7 通用土壤流失方程的计算

实验18 基于栅格建模的通用土壤流失方程的建立

一、实验目的

1.了解通用土壤流失公式的物理含义；

2.熟悉栅格数据多层面叠合分析的基本原理；

3.掌握使用ArcGIS叠置分析功能建立通用土壤流失公式模拟土壤侵蚀过程的

方法。

二、实验背景

土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力（水、风）作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀的过程实际和水分同时流失的过程，即水土流失过程，二者基本上是一致的。它是自然和人为因素综合作用的结果。如今，土壤侵蚀已成为世界普遍关注的重大环境问题之一,它加剧淤积、干旱、洪涝等自然灾害,引起土地生产力下降,严重地威胁着人类的生存和发展。因此，土壤侵蚀预测是进行有效水土保持工作的前提。

在这样的背景下，通用土壤流失方程应运而生。通用土壤流失方程USLE (Universal Soil Loss Equation，USLE) 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,其数学表达式是一系列变量相乘的方程形式。其基本形式为：

A=R·K·LS·C·P

式中：

A——单位面积上的土壤流失量，主要指降雨及其径流使坡面上出现细沟或细沟间侵蚀所形成的多年平均土壤流失量, 单位为：tons/acre/year)；

R——降雨侵蚀力因子（rainfall-runoff erosivity factor），用多年平均年降雨侵蚀力指数表示，单位为；MJ·mm·hm-2·h-1·a-1

K——土壤可蚀性因子（soil erodility factor）；

LS——地形因子（topological factor）；

C——植被与作物管理因子（cover-management factor）；

P——土壤保持措施因子（supporting practices factor）。

通用土壤流失方程可以帮助人们认识不同的自然条件、农业活动和水土保持措施下的土壤流失量平均有多大, 从而指导决策者制定可行的土地利用政策,以尽可能减少土壤流失。该方程结构简单，所需输入数据量少，计算结果可满足一定精度下土壤侵蚀预测的要求。

三、实验内容

1.ArcGIS栅格叠置分析功能计算地形因子；

2.根据通用土壤流失方程来计算生成土壤流失状况图层。

四、实验数据

五、实验步骤

1.空间分析环境设置

在ArcMap中，点击主菜单上的Tools\Extensions，打开Extensions 对话框，点击Spatial Analyst模块前的复选框，开启Spatial Analyst模块。

2.查看降雨侵蚀力因子

在ArcMap中，加载侵蚀力因子图层Rfactor，如图18-1所示。年平均降雨侵蚀力因子（R）为常数300。

图18-1

3.查看土壤可蚀性因子

在ArcMap中，加载土壤可蚀性因子图层Kfactor，如图18-2所示。土壤可蚀性因子（K）可以查土壤可蚀性因子诺谟图，4个K值被分配到土壤现状图上，如图18-2所示。

图18-2

4.计算地形因子

(1)在ArcMap中，加载汇水面积图层Flowacc和坡度图层slop。

(2)点击Spatial Analyst 工具条上的Spatial Analyst\Raster Calculator，打开

Raster Calculator对话框。

(3)利用下面的公式来计算地形因子LS，在Raster Calculator对话框中编辑

计算语句，如图18-3所示。

=18（1）

(sinβ

LS)

其中，A是上游汇水面积（FlowAcc），β是坡度（slope，单位为角度），m=1.6，n=1.3。

图8-3

(4)计算后的地形因子图层会自动加载到ArcMap中显示，将其重新命名为

ls，如图18-4所示。

图18-4

5.查看植被与作物管理因子

植被与作物管理因子（C）反映了土壤被不同的土壤覆盖类型保护的程度，这是USLE模型中唯一的组分因子，它受人类活动（如开垦，建筑，采矿，伐木，修路等）或其它事件（如林火，洪水）的影响很大。一般对于连续休闲裸地，

