小流域土壤侵蚀因子初步研究

宏瑾靓

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

辽河铁岭段某小流域位于铁岭市中西部地区，是径流铁岭市的主要河流，流域占地面积为16.8km2，主支流长22.7km，最大坡降比为0.16m/m，海拔最大高度为872m，最低为175m。流域为多为低丘陵区，山坡陡峭，山体坡度在21°～35°之间，土壤类型有棕壤土、褐土和草甸土、水稻土，地质岩层属性以石英砂岩、泥岩和页岩为主[1]。研究流域属于大陆性季风气候，多年来平均降雨量在652～820mm，且在时空上分布明显不均匀，每年的6～9月是降雨旺季占全年的75%以上，降雨量由东南向西北逐渐减少[2]。流域内植被类型主要有常绿阔叶林、次生针阔叶混交林，如油茶、刺槐、柑橘等，主要农作物类型有玉米、高粱、谷子、甘薯和豆类等。随着经济作物的不断推广和应用，流域内的农耕地比例和耕作模式已发生较为显著的改变，特别是在中下游地区更为明显。

1 土壤侵蚀因子计算及分析

本研究于2016年8～10月在铁岭段某小流域进行野外现场勘测试验，主要包括土壤的抗冲强度、抗剪切强度、稳渗率性能以及崩解强度试验的测试[3]。小流域内土壤属性类型较多，故本研究主要选取了紫砂土、紫泥砂土、酸性泥砂土和酸性紫沙土等具有代表性8种土质属性进行试验研究，可覆盖的土地面积为12.46km2，占流域的74.18%，本研究所选的土壤属性除水稻土外基本可代表研究流域的流失土壤。为了便于统计和分析，本研究将含砾石量小于30%的前5种土属称为砂土，将含砾石量大于30%的其余3类土属称为砾石土。为了便于试验操作，选取梯田和坡耕地两种耕作模式进行试验测试研究[4- 7]。

1.1 土壤稳渗率指标

利用定水压土壤下渗法进行土壤的稳渗率试验，且所涉及的双环渗透的内环和外环面积分别为200cm2和400cm2。试验过程中水层厚度保持为5cm，环内土层厚度为18cm，据此，可以形成一维的垂直入渗，能够更加符合降雨入渗过程的实际情况。各土属的稳渗率测量时段间隔统一设定为90min，并分别在0、0.5、1、2、4、6、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80min的时刻记录水分的入渗量。采用Margrave.G.W法对入渗测量结果进行计算处理，公式为ft=(co+kta)，其中a表示土壤的特性常数即土壤的初始入渗至稳定入渗的速度，k是与土壤稳渗率和初渗率相关的常数，土壤稳渗率测量计算结果见表1。

本研究为了提高各土壤的稳定入渗率的可对比性能，统一选用90min时的土壤入渗率作为稳定入神率co，同时保证与实际入渗率之间的误差不至于过大。利用Margrave.G.W入渗公式进行砂土和砾石土进行入渗拟合时，选用的回归系数r均保持在0.820以上，拟合优化性能良好。

表1 土壤的入渗率指标测量计算结果

由表1计算结果可知，砂土和砾石土的k值常数分别为16.021和26.815，a值系数分别为-0.1752和-0.2451，二者存在明显的差异性。其原因可能与土壤的颗粒级配相关，砾石土相对于砂土而言其土壤颗粒级配较差，土壤的孔隙率较高并具有良好的通透性，渗透初期的含水量较低，初始渗率较高，土壤的最大持水量较少，最终导致砾石土的k值明显大于砂土；砂土相对于砾石土的颗粒级配较为合理，土壤较为紧密，孔隙率较低，在渗水作用下的渗透速度较慢，土壤达到饱的速度较快，同时具有较高的持水临界点，因此特性常数a的入渗曲线斜率值大于砾石土[8]。本文为了更深入的对全流域的土壤入渗参数进行研究分析，对全流域的初渗f0.5和稳渗f90值利用面积权重法分别进行了计算，结果分别为23.122mm/min和6.485mm/min。结合铁岭段小流域的历年气象资料可知，在5min内发生的最大降雨量为1995年仅为12.6mm，据此可知，研究流域降雨的主要产流方式是蓄满产流。

