊂该研究提出的坡长因子L计算采用幂函数,得出幂函数指数为0.552㊂L=0.909(λ/4.53)0.552,R2=0.928,p=0.037(3)已有研究[21]表明,影响坡面侵蚀的地形中坡长是主要因子之一,该因子对坡面侵蚀及输沙发生发展过程具有显著影响,作用原理体现在改变侵蚀下垫面的径流特性(包括流速㊁流量)进而改变径流挟沙力,最终改变土壤侵蚀强度㊂针对其计算方法, F o s t e r等[22]研究提出,可以将不同坡长进行分段处理,各坡段的坡长因子均是其上游不同分段的因子累计;汤国安等[23]研究进一步明确侵蚀模型中的坡长因子定义,是地面上一点沿水流方向到其流向起点的最大地面距离在水平面的投影长度;胡刚等[24]研究黑土区地形因子算法表明,坡长指数采用与坡度相关的变值更加合理㊂以往研究[18]主要是针对缓坡坡耕地㊁撂荒地等,针对生产建设项目坡长因子的修订目前研究较少㊂表1工程堆积体坡长因子修订计算资料降雨强度/(mm㊃h-1)坡长/m单位面积侵蚀量/(k g㊃m-2)相同坡长侵蚀量之和/(k g㊃m-2)坡长因子(L) 602.720.9323.290.63902.721.691202.727.921502.7212.75604.530.67904.531.861204.534.791504.5314.03604.530.51904.5312.4036.921.001204.5320.381504.5337.63604.530.55904.532.331204.535.961504.539.64605.890.9240.871.11905.893.081205.8918.001505.8918.876010.883.0051.081.389010.884.5312010.8819.4115010.8824.152.2坡度因子(S)修订根据定义,坡度因子修订采用15ʎ,25ʎ,30ʎ,35ʎ的4个坡度试验数据,均采用壤土堆积体试验数据,试验槽宽度均为1.0m㊂降雨强度包括60,90,120, 150mm/h4种㊂计算不同坡度下(15ʎ,25ʎ,30ʎ,35ʎ)4次降雨的总侵蚀量与相同条件下标准小区(25ʎ)的总侵蚀量之比,即为模型中坡度因子(S)值㊂由表2可知,4种坡度因子(S)分别为0.63,1.00,0.92,1.51㊂坡度因子值的计算是拟合坡度因子(S)与实际坡度与标准小区坡度比值(θ/25ʎ)得到㊂该研究提出的坡度因子03水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.(S )计算采用幂函数,其指数为0.883㊂S =0.966(θ/25ʎ)0.883,R 2=0.823,p =0.093(4)表2 工程堆积体坡度因子修订计算资料降雨强度/(mm ㊃h -1)坡度/(ʎ)单位面积侵蚀量/(k g ㊃m -2)相同坡长侵蚀量之和/(k g ㊃m -2)坡度因子(S )60150.329.440.6390150.37120152.16150156.5960250.4314.941.0090251.60120254.64150258.2760300.3713.680.9290300.47120303.01150309.8360350.6322.631.5190350.67120357.901503513.43坡度是影响坡面侵蚀地形因子的另一个主要特征,国内外学者们针对土壤侵蚀模型坡度因子也展开相关的研究㊂20世纪40年代,Z i n g g[25]通过对土壤侵蚀速率和地形因子的研究,用实证分析方法建立其相互间定量关系㊂在R U S L E 中坡度因子计算采用坡度的正弦值[26]㊂江忠善等[27]基于坡面水蚀模型研究成果提出,我国坡度因子指数值变化为1.2~1.6,主要集中在1.30~1.45㊂吴普特等[28]研究提出,坡面侵蚀量与坡度因子之间存在临界值,而非简单的线性关系,但由于研究目标及方法等不同导致临界坡度的数值有差异㊂2.3 土石质因子(T )修订生产建设项目工程堆积体相较于传统的坡面侵蚀在侵蚀下垫面物质组成上存在较大差异,不仅是包括传统土壤,更多的是混合不同含量以及粒径的砾石㊂由于土壤质地理化性质不同,尤其在砾石混合后,土壤与砾石之间的相互作用发生改变㊂该研究将工程堆积体中的土壤质地概化为砂土㊁壤土和黏土3种类型㊂修订土石质因子(T )时,坡度和坡长因子均在标准小区条件下开展(坡度25ʎ,坡长4.53m ),降雨强度采用60,90,120,150mm /h4种,砾石质量分数为0,10%,20%,30%4种㊂根据定义,工程堆积体土石质因子(T )为标准小区上单位降雨侵蚀力堆积体产生的侵蚀量㊂因此,利用土壤侵蚀量(A )与侵蚀影响因子的乘积(B =R L S )间的正比关系来推求,为符合U S L E 的适用条件,将多场降雨数据作为计算资料㊂研究将A 与B的拟合关系式斜率作为土石质因子(T )值㊂在计算土石质因子(T )值时,需要确定降雨侵蚀力(R )和坡度坡长因子(L S )㊂(1)降雨侵蚀力(R )㊂采用已有研究[18]计算方法计算,具体为公式(5)~公式(7)㊂R =E I 30(5)E =ðe p(6)e =0.119+0.0873l g I (I ɤ76mm /h )0.283 (I >76mm /h){(7)式中:R 为降雨侵蚀力[(M J ㊃mm )/(h m 2㊃h )];E 为降雨动能(M J /h m 2);I 30为一次降雨30m i n 最大降雨强度(mm /h );e 为单场降雨某一时段的降雨动能[M J /(h m 2㊃m m )];P 为对应时段的降雨量(m m );I 为对应时段的降雨强度(mm /h)㊂(2)地形因子(L S )计算㊂根据公式(3)和公式(4)计算可得25ʎ的坡度因子S =0.966,坡长4.53m 的坡长因子L =0.909,最终可计算得L S =0.878㊂2.3.1 砂土土石质因子(T ) 在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下,获取砂土工程堆积体在砾石质量分数0~30%下的侵蚀量(A )与侵蚀影响因子(B ),进而计算土石质因子(T ),结果见表3㊂拟合砂土工程堆积体4种不同砾石质量分数条件下侵蚀量(A )与侵蚀影响因子(B =R L S)之间的关系,即为砂土土石质因子(T )值,结果见图1㊂由图1可知,砂土工程堆积体在砾石质量分数为0(纯土体),10%,20%,30%时的土石质因子(T )分别为0.0728,0.0520,0.0353,0.0300[(t ㊃h m 2㊃h )/(h m 2㊃M J ㊃mm )]㊂含砾石堆积体的土石质因子均小于纯土堆积体,且随着砾石质量分数增大土石质因子(T )减小,递减幅度为28.57%~58.79%㊂为计算任意砾石质量分数的砂土堆积体土石质因子(T )值,建立土石质因子(T )与砾石质量分数(D i )之间关系㊂T =0.071e -3.047D i,R 2=0.976,p =0.012(8)式中:砾石质量分数(D i )取小数,取值范围为0ɤD i <1.0,当D i =1.0时代表下垫面全为石子,不会被侵蚀,在该研究中不考虑该极端情况㊂2.3.2 壤土土石质因子(T ) 在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下,获取壤土工程堆积体在砾石质量分数0~30%下的侵蚀量(A )与侵蚀影响因子(B ),结果见表4㊂计算壤土在4种砾石质量分数条件下的侵蚀量(A )与侵蚀影响因子(B =R L S )之间关系,即为不同砾石质量分数下壤土土石质因子(T ),结果见图2㊂13第3期 王文龙等:生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表3砂土堆积体土石质因子(T)计算砾石质量分数/%降雨强度/(mm㊃h-1)降雨侵蚀力(R)/(107㊃M J㊃mm㊃h m-2㊃h-1)地形因子(L S)侵蚀量(A)/(106㊃t㊃h m-2)侵蚀影响因子(R L S)/(107㊃M J㊃mm㊃h m-2㊃h-1)土石质因子(T)/(t㊃h m2㊃h㊃h m-2㊃M J-1㊃mm-1)0600.920.8780.050.800.0063 90 2.170.878 1.24 1.910.0650 120 3.490.878 2.04 3.060.0665 150 5.460.878 3.76 4.790.07851060 1.220.8780.39 1.070.0362 90 2.460.8780.48 2.160.0223 120 3.980.878 1.56 3.490.0447 150 5.120.878 2.89 4.500.06422060 1.000.8780.300.880.0334 90 2.510.8780.42 2.200.0193 120 3.270.878 1.35 2.870.0470 150 5.080.878 1.54 4.460.034530600.900.8780.240.800.0306 90 1.880.8780.64 1.650.0384 120 3.270.8780.74 