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摘要在5~25€暗淖厝榔碌厣希?984年到1990年,对山东临朐辛庄试验站的水土流失进行了定位观察,研究得出:土壤侵蚀与坡度密切相关。径流模数与降雨量存在y=ax+b线性函数关系。不同坡度条件下,土壤侵蚀量与降雨侵蚀力呈幂函数关系(A=F(∑EI30)),随着坡度的增加而增加。侵蚀量与径流量成线性相关,在一定条件下,坡度越大,土壤侵蚀量与径流量的相关系数越大。
关键词中低山丘陵 土壤侵蚀量 径流模数
中图分类号:S157文献标识码:A
坡度是影响流域产流、汇流、土壤侵蚀及产沙、泥沙输移和泥沙输移比的重要参数,这一点早已被国内外的学者所认识。坡面土壤侵蚀产沙是坡面径流在向下流动的过程中,径流冲刷作用和坡面抗冲能力及地面补充能力之间相互协调的综合结果。①在土壤侵蚀下垫因子中,坡度是坡面土壤侵蚀中影响最大的因素。②⑦坡度对坡面侵蚀的影响最终是通过坡面的径流量和流速来体现的。③对于坡耕地,坡度对土壤侵蚀有着重要影响。④-⑦本研究选取山东省临朐县石家河乡辛庄小流域建立田间试验点,通过对汛期降雨条件下不同坡度影响土壤侵蚀的研究,从而探讨不同坡度下水土流失规律,以期为退耕还林及坡耕地的水土保持措施和生态环境建设提供科学的依据。
1 研究区概况
研究区设在设在山东省临朐县石家河乡辛庄小流域内,位于东经118€?3′~118€?5′,北纬36€?4′~36€?5′,属典型鲁中南低山丘陵区。该流域积面积为8.34km2,岩石为片麻岩,土壤为棕壤,土壤容重1.36 g/cm3,总孔隙度50%。年均降雨量800 mm,汛期集中在6~9月份。
2 材料与方法
2.1 径流小区设置
径流小区一个布设在试验站北山坡同一坡面上,坡向为南东东,坡度由上而下依此为25€啊?5€啊?€叭鎏荻龋∏?0m,宽5m;一个布设在试验站院北,坡向由上而下为7€埃ɑ浩屡┨铮?€埃ㄋ脚┨铮=ㄖ牧喜捎盟嗯髯鞴。⒂盟嗄ㄆ觯浔叱び肫孪蚱叫校∏讲喔魃?米宽的隔离区,小区上部设有排水沟,下部直连水池。
2.2 降雨因子的测定
在径流小区内设置自记雨量计,记录降雨过程,据此计算每一次降雨的降雨量、平均降雨强度、最大l0min,30min雨强、侵蚀性降雨动能等,并用这些基本数据计算降雨侵蚀力,公式为R=∑E·I30,其中,R——降雨侵蚀力指标[J/(h·m2)];E——1场侵蚀性降雨总动能[J/(m2·mm)];I30—该场降雨最大30min雨强(mm/h)。
2.3 液体、固体径流的测定
土壤侵蚀量观测记载以一次降雨过程为单位。每次产流后,测定蓄水池水面深度,计算径流量。泥沙观测在每次产流后取样,用取样桶采集泥沙样品,取样方法是把蓄水池中的洪水充分混合搅匀后取样,过滤烘干称重,计算产沙量。
2.4 分析方法
本研究主要运用Excel和SPSS (12.0)统计分析软件对所得数据进行处理分析。
3结果与分析
3.1 不同坡度条件下的降雨量对径流量的影响
3.1.1 径流模数与降雨量的关系
径流模数是综合反映地面植被、土壤、地质、地貌等生态环境和水土流失状况的一个重要指标 ,径流模数的大小,受到降水量、降雨强度、和下垫面等多种因素的制约与影响。?所谓径流模数是指流域内单位面积、单位时间产生的径流量,其单位为m3/(s.km2)。计算公式为:M=1000Q/F,式中M为径流模数,Q为流量,F为流域面积。径流是指水在地面上的流动,被渗到地下的水不算径流。在所有计算径流的常用量中,径流模数消除了流域面积大小的影响,最能说明与自然地理条件相联系的径流特征。通常用径流模数对不同流域的径流进行比较。对近十年有效观测数据进行分析,发现径流模数与降雨量成线性相关,均达显著相关水平,且径流模数随降雨量的增大而增大。详见表1。
表1径流模数与降雨量的线性关系式
3.1.2 坡度对径流量的影响
不同坡度条件下径流量随降雨量的变化曲线见图1。从图1可以看出,坡度0€皛25€暗钠赂兀诮涤炅恳欢ǖ奶跫拢乇砭读髁克嫫露鹊脑龃蠖黾樱露仍酱螅黾釉矫飨浴>科湓颍饕且蛭孀牌露鹊脑黾樱仄旅娣较虻挠甑沃亓Φ姆至υ龃螅沟闷旅嫠魉俣燃涌欤媒隙痰氖奔渚湍芰鞒銎旅妫醵倘肷奔涫蛊淙肷考跣。佣咕读髁垦杆僭龃蟆T谕黄露认拢读髁克娼涤炅康脑龃蠖实菰銮魇疲徊煌露认拢读髁康脑龇煌谕唤涤炅康奶跫拢露仍酱螅读髁康脑龇酱蟆?
