土壤侵蚀量估算

1 土壤侵蚀量计算模型

关于土壤侵蚀量的计算，目前国内外主要采用的是美国的通用土壤流失方程USLE(Universal Soil- Loss Equation)，作为一个经验统计模型，它是土壤侵蚀研究过程中的一个伟大的里程碑，在土壤侵蚀研究领域一度占据主导地位，并深刻地影响了世界各地土壤侵蚀模型研究的方向和思路。由于USLE 模型形式简单、所用资料广泛、考虑因素全面、因子具有物理意义，因此不仅在美国而且在全世界得到了广泛应用。“通用土壤流失方程式”的形式如下：

P C S L K R A ?????= 1-1

式中：A ——土壤流失量（吨∕公顷·年） R ——降雨侵蚀力指标； K ——土壤可蚀性因子。它是反映土壤吝易遭受侵蚀程度的一个数字。其单位是，

在标准条件下，单位侵蚀力所产生的土壤流失量；

L ——坡长因子。当其它条件相同时，实际坡长与标准小区坡长（22.1米）土壤

流失量的比值；

S ——坡度因子。当其它条件相同时，实际坡度与标准小区坡度（9%）上土壤流

失量的比值；

C ——作物经营因子。为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）上土壤流失量之比值； P ——土壤保持措施因子，有土壤保持措施地块上的土壤流失量与没有土壤保持

措施小区（顺坡梨耕最陡的坡地）上土壤流失量之比值。

通用土壤流失方程的计算结果只适用于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。当方程式右边每个因子值都是已知数时，即地块内的土壤种类、坡长、坡度、作物管理情况、地块内的土壤保持措施以及降雨侵蚀力都已知，且都被分别赋于一个适当的数值时，它们相乘后，就得出在此特定条件下所预报的年平均土壤流失量。

2 模型中各参数确定依据

2.1 降雨侵蚀力指标R 值的确定

R 值的确定有以下三种途径：

（1）R 值的经典算法：美国学者威斯奇迈尔和史密斯（1985年）利用美国35个土壤保持试验站8250个休闲小区的降雨侵蚀资料统计得出R 指标与降雨动能E 及最大30分钟降雨强度I 30的经验关系，计算式如下：

∑?=

E R 1-2

（2）R 值的简易计算：上式在实际应用中，计算降雨动能E 需要降雨过程，其计算是件繁杂的事情，故R 值简易计算的关键在于寻求一个通过常规降雨资料就可得到的参数，并建立它与R 值的经典算法的关系，省去动能E 的计算。美国学者威斯奇迈尔提出了一个直接利用年平均降雨量和多年各月平均降雨量推求年降雨侵蚀力R 值的经验计算公式：

∑

???

??=

-?12

)

8188.0lg 5.1(2

10735.1P

R 1-3 式中：R ——年降雨侵蚀力值；

P ——年平均降雨量（mm ）； P 1——月平均降雨量（mm ）。

（3）根据各地的降雨资料获得全国降雨侵蚀力R 值的等值线图（图1），若无相关降雨资料，可查等值线图取得。（参考文献：王广忠、焦菊英，中国的土壤侵蚀因子定量评价研究，水土保持通报，1996.10）

图1 全国降雨侵蚀力R 值的等值钱图

2.2 土壤可蚀因子K 值的确定

USLE 中的K 值，是一个由实验确定的定量数值，对于一个具体土壤，它对于“单元”小区上每单位侵蚀指标的土壤流失率。单位小区的认为定义是：坡长22.1m ，均一坡度9%，顺坡梨耕的连续休闲地。当这些条件都满足时，L ，S ，C ，P 各为1.0，则K=A/EI 。由于直接测定K 值比较费事，因此美国在进行区域性土壤性质与K 值关系研究的基础上，建立了通过土壤基本性质查算K 值的办法，并绘制了用以查算的诺谟图。我国K 值的获取有两个方面：一是应用诺谟图；二是实测K 值。同时K 值可以通过土壤质地和有机质含量从表1中查找。

2.3 地形因子LS 的确定

L （坡长）和S （坡度）常作为一个复合因子进行综合计算，LS 就是特定坡度与坡长上的土壤流失量与标准小区上土壤流失量的比率。美国学者威斯奇迈尔和史密斯得出的适用于大于9%坡度的LS 关系为：

.13.0)16

.5()22

(θY LS = 1-4

式中：Y ——坡地坡长（米）；θ——坡地坡度（度）。

2.4 作物经营因子C 与土壤保持措施因子P 的确定

C 值确定：植被作用系数C 与植被类型、覆盖度有关，地面无任何覆盖时C 值等于1.0；有很好的植被或其它保护层时，C 值等于0.001。不同植被类型及覆盖率下的C 值按表2求取。