2.870.0256 150 5.310.878 1.43 4.670.0306图1砂土不同砾石质量分数侵蚀量(A)与侵蚀影响因子(B=R L S)拟合关系由图2可知,壤土工程堆积体在砾石质量分数为0(纯土体),10%,20%和30%时的土石质因子(T)分别为0.0259,0.0166,0.0141,0.0091[(t㊃h m2㊃h)/ (h m2㊃M J㊃m m)]㊂与砂土堆积体分析结果一致,含砾石堆积体的土石质因子均小于纯土堆积体,随着砾石质量分数增大土石质因子(T)减少35.91%~64.86%㊂建立不同砾石质量分数下的壤土堆积体土石质因子(T)值与砾石质量分数(D i)之间的定量关系,可以计算得到任意砾石质量分数下的土石质因子(T)值㊂T=0.025e-3.301D i,R2=0.972,p=0.014(9) 2.3.3黏土土石质因子(T)相对于砂土和壤土,黏土具有颗粒粗㊁黏性强且易黏结等特性,使得径流在坡面入渗减少,加速径流产生并导致侵蚀发生提前㊂在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下,获取黏土工程堆积体在砾石质量分数0~30%下的侵蚀量与侵蚀影响因子(表5)㊂表4壤土堆积体土石质因子(T)计算砾石质量分数/%降雨强度/(mm㊃h-1)降雨侵蚀力(R)/(107㊃M J㊃mm㊃h m-2㊃h-1)地形因子(L S)侵蚀量(A)/(106㊃t㊃h m-2)侵蚀影响因子(R L S)/(107㊃M J㊃mm㊃h m-2㊃h-1)土石质因子(T)/(t㊃h m2㊃h㊃h m-2㊃M J-1㊃mm-1)0600.840.8780.070.740.0091 90 1.860.8780.19 1.630.0114 120 3.230.8780.48 2.830.0169 150 4.960.878 1.40 4.360.032210600.850.8780.050.740.0070 90 1.800.8780.17 1.580.0108 120 3.220.8780.45 2.830.0159 150 4.940.8780.78 4.340.018020600.810.8780.040.710.0057 90 1.850.8780.11 1.620.0065 120 3.210.8780.39 2.820.0139 150 4.970.8780.67 4.360.015430600.830.8780.040.730.0053 90 1.880.8780.06 1.650.0038 120 3.240.8780.24 2.850.0084 150 5.010.8780.45 4.400.010223水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 壤土不同砾石质量分数侵蚀量(A )与侵蚀影响 因子(B =R L S)拟合关系 拟合黏土工程堆积体4种不同砾石质量分数条件下侵蚀量(A )与侵蚀影响因子(B =R L S )之间关系,即为黏土土石质因子(T )值(图3)㊂由图3可知,黏土工程堆积体在砾石质量分数为0(纯土体),10%,20%,30%时的土石质因子(T )分别为0.0201,0.0172,0.0129,0.0096[(t ㊃h m2㊃h )/(h m 2㊃M J ㊃mm )]㊂黏土堆积体随砾石质量分数增大,土石质因子(T )减少14.43%~52.24%㊂为计算得到任意砾石质量分数下的黏土土石质因子(T )值,构建土石质因子(T )与砾石质量分数(D i )的定量关系㊂T =0.021e -2.505D i,R 2=0.982,p =0.009(10)表5黏土堆积体土石质因子(T )计算砾石质量分数/%降雨强度/(mm ㊃h -1)降雨侵蚀力(R )/(107㊃M J ㊃mm ㊃h m -2㊃h -1)地形因子(L S )侵蚀量(A )/(105㊃t ㊃h m -2)侵蚀影响因子(R L S )/(107㊃M J ㊃mm ㊃h m -2㊃h -1)土石质因子(T )/(t ㊃h m 2㊃h ㊃h m -2㊃M J -1㊃mm -1)600.950.8780.550.840.0066901.970.8782.33 1.730.01351203.320.878 5.96 2.910.0205150 5.130.8789.644.500.021410600.090.8780.800.080.0103901.950.878 1.54 1.710.0090120 3.280.878 5.072.890.0176150 