第四章通用水土流失方程课件.ppt

1、第四章 通用土壤流失方程及其应用 通用土壤流失方程（USLE）是美国上世纪50年代以大量野外实测资料为基础，分析影响土壤侵蚀的因子，采用数理统计的方法，拟合出土壤侵蚀量与侵蚀因子之间定量关系的模型。它是用来表示坡地土壤流失量与其主要影响因子间的定量关系的侵蚀数学模型，计算在一定耕作方式和经营管理制度下，因面蚀产生的年平均土壤流失量。目前国际上出现了很多用于土壤侵蚀监测和预报的模型，但通用土壤流失方程是最基本的土壤流失方程，在全球使用最为广泛。第一节 通用土壤流失方程 通用土壤流失方程(USLE)是美国1958年利用36个地区8000个径流小区一年的观测数据得出的分析研究成果，是一种估算土壤水蚀

2、量的数学模型，它在美国各大洲都有成功应用的实例，传人我国相对较晚。由于方程中各因子参数的复杂性，美国农业部(USDA)针对提高各因子计算的通用性又提出了修正方程RUSLE。目前，通用土壤流失方程已被世界上一些国家广泛应用。一、通用土壤流失方程的形成过程 作为对侵蚀过程的进一步理解，土壤流失预报技术已提出多年了。然而，早期的估算基本上是定性的。随着研究的深入，占优势的定性描述导致了对有关因子的定量估算，真正通过经验公式进行土壤流失量的预报，则是从辛格(Zing，A.W.，1904年)进行侵蚀小区试验开始的。他把土壤流失量与坡度和坡长联系起来，提出了模型：A=CSmLn-1式中 A单位面积上的平均

3、土壤侵蚀量;C变量常数;S坡度；L坡长(水平)；m，n坡度和坡长指数(取值分别为1.4和1.6)。在此基础上，史密斯(Smith，D.D.，1941年)根据作物轮作和土壤处理的不同组合，评价了土壤保持措施因子的作用，将作物和工程措施因子与土壤流失量有机联系起来。布朗宁(Browning，G.M.)等人(1947年)又进一步发展和完善了史密斯对土壤流失量的估算方法，并作了土壤处理措施对流失量影响的估算。同时，马斯格雷夫(Musgrave，G.W.，1947年)建立了降水特性与土壤侵蚀量间的关系，并广泛应用于估算流域的总侵蚀量，方程式为 E=（0.00527）IRS1.35L0.35P301.75

4、式中E土壤流失量(mm/a)I在坡长22 m、坡度10%的坡面上，内在的土壤可蚀性(mm/a)，R植被覆盖因子 S坡度(%);L坡长(m);P30最大30min降雨量(mm)。至1954年，土壤侵蚀预报研究才克服研究分区域进行的一些固有缺点，把从美国21个州36个地区所获得的大量研究资料进行汇编，对影响土壤流失量的因子重新评价，最后由维斯奇迈尔(Wischmeier，W.H.)和史密斯(Smith)于1961年提出了目前应用最为广泛的通用土壤流失方程，数年提出了目前应用最为广泛的通用土壤流失方程，数学模型如下：学模型如下：A=RKLSCP式中A单位面积多年平均土壤流失量(t/hm2);R降雨侵

5、蚀力指数(或称降雨因子)，以100Jcm/m h计 K土壤可蚀性因子，对于一定土壤，等于标准小区上单位降雨侵蚀力所产生的土壤流失量(标准小区，在美国要求坡长22.13m，纵向坡面规整，坡度9%。顺坡耕翻，至少连续休闲2年);L坡长因子，当其他条件相同时，实际坡长与标准小区坡长上土壤流失量的比值；S坡度因子，当其他条件相同时，实际坡度与标准小区坡度上土壤流失量的比值。实际计算中常将L和S合成一个地形因子，以LS表示，C作物经营因子，为种植作物地块上的土壤流失量与标准处理地块(经过犁翻而没有遮蔽的休闲地)上土壤流失量的比值 P水土保持措施因子，有水土保持措施地块上的土壤流失量与没有水土保持措施小区