C=1.0。

在ArcMap中，加载植被与作物管理因子图层Cfactor，如图18-5所示。

图18-5

6.查看土壤保持措施因子

在ArcMap中，加载土壤保持措施因子图层Pfactor，如图18-6所示。未采取土壤保持措施时的土壤保持措施因子（P）的值赋为1。

图18-6

7.通用土壤流失方程的计算

(1)点击Spatial Analyst 工具条上的Spatial Analyst/Raster Calculator,打开

Raster Calculator对话框。

(2)根据通用土壤流失方程来计算生成土壤流失状况图层，在Raster

Calculator对话框中编辑计算语句，如图18-7 所示。

图18-7

(3)点击【Evaluate】按钮，计算后的图层会自动加载到ArcMap中显示。根

据得到的结果，回答：图上最大的年土壤流失量是多少？最大的年土壤

流失量发生在哪？尝试分析其原因。

8.拓展练习

分组根据提供的北京和江西地区的降水、数字高程数据、影像数据、土壤类型、统计数据等数据尝试建立北京山区和江西地区的通用土壤流失

方程。

水利工程的水土流失量的测定方法

水利工程的水土流失量的测定方法水利工程的水土流失量的测定方法 1概述广东是南方水资源最为丰富的省份之一，近年来兴建了大量的水利工程。座。受 2监测方法该工程监测方法主要采用调查监测法、地面定位观测法和巡查法。（1）调查监测：调查监测是指定期采取全面调查的方式，通过现场实地勘测，采用GPS定位仪结合地形图、数码相机、测距仪、测高仪、标杆和尺子等工具，测定不同分区的的地表扰动不同类型的面积。

（2）地面定位监测：本工程主要使用钢钎法和简易坡面量测法。钢钎法：在汛前，将直径0.5～1.0cm、长30cm的钢钎，根据坡面面积，按照横3行，竖4列的布局布设于监测区域，每条钢钎前后左右各相隔2m，样方面积为80m2。钢钎沿铅垂方向打入坡面，距坡面均留5cm，编号登记入册。在每次暴雨后和汛期终了，观测钉帽距地面高度，计算土壤侵蚀厚度（采用均值）和土壤侵蚀量。理位置、气候水文、地形地貌、土壤类型、原地貌各土地利用类型的面积、植物种类及覆盖度、项目区所属的水土流失类型区、水土流失形式、土壤侵蚀模数背景值。（2）施工期：依据监测方案对项目区进行全线踏勘调查，选定典型地块设立水土流失观测场，对工程建设的水土流失及水土保持措施的拦渣保土状况进行定期定位观测；同时开展面上的调查、巡查监测，及时掌握工程建设过程中水土流失

及其防治的动态变化情况，记录工程进展状况、损坏水保设施量、土石方量、弃渣量、水土流失量、流失强度，以及对周边地区生态环境的影响和危害情况。（3）植被恢复期：采用样地调查及巡查等方法，监测项目区水土保持措施落实情况（数量和质量）；工程措施的数量、完好程度和运行情况；植物措施的生长情况、成活率和覆盖度；各项防治措施的拦渣、保土效益等。；；临 8～15，施工期项目区的年平均降雨量为1787mm。根据植被覆盖率、地形条件和降雨量综合分析得出，植被恢复期的土壤侵蚀强度小于500t/km2.a。施工期项目区水土流失量的监测通过采取桩钉法、简易坡面量测法对不同类型的施工工区进行了监测，批复的方案的防止责任范围是96.81hm2（扣除淹没区面积），预测的水土流失量为5.13万t，项目区的土壤侵蚀模数为52990t/km2.a，

中国土壤侵蚀预报模型研究进展

中国土壤侵蚀预报模型研究进展摘要：土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度,掌握土地资源发展动态,指导人们合理利用土地资源的重要工具，受到世界各国的普遍重视。本文总结了中国土壤侵蚀预报模型的主要研究成果，在总结和评价这些模型的基础上，提出今后我国的主要研究方向：（1）注重土壤侵蚀模型的理论研究；（2）加强对重力侵蚀、洞穴侵蚀机制的研究；（3）充分利用先进的RS、GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。关键词：土壤侵蚀模型、研究方向、问题 Review of Research Progress in Soil Erosion Prediction Model in China Soil erosion model which is regarded as the tool to understand the soil erosion processes and intensity, to master the dynamic of land resources development, to guide the rational use of land resources, having attracted the widespread attention of the world.This paper summarizes the main findings of Chinese Soil Erosion Prediction Model and on the basis of summarying and evaluating these models it indicates the directions of the future research : (1) focus on soil erosion model theoretical research; (2) focus on the research of gravity erosion, cave erosion mechanism,; (3) take full advantage of the advanced RS and GIS technology for the study of erosion models which provide a large number of data sources to facilitate the inspection of soil erosion model. 近年来，土壤侵蚀成为人们关注的生态环境热点之一。土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评估水保措施效益的手段,侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。土壤侵蚀预报模型的研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域和土壤侵蚀过程定量研究的有效手段。根据土壤侵蚀模型的建模手段和方法,一般可以将其分为经验统计模型和物理成因模型。经验统计模型是利用大量的试验观测资料,借助于统计方法,定量表述影响土壤侵蚀因子的指标,进而得出计算土壤流失量的方程式。物理成因模型以土壤侵蚀的物理过程为基础,利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理,根据已知降雨、径流条件来描述土壤侵蚀产沙过程,从而预报在给定时段内的土壤侵蚀量。根据土壤侵蚀模型预报对象的不同,又可将土壤侵蚀模型分为坡面土壤侵蚀模型和流域或网格(区域)土壤侵蚀模型。我国学者在土壤侵蚀模型研究的各个层面上进行了大量工作,取得了很多成果。其中,区域尺度研究的应用更为广泛。在小流域土壤侵蚀模型的研究方面,以对统计模型及引进的统计模型中各因子的本地化研究较多,对基于过程的物理模型系统研究较少,特别是适合我国国情的系统的过程模型更少。本文希望对我国土壤侵蚀模型的主要研究成果进行总结,并对其中的一些问题进行了评述,以期为今后的土壤侵蚀模型研究进展提供一定的参考意见。提出了预报模型亟待解决的关键问题,以促进我国土壤侵蚀预报模型的建立,为生态环境改善提供科学依据。 1.经验统计模型经验模型主要从侵蚀产沙因子角度入手,建立径流、产沙与降雨、植被、土壤、土地利用、耕作方式、水保措施等之间的多元回归因子关系式。经验公式结构简单,计算方便,在制定公式使用资料范围内具有可靠的精度,但是模型被移植到其它区域使用时以及向建模条件外延时,模型精度难以控制,模型的实用性受到影响。这类侵蚀产沙模型以坡面模型和小流域侵蚀产沙模型为代表,同时也包括部分区域性的侵蚀产沙预报模型,这些通常不考虑侵蚀产沙过程,称之为“黑箱”或“灰箱”模型,在模型形式上主要是采用侵蚀产沙因子的多元回归方程式。自1953年刘善建首次提出坡面土壤侵蚀量的公式来[2],不同的学者根据当地的实际情