图1 不同坡度条件下径流量随雨量的变化
3.2 不同坡度条件下降雨因子对土壤侵蚀量的影响
3.2.1 不同坡度条件下降雨侵蚀力对土壤侵蚀量的影响
动能和雨强组合EI30反映了雨滴打击地表和产生的地表径流对土壤侵蚀的综合效应,代表的物理意义比较明确,因而在世界各国得到广泛应用。EI30计算的是次降雨侵蚀力,将月或年各次降雨侵蚀力累加得到月或年降雨侵蚀力。通过对临朐径流小区多年的降雨观测和降雨侵蚀力的计算与统计回归分析,结果见表2和图2。
图2不同坡度下降雨侵蚀力与土壤侵蚀关系
随着坡度的增加,土壤侵蚀量和降雨侵蚀力的相关系数有增大的趋势且在不同坡度的相关程度表现的差异不大,具有一定的规律性。在一定坡度范围内,坡度越大,降雨侵蚀力R与土壤流失量A的关系越密切(见表2)。在不同坡度降雨侵蚀力R相同的情况下,土壤侵蚀量随坡度的增加而增大;在不同坡度土壤侵蚀量相同的情况下,坡度越小,所需要的降雨侵蚀力就越大(见图2)。
表2不同坡度土壤侵蚀量A与降雨侵蚀力∑EI30的关系式
注:A单位为T/Km2, ∑EI30单位为J/(m2·h);5€靶∏臼伲薹ń⒛P?
3.2.2 坡度对土壤侵蚀量的影响
坡度是影响水力侵蚀的重要因素之一。它的作用在于改变地面上水和土的平衡状态,使坡面上的水沙特征发生变化。当降雨量和植被覆盖度到一定时,坡度是决定土壤侵量的主要因子。对于坡度与侵蚀的关系,不少研究者从不同侧面对其进行了研究,并得出了各自的经验公式,由于考虑问题的角度不同,所得的结果也不同,许多问题还有待于进一步探索。本研究试图从汛期降雨试验的角度探讨在不同降雨强度条件下坡度对土壤侵蚀规律的影响。不同雨强条件下土壤侵蚀随坡度的变化情况见图3。对监测数据进行相关分析表明,土壤侵蚀随坡度的变化可用抛物线回归方程进行描述,各种降雨强度条件下坡度对土壤侵蚀量的统计分析与检验结果见表3。
图3不同雨强条件下土壤侵蚀随坡度的变化
从表3中可以看出,在不同降雨强度条件下,与坡度之间呈抛物线关系的相关程度在0.01水平下为极显著,降雨强度在28.5mm/h时与坡度的相关系数在0.05水平下显著。图3表明,不论在各种降雨强度条件下的侵蚀,各条拟合曲线的变化均具有一致的趋势,其表现形式为在5～25€爸洌寥狼质戳坑肫露鹊拇笮〕烧龋露仍酱螅寥狼质戳吭酱螅?这与前人研究所得结论基本吻合。由于本研究区坡度范围布设有所局限,在25～30€爸洌质辞慷人嫫露仁窃龃蠡故羌跣〉那魇莆薹ㄈ范ǎ薹ㄈ范ㄆ淞俳缙露龋窈蠖源笃露扔胪寥狼质吹墓叵涤写徊娇埂?
