丁文峰，張平倉，王愛娟，王一峰

(1.長江科學院水土保持研究所,武漢 430010；2.水利部水土保持監(jiān)測中心,北京 100055)

幾種坡面土壤侵蝕測量方法的比較研究

丁文峰1，張平倉1，王愛娟2，王一峰1

(1.長江科學院水土保持研究所,武漢 430010；2.水利部水土保持監(jiān)測中心,北京 100055)

坡面侵蝕產(chǎn)沙信息的獲取對土壤侵蝕預報模型開發(fā)和相關參數(shù)獲取至關重要。采用如下方法:放水沖刷法和人工模擬降雨法,通過不同的放水流量、雨強,在5 m坡長坡面上利用REE示蹤法；在4 m長坡面和3 m長溝坡組成的坡溝系統(tǒng)上,用地形測針板法和坡面侵蝕溝量算法；在8 m長坡面和5 m長溝坡組成的坡溝系統(tǒng)上,用地形測針板和HDS3000高精度掃描儀測量法等,對不同空間尺度、不同侵蝕測量方法的測定結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明:幾種方法的測量精度高低依次為HDS3000掃描儀法＞REE示蹤法＞地形測針板法＞侵蝕溝量測法；工作效率高低依次為HDS3000掃描儀法＞侵蝕溝量測法＞地形測針板法＞REE示蹤法。在坡面侵蝕空間分布上幾種方法都可實現(xiàn),但精度各有不同,實際應用中應根據(jù)需求選用不同的測量方法。

坡面侵蝕；預報模型；土壤侵蝕測量方法；精度；空間分布

2015,32(11):14-18

1 研究背景

坡面作為侵蝕產(chǎn)沙的最基本單元,其侵蝕產(chǎn)沙信息的獲取對土壤侵蝕預報模型開發(fā)和相關參數(shù)獲取至關重要。

目前國際上主流的基于物理過程的土壤侵蝕預報模型中的參數(shù),大多根據(jù)不同空間尺度的坡面實驗或天然觀測獲取,因此,對坡面土壤侵蝕的研究一直是土壤侵蝕領域中的一個重要問題。但由于其空間尺度較小,如何準確、快速獲取其土壤侵蝕信息成為一個難點。目前,常用的坡面侵蝕量測定方法主要有填土法、侵蝕溝體積計算法[1-2]、稀土元素(REE)示蹤法[3-8]、地形測針板法[9]、三維激光掃描法等[10-12]。這些技術與方法的產(chǎn)生對于提高認識土壤侵蝕規(guī)律,解決侵蝕量在坡面上的分布等都起到了重要的作用。特別是激光掃描儀近年來開始在土壤侵蝕研究領域中得到應用,對被侵蝕土壤形態(tài)的微觀變化過程進行高精度、實時監(jiān)測,從形態(tài)變化的角度來研究探討水土流失規(guī)律,已成為水土流失實驗研究的重要方向之一[13-16]。

近年來,筆者對不同坡面土壤侵蝕研究方法開展了一些研究工作,對比了這些常規(guī)、高新技術在土壤侵蝕研究中的特點,本文就這幾種技術方法在坡面土壤侵蝕研究中的特點進行分析,以期對坡面侵蝕產(chǎn)沙問題的研究有所幫助。

2 材料與方法

2.1 研究方法

根據(jù)目前坡面土壤侵蝕研究中常用的方法技術,本文主要選擇HDS3000掃描儀法、REE示蹤法、地形測針板法、侵蝕溝量測法4種測量方法進行研究。

研究對象分別為:5.0 m長的直形坡面,采用REE示蹤法進行研究；4.0 m坡面和3.0 m溝坡組成的坡溝系統(tǒng),采用地形測針板法和侵蝕溝量測法進行研究；8 m長坡面和5 m長溝坡組成的坡溝系統(tǒng),主要采用HDS3000激光掃描儀法和地形測針板法進行研究。實驗設計見圖1和圖2。

2.2 實驗設計

實驗采用放水沖刷法和人工模擬降雨法進行,實驗土壤類型為黃土。其中,8 m長坡面和5 m長溝坡組成的坡溝系統(tǒng)采用人工模擬降雨法,另外2種研究對象均采用放水沖刷法進行?？紤]到實驗的實際需要,所有實驗對象的填土厚度均保持在35 cm左右。

