利用人工模擬降雨法提高測釬法精確度

李純乾，李鳳鳴，柳金庫，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實驗室，遼寧 朝陽 122000)

利用人工模擬降雨法提高測釬法精確度

李純乾，李鳳鳴，柳金庫，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實驗室，遼寧 朝陽 122000)

人工模擬降雨；測釬法；土壤侵蝕量；水土流失監(jiān)測

在一定的降雨條件下，采用人工模擬降雨法與測釬法計算土壤侵蝕量并進行對比，分析兩者相關(guān)性，對測釬法進行校準，以提高該方法的精確度。在雨強40 mm/h、降雨歷時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%的試驗條件下，測釬法計算的土壤侵蝕量結(jié)果小于人工模擬降雨法計算的結(jié)果，兩者相差19%～30%。相關(guān)分析結(jié)果表明，測釬法結(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)。通過建立回歸模型方程y=1.431x-27.237，可對同類條件下運用測釬法的計算結(jié)果進行校正，使之更加接近真實的土壤侵蝕量。未來，進一步研究在不同條件下兩者之間的關(guān)系，將為利用測釬法進行野外堆土坡面水土流失監(jiān)測提供更加準確的數(shù)據(jù)支持和決策指導。

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于遼寧省朝陽市朝陽縣波羅赤鎮(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，多年平均風速2.8 m/s，多年平均大風天數(shù)8 d，多年平均最大凍土深135 cm。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗是在遼寧省水土保持研究所試驗基地的人工模擬降雨大廳進行的。人工模擬降雨設(shè)備采用中國科學院/水利部水土保持研究所與西安清遠測控技術(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。測釬編號順序為從上到下、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，則土壤就會覆蓋鋼釬帽，無法進行正確的測量和讀數(shù)，因此布設(shè)的每根測釬均露出地表5 cm。

試驗條件設(shè)定為模擬降雨雨強40 mm/h、降雨歷時30 min，觀測小區(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)流開始計時，每隔3 min用500 mL廣口瓶取少量徑流一次，同時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降雨前后分別對每根鋼釬出露地表的長度進行測量和記錄。為了保證試驗的準確度，在相同條件下進行了5次試驗。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用精度到毫米的鋼尺進行測釬長度測量。用量筒量取廣口瓶收集的水量，用濾紙和漏斗過濾、采集廣口瓶內(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)量來推算的，計算公式為

(1)

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

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

Wc=1 000ZSρ

(2)

式中：Wc為測釬法計算的土壤侵蝕量，g；Z為侵蝕厚度，mm；S為觀測小區(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 測釬法與人工模擬降雨法計算結(jié)果比較

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

表1 用兩種方法計算的土壤侵蝕量結(jié)果比較

從表1可以看出，試驗條件下，測釬法計算的土壤侵蝕量與人工模擬降雨法計算的土壤侵蝕量數(shù)據(jù)有一定的誤差(19%～30%)，測釬法計算結(jié)果要小于人工模擬降雨法計算結(jié)果。分析其原因，測釬法在土壤侵蝕量計算過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，因為觀測方法粗糙，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(臨時堆土在堆放初期不能很快沉降穩(wěn)定，因此本試驗過程中暫不考慮土體沉降誤差)。從圖1可以看出在5次降雨過程中，由于降雨前期土壤含水量沒能恢復到最初的數(shù)值，每次人工模擬降雨試驗過程中土壤很容易達到飽和，地表徑流量加大，因此每次測定的土壤侵蝕量結(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%時土壤侵蝕量呈遞增趨勢的結(jié)論相符，也說明本次試驗數(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間變化情況

2.2 相關(guān)性分析與回歸模型建立

通過測釬法與人工模擬降雨法計算的土壤侵蝕量對比結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯m然兩種方法測得的土壤侵蝕量有一定的誤差，但變化趨勢是一致的。采用SPSS軟件對測釬法計算的土壤侵蝕量與人工模擬降雨法計算的土壤侵蝕量之間的相關(guān)性進行分析，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SPSS軟件進行回歸分析，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算的土壤侵蝕量，g；x為測釬法計算的土壤侵蝕量，g。

圖2 測釬法與人工模擬降雨法計算的土壤侵蝕量對比

2.3 討論

(1)本次研究是在模擬降雨雨強40 mm/h、降雨歷時30 min，觀測小區(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%的試驗條件下進行的。不同的雨強、坡度、降雨歷時和地表覆蓋度等會對土壤的抗沖性、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)果也會不同。其他條件下測釬法與人工模擬降雨法計算的土壤侵蝕量結(jié)果之間是否也有著類似的相關(guān)性，有待于進一步試驗驗證。

(2)測釬法與人工模擬降雨法都是測定降雨產(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，因此對這兩種方法之間的相關(guān)性分析實質(zhì)上就是坡面面蝕和溝蝕之間的相關(guān)性分析。廖章志[11]采用測釬法對貴州省面蝕、溝蝕的土壤侵蝕量進行了研究，結(jié)果顯示兩者比例為1.00∶1.91，說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發(fā)現(xiàn)，測釬法監(jiān)測結(jié)果比3D激光掃描法結(jié)果小13.26%，可見測釬法測量的面蝕結(jié)果可靠性還是較高的，還能通過研究面蝕和溝蝕之間的規(guī)律性提高測釬法的精確度。

3 結(jié) 論

(1)在模擬降雨雨強40 mm/h、降雨歷時30 min，觀測小區(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%的試驗條件下，測釬法計算的土壤侵蝕量結(jié)果與人工模擬降雨法計算結(jié)果之間有一定的誤差，范圍在19%～30%，整體上測釬法計算結(jié)果小于人工模擬降雨法計算結(jié)果。誤差產(chǎn)生的原因是測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)果表明測釬法與人工模擬降雨法測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)。兩種方法測得的土壤侵蝕量有一定的誤差，但變化趨勢是一致的。

(3)在野外水土流失監(jiān)測過程中，對與本試驗相同的地表狀況進行測釬法觀測時，可以通過應用回歸模型方程y=1.431x-27.237，對土壤侵蝕量結(jié)果進行校正，使得觀測結(jié)果更加接近真實的土壤侵蝕量。

(4)進一步研究在其他條件下測釬法測算結(jié)果與真實結(jié)果之間的關(guān)系，將為野外堆土坡面水土流失監(jiān)測提供更加全面準確的數(shù)據(jù)支持和決策指導，對于區(qū)域水土保持措施布設(shè)具有指導意義。

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(責任編輯 李楊楊)

遼寧省自然科學基金項目(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、方案編制及監(jiān)測等方面的工作。

2016-09-15