6、(顺坡犁耕的坡地)上土壤流失量的比值。应该指出，通用土壤流失方程是以大量实验数据为基础的经验性方程。因此只有根据本地区具体条件和情况，通过长期观察的资料，推导出方程式中各因子值和其变动范围，以及它们之间的相关关系，才能应用到本地的实践中去。二、与通用土壤流失方程有关的几个问题 通用土壤流失方程介绍到我国的时间不长，国内对它的研究和应用时间更短。加之它又是一个以实验数据为基础的经验性方程，而我国与美国在作物种植管理、降雨类型等因子上存在着一些差异，因此，有必要就有关问题做一阐述。1.通用土壤流失方程的适用范围通用土壤流失方程的适用范围 通用土壤流失方程主要用于农地上由水所引起的土壤侵蚀(片蚀和细

7、沟侵蚀)，计算结果只表示多年平均土壤流失量，而不能够代表当地某一年或某一次降雨所产生的土壤流失量。因为降雨本身年际变幅很大，而由此引起的土壤流失量在年际上的变化也就相当可观了。近年来随着研究的深入，通用土壤流失方程逐渐被推广应用于计算林地和牧草地由水引起的土壤侵蚀量。2.通用土壤流失方程的主要用途通用土壤流失方程的主要用途(1)预报单位面积上多年平均土壤流失数量 若方程右边的6个因子值都已确定，即地块内的降雨侵蚀力、土壤类型、坡长、坡度、作物管理情况、地块内的土壤保持措施都已知，它们相乘后，就得出在此特定条件下所预报的平均土壤流失量。(2)利用土壤流失方程制定水土保持规划 水土保持的重要任务是

8、预防和治理水土流失，制定最佳的水土保持措施。土壤流失方程能较科学地提出防与治的有效措施。对于任何一块作物地，知道了R、K、L、S、C、P各因子值后，即可求算出该地块的土壤流失量。如果这个数值在允许土壤流失量之内，那就不需要采取保土措施。然而，在实际生产情况中，土壤流失量常常是允许值的若干倍，如不采取保土措施，土壤将日益退化，以致于不能再继续生产。为了保证土地能永续的进行高水平的生产，必须采取必要的保土措施，使其流失量在允许值之下，而通用土壤流失方程就能出色的完成这个任务，这正是方程最重要的用途所在。在一般情况下，方程中的R、K值是个常数，是不易改变的。但我们可以通过调整或改变C、P、L、S值，

9、如增加地面覆盖度、种植植物防冲带、等高垄作、修筑地埂和梯田等措施达到减少土壤流失量的目的。3.允许侵蚀极限允许侵蚀极限(Acceptable Limits of Erosion)在土壤侵蚀中，侵蚀的标准是什么?也就是说，哪些侵蚀是可为人们所接受的?哪些侵蚀是人们不允许的?土壤保持工作的目的就是使土地永续的利用下去，而不致发生退化。当土壤的流失速度不超过其形成速度时就能够达到这一目的。美国土壤学专家本尼特(Benett)于1939年曾指出，成土速度不可能在短时间内精确地测定出来，但是根据土壤学家们的估计，在不扰动的自然条件下，每300年可以形成25cm厚的表土层。但是在经过扰动的条件下，土壤的通

10、气性和淋洗作用由于耕种而加强了，300年的时间就可能缩短为30年左右，其成土速度大约为11.2t/hma，因此在英美等国家中常使用的允许侵蚀极限为11.2t/hma。但允许侵蚀极限还取决于土壤条件，当土壤剖面由深厚的土层构成且整个土壤剖面上肥力状况都基本上相同时，它在30年内流失25mm厚的土层，其严重性要比由覆盖在坚硬岩石上的薄层土壤在30年内流失25mm厚的土壤小得多。所以在后者情况下，土壤的允许侵蚀极限要比11.2t/hma小。在美国比较通用的数值是211t/hma，目前我国有些地方采用的允许土壤侵蚀极限为10 t/hma，但也有人主张采用5t/hma.第二节 通用土壤流失方程中诸因子值