1.2 土壤抗冲强度指标

土壤在径流水冲击作用下的土壤颗粒产生分散的难易程度往往采用土壤抗冲性指标进行表征，即土壤抵抗水力冲击分散的能力。土壤抗冲系数是评价土壤抗冲性的参数指标，其基本概念是在一定水量和时间下所冲走的1g土壤量。依据蒋定生等对土壤抗冲性试验设计的标准，进行在一定水头压力下的土壤随水流的冲击量[9]。根据不同地区的地势结构，试验分别选用了5°、10°、15°、20°、25°的坡度开展研究，并且需考虑土壤层厚度的影响，对坡面土层厚度为0～10cm和20～30cm时进行土壤的抗冲系数的测定，不同坡度和厚度条件下的土壤抗冲系数计算结果见表2。由表2可知，不同土层厚度的土壤抗冲系数存在较大差异，相同坡度下的0～10cm土层厚的抗冲系数明显大于20～30cm土层后系数，且随着坡度的逐渐增大，二者的差距值之间减小；在相同坡度和土壤厚度条件下，砾石土的抗冲系数明显高于砂土。

表2 不同坡度和厚度下的土壤抗冲系数单位：L·min/g

利用皮尔逊Peaeson单因子相关分析法对表2中砂土和砾石土上、下层的抗冲系数，以及不同坡度和上、下层之间的抗冲系数进行相关性分析计算，计算结果见表3。

表3利用皮尔逊单因子法对各因子之间的相关性分析结果

相关系数砂土(0～10cm)砂土(20～30cm)砾石土(0～10cm)砾石土(20～30cm)坡度0.051-0.950-0.818-0.476砂土(0～10cm)—-0.036——砾石土(0～10cm)———0.816

由表3可知，土壤坡度与20～30cm厚的砂土具有明显的相关性，而0～10cm厚的砂土的抗冲性与坡度之间的相关性不明显仅为0.051，其原因可能与砂土中的黏粒含量较大有关，在降雨作用下土壤表面易形成结皮层，且该结皮层受坡度影响较小，层质结构较为密实不易被水力冲刷侵蚀。砂土受边界条件影响，上、下层之间无明显的相关性仅为-0.036。砾石土因具备较多的砾石，且颗粒级配不如砂土合理，且各层之间的边界条件大致相同，故受坡度影响具有一定的相关性，砂石土质上、下层之间的相关性较为0.816。综上所述，小流域的坡度对土壤抗冲性能的作用影响程度并不明显，在土壤表层遭到破坏后，则下层土壤的易侵蚀性能将明显增加[10]。

1.3 土壤崩解强度指标

土壤颗粒结构在水力浸润而产生解体的性质即为土壤的崩解强度，也可称为土壤的抗蚀性能，它是表征土壤在降雨分解作用下结构分解难易程度的主要指标参数。对各个土属样品进行崩解观测的时间段为30min，时间观测点分别为0、0.5、1、2、4、6、8、10、15、20、30min。根据土样开始崩解所记录的时刻点准确计算土样的崩解量，结合以上方法和基本过程对土样进行崩解强度统计计算，计算结果见表4。

由表4可知，在静水压力作用下土壤的上、下两层的崩解速率分别为6.85cm3/min和4.62cm3/min，明显低于其他区域的32.18cm3/min和25.66cm3/min。研究表明，在侵蚀性土壤在搬运过程中不易发生崩解分离的过程，在流域沟道中所占的比重相对较高，其原因可能与河流输沙移比小的因素相关；砂砾土虽然颗粒级配较差，但其崩解速率依旧较小，其原因可能与试验取样相关，本研究的样品取样为5cm×5cm×5cm，样本中含有的砾石量和比重较大，在计算过程中产生了不可忽视的误差。

1.4 土壤抗剪切强度指标

土体在外力作用下如降雨冲刷、风力侵蚀和重力作用等，具有抵抗剪切破坏而脱离母土体的性能即为土壤抗剪切强度。本研究采用手持式抗剪切仪分别对不同土质和0～10cm、20～30cm厚的土层进行多次反复的抗剪切测试，测试结果见表5。