通用土壤流失方程USLE简介

通用土壤流失方程USLE简介 1965 年,W.H.Wischmeier 和D.Smith对美国30个州近30年的观测资料进行了系统分析,根据近万个径流小区的试验资料,提出著名的经验模型—通用土壤流失方程(USLE),作为预测面蚀和沟蚀引起的年平均土壤流失量的方法,它考虑了降雨、土壤可蚀性、作物管理、坡度坡长和水土保持措施5大因子,方程式如下: A = R?K?LS?C?P。式中:A 为年平均土壤流失量, t/ hm2 ；R 为降雨和径流侵蚀因子；K 为土壤可蚀性因子；LS 为地形因子,其中L 为坡长因子, S 为坡度因子；C 为作物管理因子；P 为治理措施因子。USLE 可用来计算年平均土壤流失量,从而指导人们进行正确的耕作、经营管理,采取适当的保护措施来保持土壤。它所依据的资料丰富、涉及区域广泛,因而具有较强的实用性,曾在世界范围内得到了广泛的推广。1978 年, W.H.Wischmeier 和D.Smith针对应用中存在的问题,对USLE 进行了修正,使USLE 更具普遍性。其不足之处：以年侵蚀资料建立起来的USLE，无法进行次降雨土壤侵蚀的预报。同时，实践证明,USLE 不太适用于垄作、等高耕作,以及那些使泥沙就地沉积的带状耕作措施等。 WEPP（Water Erosion Prediction Project）WEPP(Water Erosion Prediction Project) WEPP 实际是USDA 推出的用以替代USLE 的新一代土壤侵

蚀预测模型。从1985 年开始研究，1989 年基本完成，后经过多次改进和完善，于1995年向外公布。它属于一种连续的物理模型。模型可模拟的流域物理过程有：日土壤水分平衡，不同植被条件下(农作物、林地和草地等) 的日蒸发散，年作物产量、畜牧产量，径流、灌溉时的侵蚀，林地侵蚀，细沟和沟间侵蚀，农业管理措施对侵蚀及水文过程的影响等。与传统的水文模型相比,WEPP 具有很多优点: ①可模拟土壤侵蚀过程及流域的某些自然过程，如气候、入渗、植物蒸腾、土壤蒸发、土壤结构变化和泥沙沉积等；②可模拟非规则坡形的陡坡、土壤、耕作、作物及管理措施对侵蚀的影响等；③可以模拟土壤侵蚀的时空变异规律；④预测泥沙在坡地以及流域中的运移状态。模型中，泥沙模块采用Yalin 泥沙输移公式计算，泥沙沉积的计算方法与CREAMS 中的方法相同，入渗过程则采用Green －Amp t 公式计算。在进行模型运算时，需要输入不同类型的参数，其中包括气象、土壤、地形和土地利用等参数.。模型可以模拟冬天融雪所产生的径流过程。 WEPP 可模拟的项目很多，适用范围广，易于操作。

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： ? ? ? A? ? =1-1 S P C L R K 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

水土流失预测的常用计算方法

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

土壤流失模型(RUSLE)土壤流失评价(汇编)