5.120.8788.29 4.500.018420600.910.8780.800.800.0100901.870.8782.01 1.650.01221203.330.878 3.24 2.920.0111150 5.180.878 6.304.550.013930600.900.8780.690.790.0087901.920.8782.20 1.690.01301203.290.878 3.22 2.890.01111505.010.878 3.744.400.0085图3 黏土不同砾石质量分数侵蚀量(A )与侵蚀影响 因子(B =R L S )关系2.4 模型框架通过上述分析,确定生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀量预测模型,见公式(11)㊂A =0.283P I 30㊃(a e -b D i )㊃0.909(λ/4.53)0.552㊃0.966(θ/25)0.883(I >76mm /h )(0.119+0.0873l g I )P I 30㊃(a e -b D i )㊃0.909(λ/4.53)0.552㊃0.966(θ/25)0.883(I ɤ76mm /h ){(11)式中:砂土的a =0.071,b =3.047;壤土的a =0.025,b =3.301;黏土的a =0.021,b =2.505;D i 为砾石质量分数(%),0ɤD i <1.0;θ为实际坡度(ʎ);λ为实际坡长(m ),计算时需要换算为投影坡长㊂2.5 模型验证该试验在建立模型过程中壤土采用的降雨试验是完全组合,同时,砂土和黏土完成坡度㊁坡长㊁砾石质量分数的正交试验㊂剔除用于模型建立的试验数据,将砂土㊁壤土和黏土的其他降雨场次获得的实际侵蚀量数据与模型拟合的预测值进行对比,其中,砂土和黏土堆积体分别采用16组降雨数据,壤土堆积体砾石质量分数在0~30%的72场降雨数据,以及壤土堆积体在砾石质量分数40%~50%的8场降雨数据㊂4种条件下,拟合侵蚀量实测值与预测值㊂拟合结果(图4)表明,模型对砂土和黏土堆积体侵蚀量预测值均高于实测值,而对壤土堆积体预测值低于实测值㊂对砂土㊁黏土㊁壤土㊁壤土砾石质量分数40%,33第3期 王文龙等:生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建Copyright ©博看网. 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中国西南喀斯特山区土壤侵蚀研究进展蔡雄飞;王济;雷丽;曾希柏;李阳兵【期刊名称】《贵州农业科学》【年(卷),期】2008(036)003【摘要】简述了国外近10余年来土壤侵蚀的研究动态以及我国土壤侵蚀预报模型的发展.将20世纪90年代以来国内对西南喀斯特地区土壤侵蚀的研究归纳为5个方面:土壤侵蚀现状、特征以及分级研究;土壤侵蚀成因、对策措施的研究;土壤贫瘠化治理的研究;基于侵蚀线、谷坝等监测方法的侵蚀量研究;计算机模拟研究.对研究进展进行介绍和评述,提出我国西南喀斯特山区土壤侵蚀研究的关键问题,并展望其发展趋势,为深入展开中国西南喀斯特山区土壤侵蚀研究提供参考.【总页数】5页(P81-85)【作者】蔡雄飞;王济;雷丽;曾希柏;李阳兵【作者单位】贵州师范大学地理与生物科学学院,贵州,贵阳,550001;贵州师范大学地理与生物科学学院,贵州,贵阳,550001;中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京,100081;贵州师范大学地理与生物科学学院,贵州,贵阳,550001;中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京,100081;贵州师范大学地理与生物科学学院,贵州,贵阳,550001【正文语种】中文【中图分类】S157【相关文献】1.不同裸岩率下我国西南喀斯特山区土壤侵蚀的室内模拟 [J], 王济;蔡雄飞;雷丽;张浩2.中国西南喀斯特山区生态需水概述 [J], 苏维词3.中国西南喀斯特山区国土空间利用变化的人文驱动框架构建 [J], 万将军;邓伟;张继飞;宋雪茜4.中国西南喀斯特山区石漠化治理与区域可持续发展 [J], 黄秋昊; 蔡运龙; 邢小士5.不同雨强对我国西南喀斯特山区土壤侵蚀影响的模拟研究 [J], 蔡雄飞;王济;雷丽;郝萌萌;余跃因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

