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第二部分水土保持原理 廣東省水利廳水土保持處陳漢先2007 9 28 主要內(nèi)容 一 概說(shuō)二 影響水土流失的因素三 土壤侵蝕類型分區(qū)四 土壤侵蝕調(diào)查 一 概說(shuō) 土壤侵蝕的概念 中國(guó)水利百科全書對(duì)土壤侵蝕的解釋是 土壤及其母質(zhì)在水力 風(fēng)力 凍融 重力等外營(yíng)力作用下 被破壞 剝蝕 搬運(yùn)和沉積的過(guò)程 從概念上來(lái)理解 典型的土壤侵蝕包括了從土體被破壞到被侵蝕物質(zhì)沉積的四個(gè)過(guò)程 1 土壤侵蝕是一種自然現(xiàn)象 土壤侵蝕在自然界是普遍存在的 在地球表面時(shí)刻存在的土壤侵蝕現(xiàn)象實(shí)際上是地球表面一種新的夷平過(guò)程 由于這種夷平過(guò)程具有客觀存在性 土壤遭受侵蝕的趨勢(shì)就不可避免 但是 凡事都有一個(gè)度的問(wèn)題 由于自然界的力量 在人類出現(xiàn)以前 及人類出現(xiàn)以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里 這種侵蝕是比較微小的 不致以造成危害 甚至還是有益的 由于后來(lái)人口的增加 人類對(duì)地球的影響一步步加深 對(duì)自然資源的掠奪也一步步加劇 以致造成土壤的加速侵蝕過(guò)程 水土流失危害也就發(fā)生了 2 土壤侵蝕分類 按性質(zhì)分 正常侵蝕和加速侵蝕按時(shí)間分 古代侵蝕和現(xiàn)代侵蝕按侵蝕外營(yíng)力分 水力侵蝕 風(fēng)力侵蝕 重力侵蝕 凍融侵蝕和混合侵蝕從侵蝕形態(tài)上分 可分為面狀侵蝕 溝狀侵蝕和崩崗 塌 侵蝕 按侵蝕發(fā)生的原因分 自然侵蝕和人為侵蝕 土壤正常侵蝕的情形 土壤的正常侵蝕是指土壤侵蝕速率小于土壤成土速率 土壤肥力不會(huì)降低的情形 土壤侵蝕允許值就是根據(jù)這一情況制定出來(lái)的 根據(jù)土壤學(xué)家的估算 經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的土壤 每30年可形成25mm厚的土壤層 每年不到1mm 相當(dāng)于成土速率是1200噸 平方公里年 由于表土的形成非常緩慢 技術(shù)規(guī)范要求需對(duì)表土作為資源來(lái)加以保護(hù)和利用就是這個(gè)道理 成土速率也受到土壤母質(zhì) 氣候 植被 光熱等多種條件的影響 正常侵蝕的標(biāo)準(zhǔn) 西北黃土高原區(qū)1000t km2年 東北黑土區(qū)200t km2年北方土石山區(qū)200t km2年南方紅土丘陵區(qū)500t km2年 0 33mm 年 500克 m2 西南土石山區(qū)500t km2年在允許范圍值以下的 稱為微度侵蝕 在流失調(diào)查時(shí)不作為流失面積統(tǒng)計(jì) 3人為活動(dòng)是造成加速侵蝕的原因 當(dāng)植被被破壞后 表土就逐步遭受侵蝕 典型的以水力侵蝕為主的侵蝕過(guò)程是從面狀侵蝕開始 逐步發(fā)展為溝蝕 最后導(dǎo)致崩崗 崩塌 的發(fā)生 開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目一般是經(jīng)過(guò)激烈的擾動(dòng)開始的 在擾動(dòng)了的土地上發(fā)生強(qiáng)烈的面蝕 溝蝕 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí) 微度侵蝕平均土壤侵蝕模數(shù)15000t km2 a 人為水土流失的特點(diǎn) 侵蝕地域的不完整性 自然水土流失常常以小流域的形式分布 而開發(fā)項(xiàng)目是局部動(dòng)土后造成水土流失水土流失不均衡 自然因素引起的土壤侵蝕在一個(gè)小流域或一定區(qū)域內(nèi)的侵蝕模數(shù)基本上是變化不大的 侵蝕比較均一 而開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引起的水土流失各工區(qū)的侵蝕模數(shù)常有很大的差異水土流失危害的多樣性和潛在性 由于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目類型多種多樣 