9.4土壤流失模型（RUSLE）：土壤流失评价水土流失(water Loss and Soil Erosion)是当今世界面临的一个重大环境问题，是指在水力、重力、风力等外力的作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括了土壤侵蚀(Soil Erosion)及水的流失两个方面。水土流失是一个受多种因素驱动作用的自然过程，由降雨作为主要侵蚀动力的即为水力侵蚀，其作用多体现于具有一定坡度的山地、丘陵地区，以降水直接冲走表层土壤为主要表现形式。当表层土壤受侵蚀的程度超过一定的安全阈值时，就会形成或引发滑坡、泥石流等剧烈的土壤流失过程，降低区域土壤生产力，严重影响生态系统的平衡。由于这一过程表现出明显的斑块性和异质性，难以用定点实验进行追踪监测，故多以预测估算的方式对之进行研究。 9.4.1 RUSLE模型 RUSLE模型(The Revised Universal Soil Loss Equation)是美国农业部于1997年在通用土壤流失模型USLE(The universal Soil Loss Equation)的基础上修订建立并正式实施的一种适用范围更广的修正模型。自颁布之后即在美国得到了广泛的应用，目前美国各州都己有成功应用的案例。该模型也被世界各国的研究者借鉴，于20世纪90年代被引入中国。 RUSLE模型目前己在国内外的土壤侵蚀预测研究中得到了非常广泛的应用。其计算表达式为： =????(1) A R K LS C P 图1 RUSLE模型的技术流程图 A为预测土壤侵蚀量(estimated average soil loss in tons per acre per year)，主要指由降雨和径流引起的坡面细沟或细沟间侵蚀的年均土壤流失量。 R 为降雨侵蚀力因子(rainfall-runoff erosivity factor) (MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）,它反映降雨引起土壤流失的潜在能力。在USLE 中，它被定义为降雨动能和最大30 分钟降雨强度的乘积。 K为土壤可蚀性因子(soil erodibility factor) (t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2)，它是衡量土壤抗蚀性的指标，用于反映土壤对侵蚀的敏感性。K 表示标准小区单位降雨侵蚀力引起的单位面积上的土壤侵蚀量。

西北农林科技大学的土壤侵蚀考研十五套题

水土保持考研试题十五套此复习题系水保资深教师合力打造！试题一一、名词解释（5分） 1、土壤侵蚀 2、水土保持 3、容许土壤侵蚀量 4、雨滴中数粒径（D50） 5、沙漠化二、填空（30分） 1、全球的土壤侵蚀可划分为、和。 2、水力侵蚀强度可分为、、、、、和六级。 3、坡面径流的形成可划分为、和三个过程。 4、面蚀可划分为、、和四种类型。 5、风力侵蚀强度可分为、、和四级。三、问答题（40分） 1、什么是击溅侵蚀？它有何作用？ 2、简述降雨在面蚀中的作用。 3、简述水力侵蚀的防治原则。三、沟谷发育的阶段及特征是什么? (20分) 四、沟谷侵蚀及其制约因素有哪些? (20分) 五、写出通用流失方程式，物理意义及用途。 (15分) 试题二一、土壤侵蚀包括了那些形式？他们在地表有何分布特征？（20分）二、简述面蚀的影响因素。（20分）三、侵蚀沟是如何形成的？它被分为那几种类型？（20分） 2、侵蚀分类：细沟；浅沟；切沟、冲沟；坳沟。四、简述通用土壤流失方程（USLE）的基本特征。（20分）五、简述农田防沙的研究现状及我国开展此项工作的设想。（20分）试题三一、名词解释 (25分) (1)水土保持 (2)常态侵蚀 (3)泥沙沉速 (4)起动流速 (5)水力坡度二、水流作用的侵蚀、搬运与堆运作用三者的关系。 (20分) 三、影响雨滴溅蚀的主要因素是什么? (20分) 四、坡面土壤侵蚀率及影响因子是什么? (20分) 五、简述黄土区侵蚀沟谷形态类型和特征。 (15分)

试题四一、名词解释 (25分) (1)允许土壤流失量 (2)雨涉终点速度 (3)洪流 (4)坡面流 (5)加速侵蚀二、坡面土壤侵蚀速率及影响因素是什么? (20分) 三、植被影响侵蚀的机理是什么? (20分) 四、洪流侵蚀的基本特征是什么? (20分) 五、坡面发育规律是什么? (15分) 试题五一、名词解释 (25分) (1)降雨侵蚀力 (2)侵蚀性降雨 (3)股流 (4)沟蚀临界距离 (5)侵蚀基准面二、雨涉溅蚀的基本特征及因素 (20分) 三、洪流侵蚀及制约因素是什么? (20分) 四、滑坡体的鉴别特征是什么? (20分) 五、简答侵蚀营力的分类 (15分) 试题六一、名词解释 (25分) (1)滑动面 (2)张裂隙 (3)休止角 (4)抗蚀性 (5)现代侵蚀二、边坡破坏的几个阶段及特征是什么? (20分) 三、什么是赤平投影响分析法? (20分) 四、写出通用土壤流失方程，应用及评价 (20分) 五、写出边坡稳定分析计算的基本公式 (15分) 试题七一、名词解释 (25分) (1)土壤流失量 (2)瞬时雨强 (3)侵蚀形式 (4)侵蚀强度 (5)土壤侵蚀模数二、滑坡的力学分类及特征 (20分)