實驗開始前,為了消除土壤前期含水量的不同給實驗帶來的影響,先在坡面上均勻地降一場小雨,并保證所有實驗土槽上接受的雨量基本相同。實驗開始后,待坡面完全產(chǎn)流時,記錄實驗土槽的產(chǎn)流時間,并開始采集土槽下端出口處的含沙量過程樣本,為了準確反映實驗過程中的侵蝕產(chǎn)沙變化,采樣間隔時間都確定為1 min,并且采用全部收集的方式進行采樣。整個實驗過程持續(xù)20 min。REE示蹤實驗共分3個坡度(6°,9°,12°),5個流量(2.5,3.5,4.5,5.5,6.5 L/min)。坡溝系統(tǒng)實驗(4.0 m坡面部分和3.0 m溝坡部分組成的坡溝系統(tǒng))采用2個放水流量(5.2,7.2 L/min)進行實驗,8 m長坡面和5 m長溝坡組成的坡溝系統(tǒng)采用的雨強為90 mm/min和105 mm/min。為了保證實驗的精度,每場實驗均連續(xù)重復2次。

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圖1 坡溝系統(tǒng)Fig.1 Sketch of the experimental gully-slope system

圖2 REE示蹤法坡面布設示意圖Fig.2 Layout of slope monitoring by using REE method

2.3 實驗數(shù)據(jù)的處理方法

2.3.1 地形測針板法測量數(shù)據(jù)的處理

地形測針板法在測量時,先用水平儀檢驗測針板是否放置水平,然后通過測針在固定面板坐標紙上讀數(shù)的變化來反映。測量坡面地形時,從坡溝系統(tǒng)的最下部開始,沿坡面向上每隔10 cm測量1次。在獲取了坡面上任意一點的相對高程值后,就可以利用空間插值的方法生成坡面三維地形數(shù)據(jù)。最后根據(jù)實驗坡面在放水沖刷前后的三維體積變化,求出其空間任意一點實驗前后體積的變化值。結(jié)合實驗前土壤的重度,計算徑流沖刷后的侵蝕量[9]。

2.3.2 侵蝕溝量算法數(shù)據(jù)的處理

用鋼尺測量坡面細溝的寬、深時,其斷面都按矩形考慮,因此,計算各不同部位細溝侵蝕量的一般表達式[2]為

式中:Mi為坡溝系統(tǒng)內(nèi)任一段選定長度段內(nèi)的侵蝕量(g)；Wi為任一長度內(nèi)的細溝平均寬度(cm)；Hi為任一長度內(nèi)的細溝平均深度(cm)；l為實際測量選定的長度(cm)；v為實驗土壤重度(g/cm3)。根據(jù)實驗結(jié)束后測量到的侵蝕溝寬度、深度,按上式就可以計算出侵蝕溝的體積,再根據(jù)實驗前土壤重度就可以計算得到一場實驗的土壤侵蝕量[2]。

2.3.3 REE示蹤技術數(shù)據(jù)的處理

2.3.4 HDS3000高精度掃描儀數(shù)據(jù)的處理

由于HDS3000掃描儀獲取的是點云數(shù)據(jù),為了后期數(shù)據(jù)處理的方便,須將點云數(shù)據(jù)做進一步處理,獲取面狀數(shù)據(jù),從而得到整個坡面的清晰地形變化。具體流程為:在依次掃描獲取各站點點云數(shù)據(jù)及標靶位置后,進行數(shù)據(jù)合并拼接,將各站點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系下,得到完整的掃描點云,拼接得到完整掃描點云后還需進行進一步處理,通過濾波消除噪聲剔除干擾點,得到坡面小區(qū)土壤地表點云數(shù)據(jù)。采用Cyclone軟件對坡面點云數(shù)據(jù)進行進一步處理,生成基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型TIN DEM,得到初始坡面及各次降雨后坡面DEM。最后,根據(jù)在同一坐標系下某位置(x,y)在z方向上的位置變化計算出相應部位的土壤侵蝕體積。結(jié)合實驗前測定的土壤重度數(shù)據(jù),求出土壤侵蝕量。

