李純乾，李鳳鳴，柳金庫(kù)，李 娜，丁宏宇，叢子健，李 菲，趙旭珍

(遼寧省水土保持研究所 遼寧省土壤侵蝕與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

利用人工模擬降雨法提高測(cè)釬法精確度

李純乾，李鳳鳴，柳金庫(kù)，李 娜，丁宏宇，叢子健，李 菲，趙旭珍

(遼寧省水土保持研究所 遼寧省土壤侵蝕與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

人工模擬降雨；測(cè)釬法；土壤侵蝕量；水土流失監(jiān)測(cè)

在一定的降雨條件下，采用人工模擬降雨法與測(cè)釬法計(jì)算土壤侵蝕量并進(jìn)行對(duì)比，分析兩者相關(guān)性，對(duì)測(cè)釬法進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高該方法的精確度。在雨強(qiáng)40 mm/h、降雨歷時(shí)30 min、坡度8°、地表覆蓋度0、初始土壤容重1.23 g/cm3、土壤含水量14.79%的試驗(yàn)條件下，測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量結(jié)果小于人工模擬降雨法計(jì)算的結(jié)果，兩者相差19%～30%。相關(guān)分析結(jié)果表明，測(cè)釬法結(jié)果與人工模擬降雨法結(jié)果之間呈極顯著的正相關(guān)(R=0.981，P<0.05)。通過(guò)建立回歸模型方程y=1.431x-27.237，可對(duì)同類條件下運(yùn)用測(cè)釬法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，使之更加接近真實(shí)的土壤侵蝕量。未來(lái)，進(jìn)一步研究在不同條件下兩者之間的關(guān)系，將為利用測(cè)釬法進(jìn)行野外堆土坡面水土流失監(jiān)測(cè)提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和決策指導(dǎo)。

野外坡面水土流失傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段是設(shè)置簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)，采用測(cè)釬法對(duì)坡面上的土壤侵蝕量進(jìn)行觀測(cè)。與水土保持監(jiān)測(cè)新技術(shù)相比，測(cè)釬法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，投入小，適合野外定點(diǎn)定位觀測(cè)，不需要監(jiān)測(cè)人員長(zhǎng)期看管，不會(huì)發(fā)生設(shè)備丟失等問(wèn)題，缺點(diǎn)是受監(jiān)測(cè)手段的局限，測(cè)算結(jié)果精確度偏低。因此，對(duì)測(cè)釬設(shè)備和方法進(jìn)行改良，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高測(cè)量精確度，成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。李俊等[1-2]通過(guò)改變測(cè)釬的布設(shè)方法和讀數(shù)來(lái)提高結(jié)果的精確度；畢華興等[3]提出測(cè)釬法的最低土壤侵蝕模數(shù)背景閾值，給出了測(cè)釬法的適用范圍；廖章志等[4-5]研發(fā)出新的坡面監(jiān)測(cè)設(shè)備。但對(duì)測(cè)釬法測(cè)量值與真實(shí)土壤侵蝕量之間關(guān)系的研究還未見(jiàn)報(bào)道。考慮到在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用人工模擬降雨試驗(yàn)收集泥沙樣本進(jìn)行烘干稱重計(jì)算土壤侵蝕量，其結(jié)果接近真實(shí)土壤侵蝕量，具有較高的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)將人工模擬降雨法測(cè)量值與測(cè)釬法測(cè)量值進(jìn)行比較，希望從中發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)系并建立回歸模型，以此對(duì)測(cè)釬法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，提高測(cè)釬法的測(cè)量精確度。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣波羅赤鎮(zhèn)波羅赤村附近，屬于大凌河流域，地貌區(qū)劃屬于燕山—遼西中低山地[6]，大凌河自南而北貫穿全區(qū)，形成中部低、兩翼高的寬谷低山丘陵。土壤類型有褐土性土、淋溶褐土和褐土[7]。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫8.9 ℃，多年平均降水量480 mm，多年平均蒸發(fā)量2 057.1 mm，多年平均風(fēng)速2.8 m/s，多年平均大風(fēng)天數(shù)8 d，多年平均最大凍土深135 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是在遼寧省水土保持研究所試驗(yàn)基地的人工模擬降雨大廳進(jìn)行的。人工模擬降雨設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院/水利部水土保持研究所與西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的QYJY-503固定式人工模擬降雨裝置。觀測(cè)小區(qū)為可調(diào)節(jié)坡度土槽。土槽中裝土與土槽平行，表面進(jìn)行粗糙處理，坡面尺寸1 m×2 m，在坡面上鉛垂插入15根鋼釬，每根鋼釬之間距離30 cm，由上至下一共5排，每排3根，鋼釬居中布設(shè)，距土槽上邊30 cm，距土槽兩邊各20 cm。測(cè)釬編號(hào)順序?yàn)閺纳系较?、從左到右?？紤]到坡面土體可能出現(xiàn)淤積現(xiàn)象，若鋼釬頂部與坡面平齊，則土壤就會(huì)覆蓋鋼釬帽，無(wú)法進(jìn)行正確的測(cè)量和讀數(shù)，因此布設(shè)的每根測(cè)釬均露出地表5 cm。

