推薦一種泥石流坡面侵蝕物源量的計算方法

溫清茂，鐘東

推薦一種泥石流坡面侵蝕物源量的計算方法

溫清茂，鐘東

（四川省地礦局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川 眉山 620020）

在收集、研究前人研究成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用土壤水蝕模型和流域泥沙輸移比初步建立了泥石流坡面侵蝕物源量計算模型，同時列舉了降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子及植被覆蓋因子等水蝕因子的標(biāo)準(zhǔn)算法和經(jīng)驗(yàn)算法，具有較強(qiáng)的理論依據(jù)，對泥石流坡面侵蝕物源量計算具有借鑒意義。

泥石流；坡面侵蝕物源；土壤水力侵蝕；計算方法

坡面侵蝕物源是泥石流形成過程中物源條件的重要組成部分，在泥石流形成過程中占有重要地位，特別是對以坡面侵蝕為主的泥石流的形成起著至關(guān)重要的作用。泥石流坡面侵蝕物源量系指參與泥石流活動的坡面侵蝕物源動儲量，傳統(tǒng)估算方法主要有工程經(jīng)驗(yàn)法和侵蝕強(qiáng)度法，工程經(jīng)驗(yàn)法即按所占靜儲量的比重估算，給定參與泥石流活動的坡面松散物質(zhì)量的百分比[1]，或依據(jù)其它類似工程進(jìn)行類比，按平均侵蝕深度估算；侵蝕強(qiáng)度法即依據(jù)工程地域、植被覆蓋程度和土地類型等定性判斷其侵蝕強(qiáng)度等級，再按侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間值給定其平均侵蝕模數(shù)或平均侵蝕厚度[2]，這也是《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（T /CAGHP 006-2018）推薦的算法[3]。上述兩種方法雖然計算簡單，但受人為因素影響很大，估算結(jié)果往往與實(shí)際情況懸殊，計算精度很差。事實(shí)上，泥石流坡面物源的啟動多依靠雨滴濺蝕和坡面流沖刷而完成，其與當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度、土層性質(zhì)、地形條件、植被發(fā)育程度和人類活動等因素密切相關(guān)，應(yīng)屬于土壤水力侵蝕理論的范疇。為此，在綜合考慮降雨特征、土壤特性、地形條件、植被覆蓋程度、水保措施和耕作方式的基礎(chǔ)上，應(yīng)用土壤水力侵蝕模型，推薦一種泥石流坡面侵蝕物源量的計算方法，旨在拋磚引玉。

1 坡面侵蝕物源量計算模型

坡面侵蝕系指坡面土壤在水動力（雨水及其坡面流）作用下發(fā)生的土壤水蝕現(xiàn)象，主要有面蝕（雨滴和地表徑流作用的結(jié)果，有濺蝕、片蝕和細(xì)溝蝕）和溝蝕（坡面徑流作用的結(jié)果，往往形成淺溝和沖溝），其侵蝕模數(shù)可采用土壤水蝕模型表征?！赌嗍鳛?zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（T /CAGHP 006-2018）要求：坡面侵蝕物源量按侵蝕分區(qū)計算工程有效期內(nèi)的侵蝕總量，但因其粒度較小，易被常年洪水帶走，僅部分可計為泥石流動儲量，故坡面侵蝕物源量應(yīng)按常年洪水可輸移的粒徑所占比例予以折減[3]。據(jù)此，泥石流坡面侵蝕物源量的計算模型可由式（1）、式（2）[4，5]表征：

式中：為坡面侵蝕物源量（m3）；V為工程設(shè)計年期（a）；為泥沙輸移比；為泥沙干密度（t/m3）；MF為第計算分區(qū)的年平均水蝕模數(shù)（t/hm2·a）、面積（hm2）；為年平均土壤水蝕模數(shù)（t/hm2·a）；為降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h·a）；為土壤可蝕性因子（t·h/MJ·mm）；為坡長坡度因子；為生物措施因子；為工程措施因子；為耕作措施因子。