1992-2013年巢湖流域土壤侵蚀动态变化

地理学报 ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第70卷第11期2015年11月 V ol.70,No.11November,2015 1992-2013年巢湖流域土壤侵蚀动态变化查良松1，邓国徽1，谷家川2 （1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，芜湖241003；2.滁州学院地理信息与旅游学院，滁州239000）摘要：基于GIS 和RS 技术，利用修正的通用土壤流失方程（RUSLE ）模型，结合遥感影像、DEM 数据、土壤类型数据及相关统计确定了模型中参数因子，计算出巢湖流域1992-2013年土壤侵蚀模数，分析了土壤侵蚀强度的时空动态变化特征。结果表明：巢湖流域土壤侵蚀区域主要呈东北至西南方向分布。微度、轻度、中度、强度、极强和剧烈侵蚀占土壤侵蚀总面积百分比分别是93.46%、6.25%、0.68%、0.19%、0.01%、0.01%。1992-2006年土壤侵蚀模数由510.70t/（km 2·a ）减少到129.79t/（km 2·a ），降幅为74.59%，同时植被覆盖率由37.0%增至47.80%，土壤侵蚀的面积比例变化明显，轻度、中度、强度、极强和剧烈侵蚀由8.93%、2.33%、1.32%、0.09%、0.05%分别减少为4.74%、1.39%、0.28%、0.02%、0.01%，微度侵蚀由87.88%增加到94.16%。但2013年土壤微度侵蚀又减少为93.46%，土壤微度侵蚀有向高一级转换趋势。2006-2013年土壤侵蚀模数也由129.79t/（km 2 ·a ）增加到149.44t/（km 2·a ），增幅为15.14%。关键词：土壤侵蚀；地理信息系统；RUSLE ；巢湖流域DOI:10.11821/dlxb201511002 1引言日益严重的土壤侵蚀对农业生产、水质、水文系统等构成威胁，是制约人类可持续发展的严重问题[1]。中国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一[2]，据2001年第二次全国土壤侵蚀遥感调查，全国水蚀和风蚀面积为356.9万km 2，占国土面积的约37%[3]。无论山区、丘陵区、风沙区，还是农村、城市，都存在不同程度的土壤侵蚀问题[4]。因此，明晰土壤侵蚀的时空动态变化对评价水土治理、以及更深入指导水土保持建设有着重要意义。运用模型的方法开展定量测度是土壤侵蚀研究的常用手段。根据模型建立的方法和模拟过程，可以分为经验模型、物理过程模型和分布式模型[5]。20世纪60年代，美国学者Wischmeier 等最早建立了通用土壤流失方程（USLE ）[6]。随着农业开发的需要，1985年美国学者对USLE 局限性进行修正，研发了RUSLE 模型[7]。鉴于RUSLE 模型应用性及参数选择，国内外学者进行了大量的研究，Prasannakumar V 等[8]将RUSLE 模型与地理信息系统（GIS ）技术相结合对印度的Siruvani 流域进行了土壤侵蚀风险评估，De Asis 等[9]将RUSLE 模型与线性光谱混合分析（LSMA ）方法相结合对菲律宾拉梅萨流域进行了土壤侵蚀评估，卜兆宏[10]基于RUSLE 模型的结构，引入遥感数据开发出与RUSLE 模型相媲美的水土流失定量遥感方法，刘宝元等[11]以USLE/RUSLE 为基础，通过研究坡面侵蚀量预报经验模型后，建立适用于全中国土壤流失预报方程（CSLE ），江忠善等[12]将沟间收稿日期：2015-07-27;修订日期：2015-08-25 基金项目：国家自然科学基金项目(41271545)[Foundation:National Natural Science Foundation of China, No.41271545] 作者简介：查良松(1953-),男,安徽铜陵人,教授,中国地理学会会员(S110000074M),主要研究方向为环境变化与GIS 应用等。E-mail:chaliangs@https://www.360docs.net/doc/5d4781464.html, 1708-1719页