造成的水土流失形式和危害也各不相同 地面生產(chǎn)項(xiàng)目主要是通過(guò)對(duì)地形地貌 地表 植被的破壞加劇水土流失 而一些地下開采項(xiàng)目除擾動(dòng)外 更長(zhǎng)期的是對(duì)地層 地下水的影響 間接的使地下水位下降 地面植被退化 地面塌陷 從而加劇水土流失 因而具有潛在性危害嚴(yán)重 流失量特別巨大 在施工建設(shè)期間尤甚 由于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目人為擾動(dòng)劇烈 因而容易遭受降雨徑流的沖擊 引起嚴(yán)重的水土流失 人為水土流失調(diào)查參數(shù) 1 邊坡開挖3 27萬(wàn)t km2 a2 填方段高度大于4米時(shí)5 09萬(wàn)t km2 a3 填方段高度小于4米時(shí)2 12萬(wàn)t km2 a4 土料場(chǎng)5 96萬(wàn)t km2 a5 堆渣場(chǎng)6 23萬(wàn)t km2 a上述參數(shù)是省水利水電科學(xué)研究院在珠海的調(diào)查分析結(jié)果 常被方案編制單位用來(lái)作為水土流失預(yù)測(cè)的類比值 4 水土保持 概念 研究水土流失規(guī)律和水土保持綜合措施 防治水土流失 保護(hù) 改良與合理利用山丘區(qū)和風(fēng)沙區(qū)水土資源 保護(hù)和提高土地生產(chǎn)力 以利于充分發(fā)揮水土資源生態(tài)效益 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的一門應(yīng)用科學(xué) 基本原理 對(duì)于水力侵蝕而言 從形象上看 水土流失就是水沖土跑 造成這種現(xiàn)象的根本原因就是地表徑流的沖擊力大于土體的抵抗力 所以要達(dá)到水土保持的目的 一方面要減少作為外營(yíng)力的地表徑流的沖擊力 另一方面可增加土體的抵抗力來(lái)達(dá)到抗侵蝕的目的 為減少地表徑流的沖擊力和增加土體的抵抗力的這種工作就是水土保持的一個(gè)重要內(nèi)容 這是一種最簡(jiǎn)單 最基本的理解 基本原理 土壤侵蝕還包含有更深一層的內(nèi)容 一方面 水土流失不僅僅是由地表徑流所引起 實(shí)質(zhì)上面蝕主要由雨滴擊濺地表所形成 另一方面 土體受吸收和下滲水份的影響 常常是崩塌和泥石流發(fā)生的主要原因 促使對(duì)土的破壞力就不限于地表的沖擊力 還包括降雨和下滲水份的破壞作用 另一方面 所謂 土體 主要是由土砂石礫等大小不同的顆粒所組成 在一般情況下它并不是孤立的 而是密切結(jié)合在一起的 尤其是作為表層的土壤 土體粒子之間的結(jié)合就更為復(fù)雜 常左右土壤的抵抗力 因此 不同的土壤其抗沖 抗蝕性能是不同的 土壤的抗沖性 土壤的抗沖性 指土壤對(duì)抗流水和風(fēng)等侵蝕力的機(jī)械破壞作用的能力 土體在靜水中的崩解情況可作為土壤抗沖性的指標(biāo)之一 因?yàn)楫?dāng)土體吸水和水分進(jìn)入土壤空隙后 如果很快崩散破碎成細(xì)小的土塊 那么它就容易為地表徑流推動(dòng)下移 產(chǎn)生流失現(xiàn)象 土壤的抗蝕性 土壤的抗蝕性 土壤的抗蝕性是指土壤抵抗雨滴打擊而分散和抵抗徑流懸浮的能力 土壤抗蝕性的大小主要取決于土粒和水的親和力 親和力越大 土壤越容易分散懸浮 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也越容易受到破壞而解體 同時(shí)引起土壤透水性的變小和土壤表層的泥濘 在這種情況下 即使徑流速度很小 機(jī)械破壞力不大 也會(huì)由于懸移作用而發(fā)生侵蝕 有資料表明 土壤吸收性復(fù)合體若被鈉離子飽和 就容易被水分散 若為鈣離子所飽和 則土壤抵抗被水分散的能力就顯著提高 水的侵蝕力與土的抵抗力 水的侵蝕力不僅局限于水作為流體的力學(xué)性質(zhì)和液體的物理性質(zhì) 也涉及水的化學(xué)性能 同時(shí) 土體的抵抗力的內(nèi)容也包括了更為廣泛的膠體的腐殖質(zhì)的作用 因此 作為水土保持學(xué)科中所涉及到的 水 和 土 這對(duì)矛盾中 作為水的破壞力方面應(yīng)包括降雨 地表徑流 下滲水份 水的物理和化學(xué)性質(zhì)等方面 