2 土壤水蝕因子計算方法

2.1 降雨侵蝕力因子R

1）標(biāo)準(zhǔn)計算方法（規(guī)范推薦算法）：降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是降雨特性的函數(shù)，反映了雨滴對土壤顆粒的擊濺分離和降雨形成徑流對土壤沖刷的綜合作用。標(biāo)準(zhǔn)的計算方法為一次降雨總動能E與該次降雨的最大30?min雨強(qiáng)I30的乘積，采用剔除日降雨量小于12mm的非侵蝕性降雨后的多年降雨過程資料進(jìn)行計算。計算公式[2、3]為：

2）等值線圖內(nèi)插法：第一次全國水利普查之水土保持情況普查根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)計算方法，分別編繪了各?。ㄊ小^(qū)）及全國多年平均降雨侵蝕力等值線圖[6，7]，可根據(jù)等值線圖內(nèi)插取值。

表1 岷江上游和西藏高原主要土壤可蝕性K值 單位：t·h/MJ·mm

3）簡易計算方法：標(biāo)準(zhǔn)計算方法采用EI30指標(biāo)度量，需要長序列降雨過程資料且計算繁瑣、費(fèi)時，為此，很多學(xué)者提出了采用常規(guī)降雨資料（年降雨量、月降雨量）計算多年平均降雨侵蝕力的簡易算法。伍育鵬等[8]通過對國內(nèi)外具有代表性的9種簡易算法的計算結(jié)果與降雨侵蝕力指標(biāo)E10進(jìn)行比較，較適用于我國的降雨侵蝕力簡易算法有：

a）馬志尊（海河流域太行山）：適用于除西北地區(qū)以外的廣大地區(qū)，相對偏差4.7%~93.7%。

式中：為年降雨侵蝕力（100?ft·sht·in/acre·h），乘以17.02轉(zhuǎn)化為MJ·mm/hm2·h·a；P為多年月平均降雨量（mm）；為多年平均降雨量（mm）。

b）YU等（澳大利亞南部地區(qū)）：適用于我國大部分地區(qū)，相對誤差0.3%~193%，平均44%。

式中：為年降雨侵蝕力（MJ·mm/hm2·h·a）。

2.2 土壤可蝕性因子K

1）標(biāo)準(zhǔn)計算方法：土壤可蝕性因子表征土壤被沖蝕的難易程度，反映土壤遭受外營力剝蝕和搬運(yùn)的敏感性，是影響土壤水蝕的內(nèi)在因素。一般采用EPIC模型中Williams等提出的計算方法[5，9]：

式中：為土壤可蝕性因子（ton·h/100ft·tonf·in），乘以0.1318轉(zhuǎn)換為t·h/MJ·mm；a為砂粒含量（%）；i為粉粒含量（%）；l為黏粒含量（%）；為有機(jī)碳含量/%。

2）查圖法：第一次全國水利普查之水土保持情況普查根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算方法，利用第二次全國土壤普查資料分別編繪了各省（市、區(qū)）土壤可蝕性空間分布圖，可查詢對應(yīng)土壤的可蝕性K值。

3）類比法: 多年來，國內(nèi)眾多學(xué)者利用不同地區(qū)的小區(qū)資料對土壤可蝕性進(jìn)行了分析計算，積累了大量的數(shù)據(jù)，可根據(jù)土壤類型類比取值。如岷江上游[9]和西藏高原[10]地區(qū)的K值空間分布如表1。

表2 全國分省份土壤可蝕性K值 單位：t·h/(MJ·mm)

4）平均值法：2013年，梁音等[11]在收集、整理了全國31個?。ㄊ?、區(qū)）17558個土壤樣品理化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用EPIC模型中Williams提出的K值公式計算，形成全國水蝕區(qū)土壤可蝕性K值分布圖，研究表明：全國水蝕區(qū)K值變化范圍為0.0004~0.0828t·h/MJ·mm，平均K 值為0.033t·h/MJ·mm（表2），呈現(xiàn)出由北向南逐漸減小的趨勢，黃土區(qū)K 值最大，紫色土和紅壤區(qū)北部的K 值居中，最小的分布在青藏高原北側(cè)。