試驗(yàn)條件設(shè)定為模擬降雨雨強(qiáng)40 mm/h、降雨歷時(shí)30 min，觀測(cè)小區(qū)坡度8°、地表覆蓋度0、初始土壤容重1.23 g/cm3、土壤含水量14.79%。從地表產(chǎn)流開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔3 min用500 mL廣口瓶取少量徑流一次，同時(shí)采用大容量桶收集并記錄3 min內(nèi)的徑流量。在人工模擬降雨試驗(yàn)降雨前后分別對(duì)每根鋼釬出露地表的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量和記錄。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，在相同條件下進(jìn)行了5次試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用精度到毫米的鋼尺進(jìn)行測(cè)釬長(zhǎng)度測(cè)量。用量筒量取廣口瓶收集的水量，用濾紙和漏斗過(guò)濾、采集廣口瓶?jī)?nèi)的泥沙樣，用烘箱烘干12 h后用電子天平稱量。用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和線性回歸分析，用Origin軟件繪圖。

人工模擬降雨法土壤侵蝕量是根據(jù)采集的泥沙質(zhì)量來(lái)推算的，計(jì)算公式為

(1)

式中：Wh為人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量，g；wi為每個(gè)時(shí)間段末(每3 min)瞬時(shí)土壤侵蝕量，g；Vi為每個(gè)時(shí)間段(3 min)徑流量，mL；vi為每個(gè)時(shí)間段末(每3 min)瞬時(shí)徑流量，mL。

測(cè)釬法土壤侵蝕量計(jì)算參考《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 277—2002)，通過(guò)降雨前后鋼釬出露地表的差值計(jì)算總的土壤侵蝕量[8]。計(jì)算公式為

Wc=1 000ZSρ

(2)

式中：Wc為測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量，g；Z為侵蝕厚度，mm；S為觀測(cè)小區(qū)坡面面積，m2；ρ為土壤容重，g/cm3。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 測(cè)釬法與人工模擬降雨法計(jì)算結(jié)果比較

表1為分別通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算出的人工模擬降雨法和測(cè)釬法的土壤侵蝕量及比較情況。

表1 用兩種方法計(jì)算的土壤侵蝕量結(jié)果比較

從表1可以看出，試驗(yàn)條件下，測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量與人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量數(shù)據(jù)有一定的誤差(19%～30%)，測(cè)釬法計(jì)算結(jié)果要小于人工模擬降雨法計(jì)算結(jié)果。分析其原因，測(cè)釬法在土壤侵蝕量計(jì)算過(guò)程中僅僅考慮了坡面因地表徑流引起的面蝕產(chǎn)生的土壤侵蝕量，因?yàn)橛^測(cè)方法粗糙，未考慮坡面地表徑流引發(fā)的溝蝕產(chǎn)生的土壤侵蝕量。因此，兩者相差的數(shù)值為溝蝕產(chǎn)生的土壤侵蝕量(臨時(shí)堆土在堆放初期不能很快沉降穩(wěn)定，因此本試驗(yàn)過(guò)程中暫不考慮土體沉降誤差)。從圖1可以看出在5次降雨過(guò)程中，由于降雨前期土壤含水量沒(méi)能恢復(fù)到最初的數(shù)值，每次人工模擬降雨試驗(yàn)過(guò)程中土壤很容易達(dá)到飽和，地表徑流量加大，因此每次測(cè)定的土壤侵蝕量結(jié)果均不相同，即土壤前期含水量越大，土壤侵蝕量越大。這與王輝等[9-10]研究前期土壤含水量10%～25%時(shí)土壤侵蝕量呈遞增趨勢(shì)的結(jié)論相符，也說(shuō)明本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。