11、的确定 通用土壤流失方程中各因子参数的确定均要求对监测区的相关地理要素进行详尽分析，所以引用 RUSLE的关键在于对各相关因子的科学计算或测试。现将方程式中各因子值的确定方法分述如下：一、降雨侵蚀力因子(R)自记雨量计 R值是根据降雨资料推求的，所以据此可以编绘出全国各地区(有降雨资料的地方)侵蚀力R的等值线图。我们国家也做了这方面的工作，中国科学院、水利部采用分析雨量分布的方法，以一次降雨最大30min降雨强度(I30)作为强度指标，绘制了全国R值等值线图(图4-2)。在使用EI30法计算降雨侵蚀力R的过程中，逐步发现大部分低强度降雨不会引起侵蚀现象的发生。侵蚀总是位于一个分界雨强以上的降雨

12、时才出现。在美国，这个分界雨强大约25mm/h。所以有人提出，在计算降雨总能量时不应包括雨强1法，它与EI30法计算R值的方式基本一样，而精度和相关性比EI30 法要好得多。但在不同国家和地区，引起侵蚀的分界雨强是不同的。近年来的实际应用中，美国有些地区也把这个分界雨强由25mm/h降低到13mm/h左右。我国在这方面的研究中、部分地区选取了10mm/h作为引起侵蚀的降雨分界值。二、土壤可蚀性因子(K)在其他影响侵蚀的因子不变时，K因子反映不同类型土壤抵抗侵蚀能力的高低。影响K值的因素主要是土壤质地、土壤结构及其稳定性、土壤渗透性、有机质含量和土层厚度。当土壤颗粒粗、渗透性大时，K值就低，反之

13、则高；抗侵蚀能力强的土壤K值低，反之则K值高。一般情况下K值的变幅为0.020.75。K因子的值是在标准小区(坡长22.1m，宽18.3m，坡度9%)内测定的，小区上没有任何植被，完全休闲，无水土保持措施。降雨后，收集由于地面径流而冲蚀到集流槽内的土壤烘干称重，然后由下列公式求得K值：K=A/R式中A标准小区内年平均土壤流失量(t/hma)R降雨侵蚀力R的年值。一般来说，土壤可蚀性因子K，对粉沙质粘土为0.150.20，粉沙质壤土为0.20.3,沙壤土0.30.5。1.诺谟图法 土壤可蚀性因子K可以根据土壤的颗粒组成、土壤有机质含量、土壤结构和土壤渗透性，由K值诺谟图查出(图4-3)。土壤特性

14、及其分级如下：(1)土壤颗粒组成及表示方式粉粒+粘粒(粒径0.00020.10mm)的百分含量(%)砂粒(粒径0.102.0mm)的百分含量(%)。(2)土壤有机质含量(%)，可分为0、1、2、3、4五级，通过实验分析获得。(3)土壤结构分四个等级特细粒(很细的粒状结构);细粒(细粒状结构);中粒(中等结构或粒状结构)块状、片状或土块(块状或片状结构)。(4)土壤渗透性根据浸透速度的大小，分为快、中快、中、中慢、慢、特慢等六级，由田间或实验室测定到。根据诺谟图查K值的步骤是：从左边粉粒+粘粒的坐标值查起，然后找相应的表示砂粒、有机质百分数线，以及土壤结构和渗透性的线，依次内插各曲线。例如：粉粒

15、+粘粒的含量为65%，砂粒含量为5%，有机质含量2.8%，土壤结构为2，渗透性为4。由此而查得k=0.41。我国的黄土性质与美国相差不多，K值一般在0.350.45之间，平均为0.40，可参照以上方法求得。在没有大量外业本区观测资料的情况下，要很精确地计算出不同土壤的可蚀性K值是不可能的。因此，目前国内外正在对这方面做进一步的研究。目前，美国根据外业观察资料通过整理计算和比较，将常见土壤类型可蚀性因子K值制成表(表4-2)，供实际中应用。2.诺谟方程 直接测定K值方法被认为是最符合田间实际土壤对降雨侵蚀力的敏感程度，但是直接测定K值所需的时间较长，经费较多。Wischmeier和Manneri