土作為抵抗侵蝕的方面應(yīng)包括組成土體的顆粒性質(zhì) 相互關(guān)系 以及土壤膠體和腐殖質(zhì)的作用等 水土保持與生產(chǎn)的關(guān)系 水土保持是一門應(yīng)用學(xué)科 水土保持的目的除了控制泥沙危害以外 還有進(jìn)一步提高和改善土地生產(chǎn)力的要求 提高土壤肥力 因此 水土保持不僅在于控制和減低水的破壞力 而是進(jìn)一步迫使水的力學(xué) 物理 化學(xué)性質(zhì)用于生物循環(huán)中水份和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中去 不斷提高土壤肥力和土地生產(chǎn)力 二 影響水土流失的因素 所有的氣候因子都從不同方面和在不同程度上影響土壤侵蝕 大體上可分為兩種情況 一種是直接的 如降水和風(fēng)對(duì)土壤的破壞作用 一般來(lái)說(shuō) 暴風(fēng)驟雨是造成嚴(yán)重土壤侵蝕的直接動(dòng)力 另一方面是間接的 如降水 溫度 日照等的變化對(duì)于植物的生長(zhǎng) 植被類型 巖石風(fēng)化 成土過(guò)程和土壤性質(zhì)等的影響 進(jìn)而間接影響土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展過(guò)程 降雨對(duì)水土流失的影響 氣象因素中重要影響因素的降水 只有當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的降雨量達(dá)到一定大小 并超過(guò)土壤的滲透能力時(shí) 才會(huì)發(fā)生徑流 對(duì)于水力侵蝕而言 徑流是產(chǎn)生土壤侵蝕的原動(dòng)力 首先是降雨量的多少 在缺少植被保護(hù)的情況下 降雨量越大 土壤侵蝕就越嚴(yán)重 其次是雨強(qiáng) 雨強(qiáng)越大 土壤侵蝕量也越大 根據(jù)北方黃土區(qū)的試驗(yàn)資料 三次降雨量相近的降雨 其平均降雨強(qiáng)度之比例為1 2 5 6 而沖刷量的比例達(dá)到1 37 233 相差特別巨大 充分的前期降雨是導(dǎo)致暴雨形成徑流和嚴(yán)重沖刷的重要條件之一 因?yàn)槌浞值那捌诮涤暌呀?jīng)使土壤含水量增大 再遇降雨容易形成徑流所致 在我省年內(nèi)降雨分布不均勻 降雨集中分布在4至9月份 干 濕季節(jié)明顯 雨季土壤經(jīng)常處于濕潤(rùn)狀態(tài) 為強(qiáng)大降雨產(chǎn)生土壤侵蝕打下了基礎(chǔ) 2 地形因素 地形是影響土壤侵蝕的重要因素之一 地面坡度的大小 坡長(zhǎng) 坡形等對(duì)土壤侵蝕都有重要影響 坡度因素 坡面徑流所具有的能量是徑流的質(zhì)量與流速的函數(shù) 而流速的大小主要取決于徑流深度與地面坡度 因此 坡度直接影響徑流的沖刷能力 因此 在一般情況下 坡度越大 徑流流速也越大 土壤侵蝕也越嚴(yán)重 坡長(zhǎng)因素 當(dāng)其它條件相同時(shí) 水力侵蝕的強(qiáng)度由坡長(zhǎng)來(lái)決定 坡面越長(zhǎng) 徑流流速就越大 匯聚的流量也越大 因而其侵蝕力就越強(qiáng) 根據(jù)在黃土區(qū)的有關(guān)試驗(yàn) 在同等坡度條件下 坡長(zhǎng)40米的坡耕地比坡長(zhǎng)10米的坡耕地土壤流失量增加41 6 坡面與分水嶺的距離增加一倍時(shí) 土壤流失量增加0 5至2倍 根據(jù)我省水利水電科學(xué)研究院的試驗(yàn)觀測(cè) 當(dāng)坡長(zhǎng)超過(guò)4米時(shí)其侵蝕量會(huì)急劇增加 因此 在制定治理措施時(shí)將坡長(zhǎng)縮短至4米以下 或者將坡面徑流消滅在4米坡長(zhǎng)以內(nèi) 可有效減少坡面的土壤流失 地質(zhì)因素 在地質(zhì)因素中主要是巖性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤侵蝕影響較大 巖性是指巖石的基本特性 對(duì)風(fēng)化過(guò)程 風(fēng)化產(chǎn)物 土壤類型及其抗蝕能力都有重要影響 對(duì)于溝蝕的發(fā)生和發(fā)展以及崩塌 滑坡等侵蝕活動(dòng)也有密切關(guān)系 所以一個(gè)地區(qū)的侵蝕狀況常受到巖性的很大制約 