圖1 人工模擬降雨法累積土壤侵蝕量隨降雨時(shí)間變化情況

2.2 相關(guān)性分析與回歸模型建立

通過(guò)測(cè)釬法與人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，雖然兩種方法測(cè)得的土壤侵蝕量有一定的誤差，但變化趨勢(shì)是一致的。采用SPSS軟件對(duì)測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量與人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩者之間呈極顯著的正相關(guān)(R=0.981，P<0.05)。通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，F(xiàn)=76.873>0.003，R2=0.962，建立回歸方程為

y=1.431x-27.237

(3)

式中：y為人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量，g；x為測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量，g。

圖2 測(cè)釬法與人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量對(duì)比

2.3 討論

(1)本次研究是在模擬降雨雨強(qiáng)40 mm/h、降雨歷時(shí)30 min，觀測(cè)小區(qū)坡度8°、地表覆蓋度0、初始土壤容重1.23 g/cm3、初始含水率14.79%的試驗(yàn)條件下進(jìn)行的。不同的雨強(qiáng)、坡度、降雨歷時(shí)和地表覆蓋度等會(huì)對(duì)土壤的抗沖性、入滲率產(chǎn)生不同的影響，其地表產(chǎn)流量及土壤侵蝕量結(jié)果也會(huì)不同。其他條件下測(cè)釬法與人工模擬降雨法計(jì)算的土壤侵蝕量結(jié)果之間是否也有著類似的相關(guān)性，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

(2)測(cè)釬法與人工模擬降雨法都是測(cè)定降雨產(chǎn)生土壤侵蝕量的常用方法，二者之間的差異主要是前者未考慮坡面溝蝕，因此對(duì)這兩種方法之間的相關(guān)性分析實(shí)質(zhì)上就是坡面面蝕和溝蝕之間的相關(guān)性分析。廖章志[11]采用測(cè)釬法對(duì)貴州省面蝕、溝蝕的土壤侵蝕量進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示兩者比例為1.00∶1.91，說(shuō)明面蝕與溝蝕之間具有相關(guān)性。何元慶等[12]在研究堆棄土邊坡土壤侵蝕量時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)釬法監(jiān)測(cè)結(jié)果比3D激光掃描法結(jié)果小13.26%，可見(jiàn)測(cè)釬法測(cè)量的面蝕結(jié)果可靠性還是較高的，還能通過(guò)研究面蝕和溝蝕之間的規(guī)律性提高測(cè)釬法的精確度。

3 結(jié) 論

(1)在模擬降雨雨強(qiáng)40 mm/h、降雨歷時(shí)30 min，觀測(cè)小區(qū)坡度8°、地表覆蓋度0、初始土壤容重1.23 g/cm3、初始含水率14.79%的試驗(yàn)條件下，測(cè)釬法計(jì)算的土壤侵蝕量結(jié)果與人工模擬降雨法計(jì)算結(jié)果之間有一定的誤差，范圍在19%～30%，整體上測(cè)釬法計(jì)算結(jié)果小于人工模擬降雨法計(jì)算結(jié)果。誤差產(chǎn)生的原因是測(cè)釬法未考慮到溝蝕產(chǎn)生的土壤侵蝕量。

(2)相關(guān)分析結(jié)果表明測(cè)釬法與人工模擬降雨法測(cè)量的土壤侵蝕量之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R=0.981，P<0.05)。兩種方法測(cè)得的土壤侵蝕量有一定的誤差，但變化趨勢(shì)是一致的。

(3)在野外水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)與本試驗(yàn)相同的地表狀況進(jìn)行測(cè)釬法觀測(cè)時(shí)，可以通過(guò)應(yīng)用回歸模型方程y=1.431x-27.237，對(duì)土壤侵蝕量結(jié)果進(jìn)行校正，使得觀測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)的土壤侵蝕量。

(4)進(jìn)一步研究在其他條件下測(cè)釬法測(cè)算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間的關(guān)系，將為野外堆土坡面水土流失監(jiān)測(cè)提供更加全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和決策指導(dǎo)，對(duì)于區(qū)域水土保持措施布設(shè)具有指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014027022)

S157

A

1000-0941(2017)05-0035-03

李純乾(1980—)，男，陜西寶雞市人，助理研究員，碩士，主要從事水土保持研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案編制及監(jiān)測(cè)等方面的工作。

2016-09-15