表3坡度对土壤侵蚀影响的回归方程
4结论与讨论
(1)研究得出径流模数与降雨量存在y=ax+b线性函数关系,且径流模数随降雨量的增大而增大。研究表明,在其他条件相同的不同坡度条件下,侵蚀模数与降雨强度之间均呈线性正相关关系,且相关性显著。
(2)不同坡度条件下,土壤侵蚀量与降雨侵蚀力成幂函数关系,且相关性均达到极显著水平。在一定坡度范围内,坡度越大,降雨侵蚀力R与土壤流失量A的关系越密切。
(3)在一定坡度范围内,坡地的降雨地表径流量、地表径流侵蚀模数,随着坡度的增加而增加,坡度对水力侵蚀作用的影响并不是单一的正比关系,而是有一个侵蚀临界坡度存在,超过这一临界坡度,侵蚀反而减少。由于本次试验坡度范围布设有所局限,在25～30€爸洌质辞慷人嫫露仁窃龃蠡故羌跣〉那魇莆薹ㄈ范ǎ薹ㄈ范ㄆ淞俳缙露取=窈蠖源笃露扔胪寥狼质吹墓叵涤写徊娇埂?
基金项目:山东省水利厅资助项目“山东典型侵蚀区水土流失机理与综合治理效益研究”
注释
①左长清,胡根华,等.红壤坡地水土流失规律研究[J].水土保持学报,2003.17(6):89-91.
②MeyerLD.Erosion Processes and Sediment Properties For Agricultural Cropland.Hillslope Processes (Ed.byA.D.Abrahams)Allen and Unwin,1990.
③靳长兴.论坡面侵蚀的临界坡度[J].地理学报,1995.50(3):234-239.
④唐克丽.黄土高原土壤侵蚀区域特征及其治理途径[M].北京:中国科学技术出版社,1990.
⑤Romero D A,Cammeraat L H,Vacca A,et al.Soil erosion at three experimental sites in the Mediterranean[J].Earth Surface Process Landforms,1999(24):1243-1256.
⑥刘青泉,陈力,李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析[J].应用数学和力学,2001.22(5):449-457.
⑦靳长兴.坡度在坡面侵蚀中的作用[J].地理研究,1996.15(3):57-62.
关键词中低山丘陵 土壤侵蚀量 径流模数
中图分类号:S157文献标识码:A
坡度是影响流域产流、汇流、土壤侵蚀及产沙、泥沙输移和泥沙输移比的重要参数,这一点早已被国内外的学者所认识。坡面土壤侵蚀产沙是坡面径流在向下流动的过程中,径流冲刷作用和坡面抗冲能力及地面补充能力之间相互协调的综合结果。①在土壤侵蚀下垫因子中,坡度是坡面土壤侵蚀中影响最大的因素。②⑦坡度对坡面侵蚀的影响最终是通过坡面的径流量和流速来体现的。③对于坡耕地,坡度对土壤侵蚀有着重要影响。④-⑦本研究选取山东省临朐县石家河乡辛庄小流域建立田间试验点,通过对汛期降雨条件下不同坡度影响土壤侵蚀的研究,从而探讨不同坡度下水土流失规律,以期为退耕还林及坡耕地的水土保持措施和生态环境建设提供科学的依据。
1 研究区概况
研究区设在设在山东省临朐县石家河乡辛庄小流域内,位于东经118€?3′~118€?5′,北纬36€?4′~36€?5′,属典型鲁中南低山丘陵区。该流域积面积为8.34km2,岩石为片麻岩,土壤为棕壤,土壤容重1.36 g/cm3,总孔隙度50%。年均降雨量800 mm,汛期集中在6~9月份。
2 材料与方法
2.1 径流小区设置