土壤风蚀可蚀性研究进展土壤风蚀是指风力对土壤表面颗粒的扬起和移动作用。

土壤风蚀是一种自然界常见的地表侵蚀过程，具有广泛的地理分布和极大的环境影响。

随着全球气候变化的加剧和人类活动的扩张，土壤风蚀问题日益凸显，对土地资源和生态环境的破坏日益加剧。

因此，土壤风蚀的可蚀性研究对于合理利用土地资源，保护生态环境具有重要意义。

土壤风蚀的可蚀性研究从传统的灌溉与排灌工程、土壤物理学研究方法逐渐发展到综合分析模型、遥感技术和数值模拟研究等多领域交叉应用的研究方法。

可蚀性的研究主要包括了土壤侵蚀类型、土壤可蚀性指标、土壤保持措施和土壤侵蚀模型等方面。

首先，土壤侵蚀类型是可蚀性研究的基础。

根据土壤移动的形式和特点，土壤侵蚀可以分为风蚀、水蚀和冻蚀等几种类型。

风蚀是其中的一种重要类型，是指风力对土壤表面颗粒的扬起和移动作用。

了解不同类型的土壤侵蚀对于制定相应的土壤保持措施和进行可蚀性评价具有重要意义。

其次，土壤可蚀性指标是研究可蚀性的重要内容之一、土壤可蚀性指标是根据土壤的物理性质和环境条件量化评价土壤抗风蚀能力的指标体系。

主要包括了土壤颗粒分析、土壤质地、孔隙度、含沙量、风蚀易损性指数等。

通过对这些指标的研究，可以定量评估土壤的抗风蚀能力，并制定相应的土壤保持措施。

再次，土壤保持措施是可蚀性研究的重要内容之一、针对不同地区和土地利用类型，不同的土壤保持措施应运而生。

例如，在农业地区，可以采用合理的耕作措施、植被恢复和建立防风林等来防治土壤风蚀。

在工业区和城市区域，可以采用封闭措施、遮挡措施和确保坡面覆盖等措施来防治土壤风蚀。

通过对土壤保持措施的研究，可以减少土壤风蚀的发生和影响，保护土地资源和生态环境。

最后，土壤侵蚀模型是可蚀性研究的新的发展方向。

传统的土壤侵蚀模型主要是基于实验数据和经验公式，具有一定的局限性。

而近年来，随着计算机技术和遥感技术的迅速发展，基于物理学原理的数值模拟模型在土壤侵蚀研究中得到了广泛应用。

SWAT模型研究进展SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）是一种用于流域水文模拟和水资源管理的集成模型。