3 結(jié)果分析

3.1 各種測定方法的精度比較

基于實驗所得數(shù)據(jù)根據(jù)地形測針板法計算了坡溝系統(tǒng)在徑流沖刷前后坡面形態(tài)的變化,并利用Windows Surfer軟件計算了坡面在沖刷前后的體積,結(jié)合土壤重度計算了坡面侵蝕量,并與實際收集的徑流泥沙量進行了比較(見表1)。從表中數(shù)據(jù)可見,無論是在放水沖刷條件下還是人工模擬降雨條件下,地形測針板法得到的坡面侵蝕量與實測值均比較接近,精度為74.6%～87.4%,平均為82%左右。

表1 地形測針板法所得坡溝侵蝕量與實測侵蝕量的比較Table 1 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using topography needle board method

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)計算了侵蝕溝量測法所得到的坡溝系統(tǒng)在徑流沖刷前后的坡面土壤侵蝕量,并與實際收集的徑流泥沙量進行了比較(見表2)。從表中數(shù)據(jù)可見,侵蝕溝量測法的精度為75.3%～78.8%,平均為77%左右。

表2 侵蝕溝測量法所得坡溝侵蝕量與實測侵蝕量的比較Table 2 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using rill measurement method

通過REE示蹤技術分析結(jié)果與實測對比發(fā)現(xiàn), REE示蹤技術實驗結(jié)果精度介于77.0%～97.0%之間,平均誤差約-13.3%(見表3)。

將HDS3000高精度掃描儀獲取的坡溝系統(tǒng)侵蝕體積轉(zhuǎn)換為干土重,并與傳統(tǒng)取樣法得到的結(jié)果進行比較。第1場降雨掃描儀測得的侵蝕量為1 625 kg,實測法得到的侵蝕量為1 542 kg；第2場降雨掃描儀測得的侵蝕量為3 066 kg,實測法得到的侵蝕量為2 965 kg。2場降雨實驗結(jié)果精度分別為94.68%和96.59%,結(jié)果見表4。

表4 基于HDS3000高精度掃描儀侵蝕量測算結(jié)果對比Table 4 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using HDS3000 scanner

從上述4種方法所得結(jié)果看,每種不同的測定方法分析精度都有所差別,從平均情況看,HDS3000三維激光掃描技術精度最高,達到95%,其次為REE示蹤技術,精度為86.7%,其余依次為地形測針板法(精度為82.2%)、侵蝕溝量測法(精度為77.1%)。

3.2 各種測定方法獲取數(shù)據(jù)的效率

以運用HDS3000掃描儀獲取坡面形態(tài)為例(以雨強91.4 mm/h和105.5 mm/h為參照),在掃描中單站掃描采樣間隔設定為5 mm,掃描完整個坡溝系統(tǒng)實體模型(坡面約39 m2)約需要3.5 h(共設定掃描站點5站),獲取坡溝系統(tǒng)實體模型地面形態(tài)點云數(shù)據(jù)約414萬個,其中坡面范圍內(nèi)的有效點數(shù)約228萬個。加上后期的分析成圖、坡面侵蝕形態(tài)空間分布數(shù)據(jù)獲取等工作,需要時間6～7 h。

地形測針板法測定坡面侵蝕形態(tài)時,僅測完坡溝系統(tǒng)實體模型(面積約39 m2)就約需要8 h,且采樣密度不足0.2點/cm2,而HDS3000掃描儀的數(shù)據(jù)密度約為6點/cm2,HDS3000掃描技術獲取數(shù)據(jù)效率約為地形測針板法的3 000多倍。

表3 REE示蹤技術計算坡面不同部位的相對侵蝕量Table 3 Relative erosion amounts of different sections on slope by using REE method

以REE示蹤技術為例,完成5 m×1 m的土槽實驗,僅示蹤土樣的制備一項就約需要3 h,再加上后期取樣、土樣制備,以及送交中國原子能科學院研究院進行分析,周期2～3個月,從效率上說,遠遠低于HDS3000掃描儀。