7 通用土壤流失方程的计算

实验18 基于栅格建模的通用土壤流失方程的建立一、实验目的 1.了解通用土壤流失公式的物理含义； 2.熟悉栅格数据多层面叠合分析的基本原理； 3.掌握使用ArcGIS叠置分析功能建立通用土壤流失公式模拟土壤侵蚀过程的方法。二、实验背景土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力（水、风）作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀的过程实际和水分同时流失的过程，即水土流失过程，二者基本上是一致的。它是自然和人为因素综合作用的结果。如今，土壤侵蚀已成为世界普遍关注的重大环境问题之一,它加剧淤积、干旱、洪涝等自然灾害,引起土地生产力下降,严重地威胁着人类的生存和发展。因此，土壤侵蚀预测是进行有效水土保持工作的前提。在这样的背景下，通用土壤流失方程应运而生。通用土壤流失方程USLE (Universal Soil Loss Equation，USLE) 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,其数学表达式是一系列变量相乘的方程形式。其基本形式为： A=R·K·LS·C·P 式中： A——单位面积上的土壤流失量，主要指降雨及其径流使坡面上出现细沟或细沟间侵蚀所形成的多年平均土壤流失量, 单位为：tons/acre/year)； R——降雨侵蚀力因子（rainfall-runoff erosivity factor），用多年平均年降雨侵蚀力指数表示，单位为；MJ·mm·hm-2·h-1·a-1 K——土壤可蚀性因子（soil erodility factor）； LS——地形因子（topological factor）； C——植被与作物管理因子（cover-management factor）； P——土壤保持措施因子（supporting practices factor）。通用土壤流失方程可以帮助人们认识不同的自然条件、农业活动和水土保持措施下的土壤流失量平均有多大, 从而指导决策者制定可行的土地利用政策,以尽可能减少土壤流失。该方程结构简单，所需输入数据量少，计算结果可满足一定精度下土壤侵蚀预测的要求。三、实验内容 1.ArcGIS栅格叠置分析功能计算地形因子；

水土流失计算方法

RUSLE 模型是通过对通用土壤流失方程 USLE 模型的改进得到的。RUSLE 与 USLE 具有相同的数学表达式： A=R·K·LS·C·P 式中，A 为年均土壤侵蚀量（t·hm -2·a -1 ）,主要指由降雨和径流引起的坡面细沟或细沟间侵蚀的年均土壤流失量； R 为降雨侵蚀力因子（MJ·mm·hm -2·h -1·a -1）,它反映降雨引起土壤流失的潜在能力。本方案基于月平均降雨量和年平均降雨量的Wischmeier 经验公式计算(Wischmeier, 1969)； 21.5lg 0.81881211.73510 p i p i R ???? ????- ???????==?∑ 式中pi 和p 分别是月均和年均降雨量(mm)。计算得到各站点在2000-2007年平均降雨侵蚀力，然后利用Kriging 空间内插方法对34个站点(包括@@@@@站点)进行插值，得到流域水平降雨侵蚀力图层，最后得到流域30 m×30 m的R 因子栅格图层（图2）。 K 为土壤可蚀性因子（t·hm -2·h·MJ -1·mm -1·hm -2 ）,它是衡量土壤抗蚀性的指标，用于反映土壤对侵蚀的敏感性。K 表示标准小区单位降雨侵蚀力引起的单位面积上的土壤侵蚀量。由于缺乏各土壤类型的结构系数和渗透性等级数据，因此选择侵蚀/生产力影响模型EPIC 的公式计算流域各类型土壤的K 因子值，EPIC 的计算公式为： (){}()()0.3 0.20.3exp 0.02561/1000.250.711.0 1.0exp 3.72 2.951exp 5.5122.91SIL K SAN SIL CLA SIL C SN C SN SN ??=+-?? ???+??????-- ??? ???+-+-+???? 式中,SAN 、SIL 、CLA 和C 是砂粒、粉粒、粘粒和有机碳含量(%)，其中SN1=1-SAN/100。由公式II 计算得到流域各土壤类型的K 值如表2所示。表2 流域各土壤类型K 因子值(单位:t·hm -2·h·MJ -1·mm -1·hm -2) 土壤类型棕壤褐土石灰性褐土粗骨土红粘土草甸风沙土石灰土潮土红壤将流域土壤类型图数字化，然后生成30m×30m的栅格图层，利用ARCGIS9.2中的Raster Calculator 模块把K 值赋给土壤类型，得到K 因子图层（图3）。 LS 为坡长坡度因子（无量纲），其中L 为坡长因子，被定义为坡长的幂函数。S 为坡度因子，LS 表示在其他条件不变的情况下，某给定坡长和坡度的坡面上土壤流失量与标准径流小