容易風(fēng)化的巖石常常遭受到強(qiáng)烈侵蝕 如在我省廣泛分布的花崗巖和花崗片麻巖等結(jié)晶巖 主要礦物是石英和長(zhǎng)石 其結(jié)晶顆粒粗大 節(jié)理發(fā)育 在溫度變化的作用下 由于它們的膨脹系數(shù)各不相同 易于發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)和碎裂 促進(jìn)風(fēng)化作用加強(qiáng) 因此 這類巖石風(fēng)化強(qiáng)烈 風(fēng)化層較厚 我省的花崗巖風(fēng)化殼一般可達(dá)10至20米 有的甚至達(dá)到40米以上 這種風(fēng)化殼一般含石英砂 粘粒較小 結(jié)構(gòu)松散 抗蝕能力很弱 容易發(fā)生溝蝕和崩崗侵蝕 紫色頁(yè)巖 泥巖風(fēng)化較快 且處在丘陵區(qū)常被開發(fā) 也容易發(fā)生侵蝕 此外 巖石的堅(jiān)硬性 透水性 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等也是影響土壤侵蝕的重要地質(zhì)因素 3 土壤 土壤是侵蝕作用的主要對(duì)象 因此 它的特性 尤其是透水性 抗蝕性 抗沖性對(duì)土壤侵蝕有很大的影響 地表徑流是水力侵蝕的動(dòng)力之一 在其它條件相同的情況下 徑流對(duì)土壤的破壞能力 除了流速以外 主要取決于徑流量 而徑流量的大小與土壤的透水性能關(guān)系密切 所以土壤對(duì)水分的滲透能力是影響水土流失的主要性狀之一 土壤的透水性能主要取決于土壤的機(jī)械組成 結(jié)構(gòu)性 孔隙率 土壤剖面構(gòu)造 土壤濕度等因素 4 植被 植物被覆是自然因素中對(duì)防止土壤侵蝕起積極作用的因素 幾乎在任何條件下都有阻緩水蝕和風(fēng)蝕的作用 植被一旦遭受破壞 土壤侵蝕就會(huì)加劇 植被在水土保持上的功效主要有如下幾個(gè)方面 植被攔截雨滴的作用 植物的地上部分即莖 葉 枝干 能夠攔截降雨 使雨水不直接打擊地面 速度減小 因而能有效地削弱雨滴對(duì)地面的破壞作用 植被覆蓋度越大 攔截的效果就越好 尤其以茂密的森林最為顯著 郁閉后的林冠象雨傘一樣承接雨滴 使雨水通過(guò)樹干和樹干緩緩流落地面 便于雨水下滲 因而減少了地表徑流 減輕了對(duì)土壤的沖刷 根據(jù)實(shí)驗(yàn) 灌木的攔截雨滴功能最好 喬木由于樹干較高 比如桉樹 枝葉比較稀疏 樹葉光滑 攔截效果沒(méi)有低矮的灌木好 植被調(diào)節(jié)地表徑流的作用 森林 草地中往往有一層枯枝落葉層 象海綿一樣接納通過(guò)樹冠 樹干或草類徑葉而來(lái)的水 使之慢慢地滲入地下形成地下水 減少地表徑流 這種枯枝落葉層起到了保護(hù)土壤 增加地表粗糙度 分散徑流 減緩流速等作用 植被改良土壤性狀的作用 林地和草地枯枝落葉腐爛后可給土壤表層增加大量腐殖質(zhì) 有利于形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu) 同時(shí)植物根系能給土壤增加根孔 提高土壤的透水性和持水量 增加土壤的抗沖 抗蝕性能 從而起到減少地表徑流和土壤沖刷的作用 三 土壤侵蝕類型分區(qū) 全國(guó)的類型區(qū)劃分我國(guó)的土壤侵蝕類型區(qū)劃 采用了二級(jí)區(qū)分類法 一級(jí)區(qū)以發(fā)生學(xué)原則 即按侵蝕營(yíng)力類型劃分 第二級(jí)按形態(tài)學(xué)原則 即以地質(zhì) 地貌 土壤為劃分依據(jù) 按照這些原則 一級(jí)區(qū)共劃分成了三個(gè)區(qū) 類 以水力侵蝕為主的類型區(qū) 大興安嶺 陰山 賀蘭山 青藏高原東緣一線以東 西北黃土高原區(qū) 黃河上中游 東北黑土區(qū) 低山丘陵和漫崗丘陵區(qū) 松花江流域 北方土石山區(qū) 主要在淮河流域以北黃河中下游 海河流域 南方紅壤丘陵區(qū) 長(zhǎng)江中游及漢水流域 洞庭湖 鄱陽(yáng)湖水系 珠江中下游等 南方土石山區(qū) 長(zhǎng)江上中游及珠江上游 類 風(fēng)力侵蝕為主的類型區(qū) 主要是沙漠地區(qū) 西北 華北 東北的西部 類 凍融侵蝕類型區(qū) 大興安嶺山地及天山山地 青藏高原及其它高山地區(qū) 廣東省的土壤侵蝕類型區(qū)劃分 采用一級(jí)劃分法 因廣東均屬水力侵蝕的范疇 