上述幾種技術手段獲取的數(shù)據(jù)不僅能滿足開展實驗研究的需要,而且均可實現(xiàn)對坡面侵蝕量的空間變化進行定量分析,但從刻畫坡面侵蝕量的空間變化細致程度來說,大小排序依次為HDS3000高精度掃描儀＞地形測針板＞侵蝕溝量測＞REE示蹤。但是從反映坡面侵蝕量隨降雨過程方面來說,REE示蹤法具有其它3種方法無法比擬的優(yōu)勢,它可以給出坡面任意斷面在侵蝕過程中某一時刻的侵蝕量,這對侵蝕過程的研究是有利的。

4 結(jié) 論

(1)上述4種方法在測量坡面土壤侵蝕空間分布方面各有特點,精度也可以滿足一般土壤侵蝕研究需要,測量精度最高的為HDS3000掃描儀法,其精度可達95%以上,其它依次是REE示蹤法、地形測針板法、侵蝕溝量測法。在反映坡面土壤侵蝕空間分布方面,REE示蹤法由于受示蹤元素種類及分析測試費用的限制,精度較低,但是這種方法在細致刻畫坡面土壤侵蝕時間、空間變化方面具有其它幾種方法不具備的優(yōu)勢。

(2)幾種測量方法的工作效率高低依次為HDS3000掃描儀法＞侵蝕溝量測法＞地形測針板法＞REE示蹤法。特別是HDS3000掃描儀結(jié)合自帶的Cyclone軟件,可以較為精確地測定坡面侵蝕量,其獲取數(shù)據(jù)的效率和精度都遠超其它幾種方法。通過掃描數(shù)據(jù)可以生成的坡面高精度DEM,在土壤侵蝕高精度快速測評方面有著廣闊的應用前景。但限于這種方法本身對設備的要求比較高,仍難以廣泛應用。

(3)本研究實驗所用土壤均為黃土,其自身特點決定了它易受侵蝕,坡面在實驗前后細溝發(fā)育明顯,侵蝕量大,因此上述4種方法在應用中均有較好的結(jié)果。對一些可蝕性小的土壤而言,坡面侵蝕以面蝕、片蝕為主,由于坡面侵蝕量小,坡面形態(tài)在實驗前后變化不明顯,在用地形測針板法和侵蝕溝量測法時,由于人為誤差可能會造成較大偏差；但由于REE示蹤技術和HDS3000高精度掃描儀法受人為影響較小的特點,在可蝕性小的土壤坡面上仍可應用,但精度能否保證達到預期效果有待進一步實驗驗證。

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(編輯:趙衛(wèi)兵)

Comparative Study of Several Measuring Methods for Soil Erosion on Slope

DING Wen-feng1,ZHANG Ping-cang1,WANG Ai-juan2,WANG Yi-feng1
(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Monitoring Center of Soil and Water Conservation,Ministry of Water Resources,Beijing 100055,China)

Acquiring of slope erosion information is very important to build erosion prediction model and obtain relevant parameters.By using artificial simulated rainfall experiments and scouring experiments,3 physical models were established in the presence of different discharges and rainfall intensities:slope-gully system of 5 meters long straight slope by using REE tracer method,slope-gully system of the 4 meters long slope and 3 meters long gully slope by using topography needle plate measuring method and rill measurement method,and slope-gully system of the 8 meters long slope and 5 meters long gully slope by using topography needle plate measuring method and HDS3000 scanner method.Different measuring methods for slope erosion were analyzed in this paper.The results show that HDS3000 scanner method is the most precise,followed by REE tracer method,topography needle plate measuring method and rill measurement method.HDS3000 scanner method has the highest efficiency,followed by rill measurement method,topography needle plate measuring method and REE tracer method.These methods all can be used to measure the erosion spatial distribution on slope,but the precision is different among them.Therefore,in the study of soil erosion,suitable measuring method should be chosen to meet actual need.

erosion on slope；prediction model；measuring method for soil erosion；precision；spatial distribution

S157.1

A

1001-5485(2015)11-0014-05

10.11988/ckyyb.20140489

2014-06-13；

2014-07-25

國家自然科學基金項目(41271303,41101260)；國家“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAK10B04)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2013013/TB)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201301058)；水利部科技推廣計劃項目(TG1310)；長江科學院創(chuàng)新團隊項目(CKSF2012052/TB)

丁文峰(1975-),男,河南汝州人,教授級高級工程師,博士,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究,(電話)027-82926357(電子信箱) wenfengding@163.com。