水土流失量估算模式

水土流失量估算模式预测模型采用美国通用的水土流失程式（USLE）。预测方程为： A=R·K·LS·C·P 式中：A—侵蚀强度，即单位面积(hm2)单位时间(a)流失量； R—侵蚀因子； K—土壤因子； LS—地形因子； C—生物因子； P—水土保持因子。这个预测模型是美国农业部农业研究所经过40多年实地观察提出的。我国南方各省在该模型应用方面做了不少的工作，许多研究表明，该模型不仅适用山坡地、农地的水土流失估算，同样也适用于公路街道建设。福建省水土保持实验站和福建省农学院士化系在1991年结合我省闽东南气候、土壤、地形、植被等基本条件，对这一模型的基本参数进行计算组合确定。 ⑵预测因子的确定 ①侵蚀力因子R R因子是降雨侵蚀的指标，迳流的影响也包括在内。对于常年受到降雨侵蚀的区域来说，R值大小取决于月均降雨量和年降雨量。计算公式如下：式中的P为年降雨量(mm)，Pi为月均降雨量(mm)。项目区域多年平均降水量为1200mm，根据计算公式可得R为196.4。 ②土壤因子K K因子反应土壤对侵蚀的敏感度；K值越大，敏感度越高，越容易受到侵蚀；K因子大小取决于土壤质地层（粘粒、粉粒、砂粒和有机质含量）。福建省土壤可蚀性因子K取值的经验方程式为： K＝（164.80-2.31X1+0.38X2+2.26X3+1.31X4-14.67X5）×10-3 式中： X1-细砾（3～1mm）含量,%； X2-细沙（0.25～0.05mm）含量，%； X3-粗粉粒（0.05～0.01mm）含量，%； X4-细粉粒（0.01～0.005mm）含量，%； X5-有机质含量，%；项目建设区域，土壤类型属红壤土。综合有关资料分析，项目区水土流失预测土壤可蚀性因子K计算模式，细砾含量X1以3.2%计，细沙X2含量以25%计，粗粉粒含量以20%计，细粉粒X4含量以12%计，有机质X5含量以2%计，由此计算得K值为0.164。根据有关资料，福建红壤区主要土壤的K值在0.038～0.284之间，因此项目区土壤计算K值为0.164是合理的。 ③地形因子LS LS是地表迳流长度与坡度的函数： LS=(65.41Sin2S+4.56SinS+0.065)·(L/22.13)m 式中：S——坡度(度)； L——坡长(m)。 m——坡长指数，当SinS>5%，m=0.5；

土壤侵蚀量计算模型

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： ? ? A? =1-1 ? ? C R S P L K 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。

土壤侵蚀

名词解释 1土壤侵蚀：土壤或其他地面组成物质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。 2水土流失：在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土地表层侵蚀和水土损失，亦称水土损失。 3水土保持：防治水土流失，保护、改良与合理利用水土资源，维护和提高土地生产力，以利于充分发挥水土资源的生态效益、经济效益和社会效益，建立良好生态环境的事业。 4搬运作用：是指地表和近地表的岩屑和溶解质等风化物被外营力搬往他处的过程，是自然界塑造地球表面的重要作用之一。 5剥蚀作用：各种外营力作用（包括风化、流水、冰川、风、波浪等）对地表进行破坏，并把破坏后的物质搬离原地，这一过程或作用称为剥蚀作用。 6土壤侵蚀程度：是指任何一种土壤侵蚀形式在特定外营力种类作用和一定环境条件影响下，自其发生开始，截止到目前为止的发展状况。 7土壤侵蚀强度：所指的是某种土壤侵蚀形式在特定外营力种类作用和其所处环境条件不变的情况下，该种土壤侵蚀形式发生可能性的大小。 8容许土壤流失量：是指小于或等于成土速度的年土壤流失量。 9泥石流：实际上是水体和土体及土体中部分空气（极少量，可忽略不计）相互充分作用后，在沟谷内或坡地上沿坡面（含自然坡面和压力坡）运动的流体。 10混合侵蚀：指在水流冲击力和重力共同作用下形成的一种特殊侵蚀类型。 11沙尘暴：是指强风把地面大量沙尘物质吹起并卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于一千米的严重风沙天气现象。 12水力侵蚀：是在降水、地表径流、地下径流的作用下，土壤、土体或其它地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。它是土壤侵蚀的重要类型。