16、ng(1969)用人工降雨法测定了55种土壤的土壤可蚀性指数，选定13个土壤特性指标与土壤可蚀性进行回归分析，得出了下式(即诺谟方程)K=2.1 10-4M1.14(1.2-Mo)+3.25(S-2)+2.5(P-3)/100式中M粉粒与粘粒所占百分比含量与土壤中砂砾物质所占的百分比的乘积;M0土壤有机质含量;S结构系数;P渗透性等级。该方程尤其适用于温带中质地土壤。三、坡长与坡度(地形)因子(LS)我国我国水土保持机构水土保持机构四、作物经营管理因子(C)美国和一些其他应用通用土壤流失方程的国家，根据每一时期植被和作物秸秆的作用，作出了4个耕作期，规定如下：F土壤休耕期(裸露休闲);1整地播

17、种期(播种后一个月内);2作物苗期(从播种一个月以后到第二个月的幼苗生长期);3作物生长到成熟期;4收获期(4L为收获后留残茬，4NL为收获后不留残茬)。美国把不同作物在4个阶段的C值列成表(表4-4.4-5)，表中数值是经过许多小区试验资料取得的。因此在应用时必须根据当地情况，通过一定量的实验确定出适合于本地的数据。我国实行作物与牧草轮作的情况较少，大部分都是连年种植的土地，所以C因子的值是较高的，下列一些作物的C值供参考。玉米、高粱、谷子(随产量而变)：C为0.40.9,水稻(大量施肥)：C为0.10.2,棉花、烟草：C为0.50.7;花生(随产量和播种期变)：C为0.40.8;计算林地上

18、的C值比较简单，从表4-5中查得C 值，然后直接乘以全年的R值，再乘以10-2即得：即代人下式 C=C 100 R 10-4=C R 10-2 而求算作物地上的C值，就需要按月求出R值占全年的百分比，并点绘出全年R值累计曲线图(图4-4)。然后根据作物各个生长期从表4-4查得C值(用百分数表示)，并从全年R值累计曲线图上查得与该作物生长期相对应的R值(用百分数表示)，二者相乘后，再乘以10-4，即得该时段土地上的C值，各生长期C值相加后就是该作物生长全年的C值。其数学表达式如下：C=(C1 R1+C2R2+C3R3+C4R4)10-4式中C1、C2、C3、C4分别不同耕作期的C值;R1、R2、

19、R3、R4与不同耕作期相对应的降雨侵蚀力。以下就以当年种植收割的谷子和跨年种植收割的小麦地为例，试算他们的C值(表4-6、4-7)。谷子地和小麦地上的C因子年值分别为：谷子地：C=(60+225+1225+440+60)10-4=2010 10-4=0.201 小麦地：C=(300+675+280+120+2080)10-4=3455 10-4=0.3455五、水土保持措施因子(P)水土保持措施因子，是指采取专门措施后的土壤流失量与采用顺坡种植时土壤流失量的比值。这一因子的侵蚀控制措施主要有等高耕作、等高带状种植和修梯田，它们在防止土壤侵蚀方面均有一定的作用。美国规定，在未用任何水土保持措施时

20、P=1.0，P值随采用的保土措施而变化，一般在0.251.0之间。维斯奇迈尔和史密斯(1978年)在大量的实际观测之后，列出如下P值供参考(表4-8)。由上表可看出，在每一项措施中，当坡度为3%8%时，P值最小，即P最有效，而后P值随坡度的增加而增大，其保土效果也随之而减低。由于我国各地习惯上把梯田、造林、种草作为坡地的主要水土保持措施，黄河水利委员会根据黄河中游各水土保持站实测资料的研究结果，给出了三者的P值供参考使用。当修梯田时，P=0.05；造林时，P=0.19；种植牧草时，P=0.18。第三节 通用土壤流失方程的应用 在某一地区，使用通用土壤流失方程的资料收集工作，大致有以下三个方面:(1)多年平均降雨，各月多年平均降雨和典型暴雨资料，以计算R值。(2)土壤颗粒组成，有机质含量、土壤结构、土壤渗透等资料，以求算K值。(3)调查该地区的主要作物以及林、草、梯田、耕作措施等面积，其中不同坡度、坡长应分别归类列表计算。如调查面积太大，可选择有代表性的小流域(13km2)进行详细调查，找出规律、定额去推算大面积上的土壤侵蚀量。