径流小区一个布设在试验站北山坡同一坡面上,坡向为南东东,坡度由上而下依此为25€啊?5€啊?€叭鎏荻龋∏?0m,宽5m;一个布设在试验站院北,坡向由上而下为7€埃ɑ浩屡┨铮?€埃ㄋ脚┨铮=ㄖ牧喜捎盟嗯髯鞴。⒂盟嗄ㄆ觯浔叱び肫孪蚱叫校∏讲喔魃?米宽的隔离区,小区上部设有排水沟,下部直连水池。
2.2 降雨因子的测定
在径流小区内设置自记雨量计,记录降雨过程,据此计算每一次降雨的降雨量、平均降雨强度、最大l0min,30min雨强、侵蚀性降雨动能等,并用这些基本数据计算降雨侵蚀力,公式为R=∑E·I30,其中,R——降雨侵蚀力指标[J/(h·m2)];E——1场侵蚀性降雨总动能[J/(m2·mm)];I30—该场降雨最大30min雨强(mm/h)。
2.3 液体、固体径流的测定
土壤侵蚀量观测记载以一次降雨过程为单位。每次产流后,测定蓄水池水面深度,计算径流量。泥沙观测在每次产流后取样,用取样桶采集泥沙样品,取样方法是把蓄水池中的洪水充分混合搅匀后取样,过滤烘干称重,计算产沙量。
2.4 分析方法
本研究主要运用Excel和SPSS (12.0)统计分析软件对所得数据进行处理分析。
3结果与分析
3.1 不同坡度条件下的降雨量对径流量的影响
3.1.1 径流模数与降雨量的关系
径流模数是综合反映地面植被、土壤、地质、地貌等生态环境和水土流失状况的一个重要指标 ,径流模数的大小,受到降水量、降雨强度、和下垫面等多种因素的制约与影响。?所谓径流模数是指流域内单位面积、单位时间产生的径流量,其单位为m3/(s.km2)。计算公式为:M=1000Q/F,式中M为径流模数,Q为流量,F为流域面积。径流是指水在地面上的流动,被渗到地下的水不算径流。在所有计算径流的常用量中,径流模数消除了流域面积大小的影响,最能说明与自然地理条件相联系的径流特征。通常用径流模数对不同流域的径流进行比较。对近十年有效观测数据进行分析,发现径流模数与降雨量成线性相关,均达显著相关水平,且径流模数随降雨量的增大而增大。详见表1。
表1径流模数与降雨量的线性关系式
3.1.2 坡度对径流量的影响
不同坡度条件下径流量随降雨量的变化曲线见图1。从图1可以看出,坡度0€皛25€暗钠赂兀诮涤炅恳欢ǖ奶跫拢乇砭读髁克嫫露鹊脑龃蠖黾樱露仍酱螅黾釉矫飨浴>科湓颍饕且蛭孀牌露鹊脑黾樱仄旅娣较虻挠甑沃亓Φ姆至υ龃螅沟闷旅嫠魉俣燃涌欤媒隙痰氖奔渚湍芰鞒銎旅妫醵倘肷奔涫蛊淙肷考跣。佣咕读髁垦杆僭龃蟆T谕黄露认拢读髁克娼涤炅康脑龃蠖实菰銮魇疲徊煌露认拢读髁康脑龇煌谕唤涤炅康奶跫拢露仍酱螅读髁康脑龇酱蟆?
图1 不同坡度条件下径流量随雨量的变化
3.2 不同坡度条件下降雨因子对土壤侵蚀量的影响
3.2.1 不同坡度条件下降雨侵蚀力对土壤侵蚀量的影响
动能和雨强组合EI30反映了雨滴打击地表和产生的地表径流对土壤侵蚀的综合效应,代表的物理意义比较明确,因而在世界各国得到广泛应用。EI30计算的是次降雨侵蚀力,将月或年各次降雨侵蚀力累加得到月或年降雨侵蚀力。通过对临朐径流小区多年的降雨观测和降雨侵蚀力的计算与统计回归分析,结果见表2和图2。
图2不同坡度下降雨侵蚀力与土壤侵蚀关系
随着坡度的增加,土壤侵蚀量和降雨侵蚀力的相关系数有增大的趋势且在不同坡度的相关程度表现的差异不大,具有一定的规律性。在一定坡度范围内,坡度越大,降雨侵蚀力R与土壤流失量A的关系越密切(见表2)。在不同坡度降雨侵蚀力R相同的情况下,土壤侵蚀量随坡度的增加而增大;在不同坡度土壤侵蚀量相同的情况下,坡度越小,所需要的降雨侵蚀力就越大(见图2)。
表2不同坡度土壤侵蚀量A与降雨侵蚀力∑EI30的关系式
注:A单位为T/Km2, ∑EI30单位为J/(m2·h);5€靶∏臼伲薹ń⒛P?