2.3 坡長坡度因子LS

1)標(biāo)準(zhǔn)計算方法:坡度坡長因子即地形因子。隨坡度的增大，土壤顆粒的抗滑力減小，水流動能增大，水土流失量隨之增大，坡面越長，流失量也越大。地形因子LS表示在其它條件均相同的情況下，某一給定坡長（22.13?m）和坡度（9%）的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值，它是土壤水蝕動力的加速因子。其計算公式[5]為：

表3 基于地貌及環(huán)境因子的泥沙輸移比計算公式

式中：為坡長因子；為坡度因子；λ為坡長（m）；為坡度（o）。

2)經(jīng)驗(yàn)公式估算方法: 我國部分地區(qū)坡度坡長因子LS經(jīng)驗(yàn)公式主要有[12]：

a）黃土高原（汪忠善）：

b）東北黑土地區(qū)（張憲奎）：

c）閩東南地區(qū)（黃炎和）：

4）南方紅壤地區(qū)（楊艷生）：

式中：為坡高（m）。

2.4 生物措施因子B

生物措施因子即植被覆蓋因子。植被具有截持降雨、分散雨量、降低雨滴沖擊力、減緩徑流、降低流速、提高滲透速度、保土固土等生態(tài)功能，對控制土壤流失起著決定性的作用，受植被、作物種植順序、栽培措施、降雨分布等眾多因素制約，一般采取如下方法求算。

1)標(biāo)準(zhǔn)計算方法: 利用植被覆蓋度結(jié)合土地利用和降雨侵蝕力季節(jié)分布，根據(jù)各半月時段的土壤流失比例和各半月時段降雨侵蝕力占全年的比率，計算生物措施因子[5]：

2）經(jīng)驗(yàn)公式估算法：蔡崇法等[13]利用徑流小區(qū)人工降雨和部分天然降雨的觀測結(jié)果，通過計算坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系，建立了植被覆蓋度與生物措施因子間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中：為生物措施因子；為植被平均覆蓋度（%）。

該方法在國內(nèi)已被較多學(xué)者所采用[14]。從式（22）可以看出，植被覆蓋度≥78.3%時其B因子為0，因此植被覆蓋度在80%以上的地區(qū)可不考慮土壤水蝕（坡面侵蝕）作用。

2.5 工程措施因子E

對于泥石流坡面侵蝕物源區(qū)，一般為自然斜坡、農(nóng)用地，取E值=1[4]。

2.6 耕作措施因子T

耕作措施因子即水保措施因子，指在特定水保措施的土壤流失量與起伏地耕作的相應(yīng)土壤流失之比。自然斜坡和坡耕地（順坡耕作）的T值取1.0，橫坡耕作（包括等高耕作、等高帶狀種植、修梯田等）的T值取0.5[4]。

3 流域泥沙輸移比估算方法

流域泥沙輸移比表征流域輸沙總量與流域產(chǎn)沙量的比值[15]，二者之差即為該流域范圍內(nèi)的泥沙沉積量。影響泥沙輸移比的因素很多，一般可概括為四類：一是地貌及環(huán)境因子，如流域面積、形態(tài)、坡度坡長、溝道特征等；二是降水及水文因素，如降雨強(qiáng)度、降雨歷時等；三是侵蝕土壤的粒徑與土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)；四是植物覆被和土地利用狀況等[16]。為方便計算，本文僅列舉考慮地貌及環(huán)境因子的泥沙輸移比估算方法（表3）。

此外，也可根據(jù)相關(guān)學(xué)者已有研究總結(jié)的部分流域泥沙輸移比分布進(jìn)行類比確定。謝旺成[16]根據(jù)國內(nèi)外泥沙輸移比（單因子和多因子的影響）計算的實(shí)例，總結(jié)了主要流域泥沙輸移比數(shù)值的變化范圍，可參考利用。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 研究區(qū)概況