按土壤 地貌的不同劃分為四類 廣東省土壤侵蝕類型區(qū) 花崗巖山地丘陵侵蝕區(qū) 連山 陽(yáng)山 英德以南 高州 陽(yáng)西 廣州 普寧 饒平以北的廣大中部地區(qū) 面積8 73萬(wàn)km2 石灰?guī)r侵蝕區(qū) 主要位于粵北地區(qū) 面積2 63萬(wàn)km2 沿海及珠三角丘陵臺(tái)地侵蝕區(qū) 主要包括湛江 江門 佛山 中山 東莞 珠海 汕頭等 面積5 9萬(wàn)km2 紅色巖系侵蝕區(qū) 這個(gè)區(qū)分散分布于南雄盆地 燈塔盆地 羅定 興梅盆地等地區(qū) 四 土壤侵蝕調(diào)查 1 土壤侵蝕模數(shù)概念 單位面積和單位時(shí)間內(nèi)的土壤侵蝕量稱為土壤侵蝕模數(shù) 基本單位為t km2 a 也可以用單位時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕厚度來(lái)表示 表示單位為mm a 水蝕土壤侵蝕模數(shù)確定的方法 資料法 也就是根據(jù)同類或相似地區(qū)的實(shí)測(cè)資料 將其與項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行類比 在符合類比條件以后 將其應(yīng)用到項(xiàng)目區(qū)中直接引用 在缺乏試驗(yàn)資料的地區(qū)這種方法比較實(shí)用 可行 因此常常被作為推薦的方法來(lái)采用 但引用要科學(xué) 在降雨 地貌類型等方面必須要有可比性 野外及室內(nèi)人工模擬降雨測(cè)定法 這種方法測(cè)定的參數(shù)準(zhǔn)確性較好 常用于科學(xué)研究 目前在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中運(yùn)用較少 野外土壤侵蝕調(diào)查法 這種方法是采用野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 通過(guò)一些比較固定的參照物如樹根 墳?zāi)沟日{(diào)查在若干年內(nèi)的侵蝕深度 估算其侵蝕模數(shù) 也可以在侵蝕坡面上設(shè)置一些樁釘 根據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)被蝕去的土壤層厚度來(lái)計(jì)算平均侵蝕模數(shù)利用小水庫(kù) 塘壩等的淤積量調(diào)查 估算集雨面積內(nèi)侵蝕量 反推土壤侵蝕模數(shù) 根據(jù) 水文手冊(cè) 年輸沙模數(shù)資料 用泥沙推移比進(jìn)行推算 侵蝕模數(shù) 輸沙模數(shù) 輸移比 土壤侵蝕量估算方法 1 確定土壤侵蝕模數(shù)和土壤侵蝕面積求解 2 美國(guó)通用流失方程 該方程設(shè)定坡長(zhǎng)為22 13m 坡度為9 連續(xù)休閑兩年的耕地為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 樣方 通過(guò)大量的試驗(yàn)研究后得出的 其表達(dá)式為 A RKLSCP 通用土壤流失方程因子 式中 A 單位面積上的土壤流失量 t hm2R 降雨因子 表示在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下降雨對(duì)土壤的侵蝕能力 也稱降雨侵蝕力因子 R EI30 E為降雨總能量 I30為該次降雨最大30分鐘降雨強(qiáng)度 R可由不同地區(qū)降雨資料通過(guò)計(jì)算得出 在美國(guó)R值平均在20 550之間 K 土壤可蝕性因子 它等于方程式右側(cè)各因子均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)或單位值時(shí)試驗(yàn)所得的土壤流失流失量 土壤性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析表明 它與土壤質(zhì)地 有機(jī)質(zhì)含量 結(jié)構(gòu)特性和透水率等密切相關(guān) S 坡度因子 它等于實(shí)際坡度產(chǎn)生的土壤流失量與相同條件下標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)所產(chǎn)生的土壤流失量之比 L