3.2.2 坡度对土壤侵蚀量的影响
坡度是影响水力侵蚀的重要因素之一。它的作用在于改变地面上水和土的平衡状态,使坡面上的水沙特征发生变化。当降雨量和植被覆盖度到一定时,坡度是决定土壤侵量的主要因子。对于坡度与侵蚀的关系,不少研究者从不同侧面对其进行了研究,并得出了各自的经验公式,由于考虑问题的角度不同,所得的结果也不同,许多问题还有待于进一步探索。本研究试图从汛期降雨试验的角度探讨在不同降雨强度条件下坡度对土壤侵蚀规律的影响。不同雨强条件下土壤侵蚀随坡度的变化情况见图3。对监测数据进行相关分析表明,土壤侵蚀随坡度的变化可用抛物线回归方程进行描述,各种降雨强度条件下坡度对土壤侵蚀量的统计分析与检验结果见表3。
图3不同雨强条件下土壤侵蚀随坡度的变化
从表3中可以看出,在不同降雨强度条件下,与坡度之间呈抛物线关系的相关程度在0.01水平下为极显著,降雨强度在28.5mm/h时与坡度的相关系数在0.05水平下显著。图3表明,不论在各种降雨强度条件下的侵蚀,各条拟合曲线的变化均具有一致的趋势,其表现形式为在5～25€爸洌寥狼质戳坑肫露鹊拇笮〕烧龋露仍酱螅寥狼质戳吭酱螅?这与前人研究所得结论基本吻合。由于本研究区坡度范围布设有所局限,在25～30€爸洌质辞慷人嫫露仁窃龃蠡故羌跣〉那魇莆薹ㄈ范ǎ薹ㄈ范ㄆ淞俳缙露龋窈蠖源笃露扔胪寥狼质吹墓叵涤写徊娇埂?
表3坡度对土壤侵蚀影响的回归方程
4结论与讨论
(1)研究得出径流模数与降雨量存在y=ax+b线性函数关系,且径流模数随降雨量的增大而增大。研究表明,在其他条件相同的不同坡度条件下,侵蚀模数与降雨强度之间均呈线性正相关关系,且相关性显著。
(2)不同坡度条件下,土壤侵蚀量与降雨侵蚀力成幂函数关系,且相关性均达到极显著水平。在一定坡度范围内,坡度越大,降雨侵蚀力R与土壤流失量A的关系越密切。
(3)在一定坡度范围内,坡地的降雨地表径流量、地表径流侵蚀模数,随着坡度的增加而增加,坡度对水力侵蚀作用的影响并不是单一的正比关系,而是有一个侵蚀临界坡度存在,超过这一临界坡度,侵蚀反而减少。由于本次试验坡度范围布设有所局限,在25～30€爸洌质辞慷人嫫露仁窃龃蠡故羌跣〉那魇莆薹ㄈ范ǎ薹ㄈ范ㄆ淞俳缙露取=窈蠖源笃露扔胪寥狼质吹墓叵涤写徊娇埂?
基金项目:山东省水利厅资助项目“山东典型侵蚀区水土流失机理与综合治理效益研究”
注释
①左长清,胡根华,等.红壤坡地水土流失规律研究[J].水土保持学报,2003.17(6):89-91.
②MeyerLD.Erosion Processes and Sediment Properties For Agricultural Cropland.Hillslope Processes (Ed.byA.D.Abrahams)Allen and Unwin,1990.
③靳长兴.论坡面侵蚀的临界坡度[J].地理学报,1995.50(3):234-239.
④唐克丽.黄土高原土壤侵蚀区域特征及其治理途径[M].北京:中国科学技术出版社,1990.
⑤Romero D A,Cammeraat L H,Vacca A,et al.Soil erosion at three experimental sites in the Mediterranean[J].Earth Surface Process Landforms,1999(24):1243-1256.
⑥刘青泉,陈力,李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析[J].应用数学和力学,2001.22(5):449-457.
⑦靳长兴.坡度在坡面侵蚀中的作用[J].地理研究,1996.15(3):57-62.