以四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣定波鄉(xiāng)萬絨溝泥石流為例。其流域形態(tài)呈基本對稱的扇形，流域面積22.85?km2，主溝長7.04?km，溝口高程3 009?m，相對高差1 323?m，平均縱坡降172?‰。溝谷形態(tài)總體呈“V”型，岸坡一般35?°~45?°，多懸崖峭壁，間布較平緩的臺地，山脊渾圓。流域內(nèi)森林植被發(fā)育密集，以山地針葉林和高山灌叢草甸帶為主，植被覆蓋率一般在80?%以上，水土流失較輕微，但近河谷地帶植被破壞較嚴(yán)重，植被覆蓋率一般小于40?%，土壤類型為灌叢草甸土，土壤層厚一般1~1.5m，以面蝕和溝蝕為主，侵蝕強(qiáng)烈。據(jù)此，圈劃坡面侵蝕物源點(diǎn)4處，分別編號為P1、P2、P3、P4。

4.2 影響因子取值

4.2.1 水蝕因子取值

1）降雨侵蝕力因子R：萬絨溝屬大陸性季風(fēng)高原型氣候，降雨量少但集中，干濕季節(jié)分明，多年平均降雨量447.6?mm；選用式（8）計算，R=1 749?MJ·mm/hm2·h·a。

2）土壤可蝕性因子K：依據(jù)表1選取亞高山灌叢草甸土K=0.043?t·h/MJ·mm。

3）坡度坡長因子LS：選用式（17）計算。

4）生物措施因子B：選用式（20）計算。

5）工程措施因子E和耕作措施因子T：為自然斜坡，取E=1，T=1。

4.2.2 其它因子選取

工程設(shè)計年限按20?a，泥沙干密度[4]取1.35t/m3。流域泥沙輸移比選用式（25）計算，SDR=0.287。

4.3 計算結(jié)果

表4 坡面侵蝕物源量計算結(jié)果

根據(jù)式（1）、式（2）計算，其結(jié)果列于表4?？梢?，萬絨溝坡面侵蝕物源的侵蝕模數(shù)為5491~9577?t/km2·a，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）[4]劃分其侵蝕強(qiáng)度分屬強(qiáng)烈——極強(qiáng)烈等級，計算結(jié)果與定性判別的侵蝕強(qiáng)度基本吻合；在工程設(shè)計年限內(nèi)，坡面侵蝕物源量48 847?m3。

5 結(jié)語

1）本文在收集研究國家相關(guān)規(guī)范和前人研究成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用土壤水力侵蝕理論及流域泥沙輸移比初步建立了泥石流坡面侵蝕物源量的計算模型，各相關(guān)因子的計算和選取在采用我國通用計算方法的基礎(chǔ)上還推選了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者較簡便的算法和其適用性，具有計算方便、精度較高的特點(diǎn)，有可能成為評價泥石流坡面侵蝕物源量的統(tǒng)一算法。

2）土壤水蝕因子的降雨侵蝕力R因子、土壤可蝕性K因子的標(biāo)準(zhǔn)算法源于第一次全國水利普查之水土保持情況普查培訓(xùn)教材，已廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕調(diào)查，應(yīng)充分利用其調(diào)查成果，采取等值線圖或因子圖內(nèi)插，其計算精度會更高。

3）目前，我國的泥沙輸移比SDR研究區(qū)域主要集中在黃河流域，長江流域、珠江流域、淮河流域、山地丘陵地區(qū)等地區(qū)或流域的研究相對較少。由于各流域侵蝕條件和輸移條件不同，計算結(jié)果也不盡相同，所獲得的計算公式往往也受地域局限，難以推廣。在應(yīng)用時還應(yīng)考慮多因素對流域泥沙輸移比的影響。

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A Method for Calculating the Amount of Slope Erosion Material Source of Debris Flow Recommended

WEN Qing-mao ZHONG Dong

(No. 915 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Meishan, Sichuan 620010)

A model for calculating the amount of erosion material on the slope of debris flow is established by means of soil water erosion model and sediment delivery ratio on the basis of previous achievements. At the same time, standard algorithm and empirical algorithm for sediment delivery ratio and water erosion factors such as rainfall erosive power factor, soil erodibility factor, terrain factor and vegetation cover factor are enumerated.

debris flow;slope erosion material source; soil water erosion;sediment delivery ratio

2018-07-02

溫清茂（1965-），男，四川蓬溪人，高級工程師，主要從事水工環(huán)、地質(zhì)災(zāi)害方面的工作。

P642. 23

A

1006-0995（2019）02-0289-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.023