表5 土壤抗剪切强度指标统计计算表单位：kg/cm2

由表5可知，砂土和砾石土上、下层之间均具有一定的抗剪切强度，且无较为明显的差异。

2 降雨影响因子分析

系统内能量过程是引起水土流失的主要驱动力，而水土流失的物质基础是系统内的物质过剩，当系统内的能量和物质过程时，极易形成水土流失现象。产生水土流失的两个主要阶段为土壤侵蚀和泥沙输移，其中铁岭段小流域的土地厚度较小，降雨的入渗深度受到一定限制，壤中径流和浅层径流是降雨引起的主要地下径流方式[11]。在强降雨作用下，土壤极易达到饱和，并引起土体容重增大。土地在地表、地下径流共同作用下极易产生失稳，并引起大量的泥土随径流而流失；气象因素和下垫面因素是引起河流输沙的主要因素，气象因素是引起产沙和输沙的动力条件，而下垫面层是表征的流域地表条件。结合动力学相关理论，对于历时较长，强度低且降雨雨量大的降雨条件，流域泥沙输入量未必增大；而对于雨量大、历史短但强度高的降雨条件，流域泥沙输入量必然增大，对研究流域的降雨量与侵蚀模数的对比分析结果见表6。

表6 降雨量与土壤侵蚀模数的对比分析结果

由表6可知，1990年和2015年的总降雨量相差仅有14.4mm，但侵蚀性降雨量确相差较大为145.1mm，年侵蚀模数相差162.3t/a·km2，由此说明侵蚀性降雨量与年侵蚀模数具有密切的关系；对比分析1990年和2001年的侵蚀性降雨量可知，二者相差165.6mm，而年侵蚀模数相差1036.4t/a·km2，由此说明侵蚀性降雨历时和强度是引起土壤侵蚀流失量的主要因素。

采用曲线参数估计法对输沙量、雨强、洪峰、洪量以及30min雨强等降雨侵蚀因子进行统计计算分析，可得到线性、指数以及幂指标拟合的相关系数，见表7。由表7可知，对于幂指数模型，分别选取30min最大雨强、洪峰流量、洪量、最大输沙率的归回模型，在置信水平为0.05时，所具有的回归系数最大。分别为0.938和0.926，二者具有明显的相关性。

表7 利用回归分析法进行各因子的相关系数计算结果

3 植被和地形因子分析

结合铁岭段小流域在2015年的人工降雨资料，可建立坡面侵蚀模型与坡度、雨强、径流量以及覆盖率等影响因子的相关性关系，各但单因子与相关曲线类型的关系系数见表8。

表8 坡面侵蚀参数相关系数计算结果

由表8可知，雨强和降雨径流量是引起坡面侵蚀的主要因素，二者的相关性较为明显；而坡度与坡面侵蚀的相关性一般，坡度对坡面引起的作用程度较低，此研究理论与研究区域的地质类型相关。植被覆盖率与降雨侵蚀呈负相关性，其原因可能与土壤本身的团聚性相关，植被覆盖的影响作用不如土壤因子明显。根据文中之前的研究成果可知，坡度对降雨侵蚀的作用较小，并表现为坡度对坡面侵蚀的作用不明显。

4 结语

本文以辽河铁岭段小流域为研究对象，结合相关的气象资料开展了土壤的物理性能测试、人工降雨试验，得出的主要结论如下：

(1)砂土和砾石土的k值常数分别为16.021和26.815，a值系数分别为-0.1752和-0.2451，二者存在明显的差异性。

(2)不同土层厚度的土壤抗冲系数存在较大差异，相同坡度下的0～10cm土层厚的抗冲系数明显大于20～30cm土层后系数，且随着坡度的逐渐增大，二者的差距值之间减小；在相同坡度和土壤厚度条件下，砾石土的抗冲系数明显高于砂土。

(3)在侵蚀性土壤在搬运过程中不易发生崩解分离的过程，在流域沟道中所占的比重相对较高，其原因可能与河流输沙移比小的因素相关。

(4)侵蚀性降雨量与年侵蚀模数具有密切的关系；侵蚀性降雨历时和强度是引起土壤侵蚀流失量的主要因素。