P值确定：P为特定水土保持措施的土壤流失与起伏耕地的相应土壤流失之比。措施好的P值小，反之P值大。未采取任何措施的P值为1。表3为我国不同措施的P值。

3 土壤多年平均侵蚀量估算

算例：利用上述计算模型，选取鄂东—安徽段几个典型水毁在灾害点，估算其多年平均土壤侵蚀量，并对管道安全风险作评价。

3.1 各水毁点的基本特点和坡体性质参数

根据野外管道沿线地质灾害点的现场调查结果，选取灾害点编号为74、132、137、141、147、149、182及184的水毁点进行土壤多年平均侵蚀量及侵蚀深度估算。各水毁点的基本特征如表4所示，管沟开挖后，坡体基本无任何水工保护措施，坡面上已形成深度不等的冲沟。表5为各水毁灾害点坡体性质的基本参数。

表4 各水毁点基本特征表

表5 各水毁灾害点坡性参数一览表

灾害点编号地区土体类型坡长平均坡度相对高度植被覆盖率水土保持措施

74 大冶市砂性碎石土80 15 20.71 荒草地，小于5% 无

132 池州市砂性碎石土80 15 20.71 灌木，30% 无137 池州市风化砂土60 15 15.53 灌木，30% 无141 池州市砂性碎石土150 13 33.74 灌木，30% 无147 池州市风化砂土120 15 31.06 荒草地，10% 无149 池州市风化砂土60 20 20.52 荒草地，5% 无182 广德县风化砂土60 15 15.53 灌木，10% 无184 广德县风化砂土45 20 15.39 灌木，5% 无

3.2 各水毁点计算参数的确定

土壤多年平均侵蚀量的计算公式为：P

=（R取多年平均值）

依据上述计算模型各参数的确定原则，得到表6所示的各灾害点的计算参数取值表，74号灾害点位于大冶市，其余各灾害点均位于池州市，由于无实际降雨资料可查，故依据

前人所作的全国降雨侵蚀力R值的等值线图进行估算，74号灾害点的年均R值取558.5，

其他灾害点的年均R值取655.9，地形参数LS根据公式1-4确定，C、P参数分别依表2和

表3可查的。

表6 各水毁点灾害点计算参数一览表

灾害点编号R K LS C" C P" P

74 558.5 0.31 5.90 0.45 1 0.3 1

132 655.9 0.31 5.90 0.18 1 0.3 1

137 655.9 0.36 5.41 0.18 1 0.3 1

141 655.9 0.31 5.91 0.18 1 0.3 1

147 655.9 0.36 6.66 0.35 1 0.3 1

149 655.9 0.36 7.86 0.12 1 0.3 1

182 655.9 0.36 5.41 0.31 1 0.3 1

184 655.9 0.36 7.21 0.3 1 0.3 1 注：表中C" 、P"和C、P分别为管沟开挖前后的作物经营因子和水土保持因子值。

表7 各个水毁灾害点多年平均侵蚀量估算一览表

灾害点编号A"（吨/公顷/年）A（吨/公顷/年）H"(米/年) H（米/年）Y"(年) Y（年）

74 137.85 1021.08 0.02 0.15 72.54 9.79

132 64.75 1199.15 0.01 0.18 154.43 8.34

137 68.98 1277.42 0.01 0.19 144.97 7.83

141 64.92 1202.21 0.01 0.18 154.04 8.32

147 165.13 1572.68 0.02 0.24 60.56 6.36

149 66.84 1856.75 0.01 0.28 149.60 5.39 182 118.80 1277.42 0.02 0.19 84.18 7.83 184 153.29 1703.22 0.02 0.26 65.24 5.87 注：表中A" 、H"和A、H分别为管沟开挖前后的土壤多年平均侵蚀量和侵蚀深度；管道平均埋深取1.5m, Y"、Y为土壤侵蚀深度达1.5m所需的年数。

3.3 各水毁点土壤多年平均侵蚀量、侵蚀深度估算及管道安全风险评价

各参数确定以后即可估算出各灾害点在管沟开挖前后的土壤多年平均侵蚀量，计算结果如表7所示。由表中计算结果可知：

（1）管沟开挖后，土壤多年平均侵蚀量、侵蚀深度显著加大，水土流失现象严重。74号灾害点，土壤多年平均侵蚀量由137.85吨/公顷增大到1021.08吨/公顷/年，侵蚀深度每年达15cm，若不采取任何防护措施，侵蚀持续进行，将严重威胁管道安全。149号灾害点，侵蚀最为严重，土壤多年平均侵蚀量为1856.75吨/公顷，侵蚀深度达28cm，仅需5.39年即可造成露管风险。

（2）坡体上已形成冲沟的地段，若不采取相关水工保护措施，水土流失量将更加加大，侵蚀深度也将明显增大，更加不利于管道的安全运营，故建议对管道周边坡体进行水工防治。