通用土壤流失方程

通用土壤流失方程[z] https://www.360docs.net/doc/5d4781464.html,LE方程 A=R·K·L·S·C·P 通常将L、S合并为LS考虑。 2.降雨侵蚀力因子R (1)Wischmeier经验公式 R=Σ 1.735×10**[1.5·lg(Pi/P)－0.8188] 式中：R－降雨侵蚀力，100ft·t·in／(ac·h)； Pi－各月平均降雨量(mm)； P－年平均降雨量(mm)。 (2)年R值的估算（王万忠、焦菊英，1996） R=0.207(P·I60/100)**1.205 式中：R－年降雨侵蚀力，m·t·cm／(hm2·h·a)； 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（王万忠、焦菊英，1995—1996） R=0.009 P**0.564· I60**1.155· I144**00.560 式中：R－多年平均降雨侵蚀力，m·t·cm／(hm**2·h·a)； P－年降雨量(mm)； I60－平均年最大60min降雨量(mm)； I1440－平均年最大1440min降雨量(mm)。注1：王万忠、焦菊英、陈法扬等已绘制了全国降雨侵蚀力R等值线图（《水土保持学报》1995、《土壤侵蚀与水土保持学报》1996）。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，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，当在全国各水蚀区适用。

3.土壤可蚀性因子K Wischmeier等的方法根据土壤质地、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。 4.坡长因子L 经典计算公式（Wischmeier和Smith，1978） L=(λ/22.13)**m 式中：L－坡长因子； m－坡长指数，可采用计算式（Fostre等，1977） m=β/(1+β) 其中，β可采用计算式（McCool等，1989） β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)**0.8+0.56] 式中：θ－坡度。 5.坡度因子S (1)坡长≥5m，可采用公式（McCool等，1987） S=10.8 sinθ+0.03 θ＜9% S=16.8 sinθ－0.50 θ≥9% (2)坡长＜5m，可采用公式（McCool等，1987） S=3.0(sinθ)**0.8+0.56 6.植被与作物管理因子C 连续休闲裸地 C=1.0

土壤流失测定

一、试验方法与目的要求本试验用双环法。入渗试验用以测试土壤的入渗速率。土壤入渗速率是指单位时间内的水分入渗量，其单位为mm/min。一般用土壤的初渗速率和稳渗速率来具体描述。土攘初渗速率是指试验时间为1min末时的土壤入渗速率；土壤稳渗速率是指土壤累计入渗量增加到最大值并保持稳定时的速率或是入渗时间足够大（80 min）土壤入渗速率相对比较稳定时的入渗速率，它决定区域产流机制的不同。二、试验设备 ⑴环刀：内环直径为355mm，高为200mm；外环直径为505mm，高为200mm。 ⑵供水桶（两只）：桶内径为252mm，外径为253mm，桶高为1000mm,并具备进水和出水装置。 ⑶温度计：量程0～50℃，分度值为1℃. ⑷其它设备：秒表、大铁锤、小铁铲、水桶、水瓢等。三、操作步骤与结果计算 1．测试步骤 ⑴在试验地区预选一典型样地，并用小铁铲将之轻轻整平（保持土壤结构不被破坏）。 ⑵分别先后将内环、外环轻轻打入整平后的土壤中，环入土150mm。⑶同时向内、外环中供水，放水时保持内外环水层厚30mm，注意外环水面始终与内环水面保持平齐以防侧漏。内环用供水桶供水，以便记录外环用事先预备好的水桶供水。 ⑷当内、外环中的水层厚度同时达到30mm时开使用秒表记录时间，测试历时统一规定为80min，并分别在0.0 min、0.5 min、1 min、2 min、3 min、5 min、7 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min和80 min时刻读取水分入渗量（用供水桶上的刻度值表示，mm）和水温，若在未满80 min时供水桶中的水用完，则另外换一桶已经加满水的供水桶继续供水止80 min。记录时，为方便可按供水桶上刻度记；计算时，注意供水量的累加。 ⑸一场试验做完并认真检查无遗漏后，在同一地块中另外选择一点重复一次。两点的距离要控制在50～100m内。 2．表格填写及计算 ⑴表格设计及填写见表一土壤入渗速率试验记录表。⑵用如下公式计算土壤稳渗速率： ) 式中：RS—为10℃标准水温时土壤的入渗速率，mm/min； △h—为某一时段△t中的供水桶读数差值，mm；△t—为时段，min； T—为某时段上的平均水温，℃。第二节土壤崩解试验一、试验方法与目的试验用静水崩解法。土壤崩解反映土壤颗粒结构对水力浸润解体的性质或反映土壤结构体被雨水分散解体的难易程度。土壤崩解速率是指土样在浸水后单位时间内崩解掉的试样体积，它反映土攘体在水中发生分散的能力，决定给径流携带提供松散物质的多少。本试验目的为测试土壤崩解能力。二、试验设备 ⑴浮筒：圆筒体。直径约30mm,高约200mm。（浮筒高与筒体直径有关，高度与能浮起试验土体而不下沉至水下为准。） ⑵网板架：10cm×10cm。内为金属方格网，5cm×5cm，孔眼为1cm2,可挂在浮筒的下端。