它综合考虑了土壤水分平衡、表面径流、地下径流、蒸散发等关键过程，可用于分析流域内的水文过程、土壤侵蚀、水质等问题。

近年来，SWAT模型在流域尺度水文模拟和水资源管理方面取得了很大的研究进展。

本文将对SWAT模型的研究进展进行综述。

关于SWAT模型的改进和优化方面，研究人员进行了大量的努力。

针对模型在土壤侵蚀方面的不足，研究者提出了改进模型中土壤侵蚀算法的方法，同时改进了对坡面过程的描述，提高了模型对土壤侵蚀的模拟能力。

模型在蒸散发过程的模拟方面也进行了不少研究。

研究者通过改进模型中蒸散发算法，提高了模型对蒸散发过程的模拟精度。

针对模型在水质模拟方面的不足，研究者还改进了对水质污染的描述，提高了对水质过程的模拟能力。

SWAT模型在应用方面得到了广泛的应用。

研究者将SWAT模型应用于不同流域的水文模拟、水资源管理等研究中。

通过模拟分析和实验验证，SWAT模型被证明在流域水文过程、土壤侵蚀、水质模拟等方面具有较高的模拟精度。

研究者还将SWAT模型与其他模型进行比较和集成，以提高模型的模拟能力。

SWAT模型在不同研究领域的应用也得到了关注。

在气候变化研究领域，研究者将SWAT 模型与气候模型相结合，用于模拟未来流域水文过程的变化。

在水资源管理领域，研究者利用SWAT模型评估流域的水资源利用状况，制定合理的水资源管理策略。

在生态系统保护和恢复领域，研究者利用SWAT模型模拟分析生态系统的水文过程和水质变化，为生态系统的管理和保护提供科学依据。

SWAT模型在可持续发展研究方面的应用也备受关注。

研究者利用SWAT模型评估流域的水资源可持续利用能力，制定合理的水资源规划和管理策略。

SWAT模型也可用于评估不同的土地利用和管理措施对流域水资源的影响，为土地利用规划和管理提供科学依据。

SWAT模型研究进展SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）是一种用于模拟水文过程和土壤侵蚀的流域水文模型，被广泛应用于流域管理、气候变化研究、土地利用规划等领域。

自1990年首次发布以来，SWAT模型已经成为流域水文模拟领域的重要工具之一。

随着对气候变化和水资源管理要求的增加，SWAT模型的研究和应用也在不断拓展和深化。

本文将对最近几年SWAT模型的研究进展进行综述，并探讨其在未来的发展方向。

一、SWAT模型的基本原理SWAT模型是一种基于物理过程的水文模型，主要用于模拟流域水文循环和土壤侵蚀。

该模型将流域划分为若干个子面积和水文响应单元，通过模拟降雨入渗、径流产生、土壤侵蚀和水质变化等过程，从而实现对流域水文过程的定量模拟和预测。

SWAT模型主要由水文循环模块、土壤侵蚀模块和水库模块组成，可以考虑土地利用、植被覆盖、土壤类型、降雨情况等因素对流域水文过程的影响。

SWAT模型的主要优点在于能够对流域水文过程进行详细的模拟，包括径流产生、蒸发蒸腾、地表径流和地下径流等过程，能够较好地反映自然环境的动态变化。

SWAT模型还可以模拟土壤侵蚀过程和水质变化，为流域管理和土地利用规划提供了重要的支持。

SWAT模型在流域水文模拟和水资源管理中具有重要的应用前景。

近年来，SWAT模型在水文模拟、土壤侵蚀、气候变化等方面的研究取得了许多进展，主要包括以下几个方面：1. 气候变化下的水文响应模拟随着全球气候变化的加剧，对未来水文过程的变化进行模拟和预测成为了一个热点问题。

SWAT模型能够考虑气候变化对流域水文过程的影响，如降雨量、蒸发蒸腾、径流产生等。

近年来，许多学者基于SWAT模型对气候变化下的水文响应进行了模拟和预测，为未来水资源管理和灾害风险评估提供了重要的参考依据。

2. 土地利用变化对水文过程的影响土地利用变化是影响流域水文过程的重要因素之一。

近年来，许多研究利用SWAT模型对不同土地利用情景下的水文过程进行了模拟和比较分析，揭示了不同土地利用变化对流域水文响应的影响规律。