水土保持学第十二章讲解.docx

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水土保持学第十二章讲解

第十二章水土保持研究方法

水土保持是一门综合性很强的学科。

其研究过程包括了野外调查、定位试验和室内模拟实验与分析3个阶段，而研究方法除部分借用农、林、水、牧各学科的方法外，还形成了自身特有的研究手段。

本章仅对水土保持研究的一些常规方法作一介绍。

第一节水土流失调查研究

水土流失的调查研究主要依据抽样调查的统计学原理来进行。

即，调查有代表性的典型事件（如典型地段、典型时段等），经过统计分析，找出一般规律。

调查样本的多少、视工作任务、性质、要求及实际情况而定，通常不应少于小样本的统计要求。

而调查研究的方法主要有水文（学）法、淤积法、测针法、地貌学方法和摄影测量等。

一、水文（学）法

水文法（hydrologicmethod）是以实测的水文资料为依据，分析计算出某流域在某时段水土流失的平均、最大、最小特征值的方法。

我国各大河系均有多级水文站、网，气象、径流、泥沙观测资料较齐全，分布于各级水系上中下游。

这些水文站、网控制各大江河的主要断面，为国民经济提供的水文资料有些已编成“水文资料年鉴”可供查找。

这些站通常控制面积均在数百平方公里以上，为研究较大范围的土壤流失创造了条件。

表12－1是黄河干流几个大站的来水、来沙情况。

据此，可以计算出表12－2。

从而可知黄河中、上游从兰州到包头径流逐渐减小，用于宁夏、内蒙河套平原的农业灌溉，总量超过55亿m3；土壤侵蚀在未进入灌区前为1695t/km2，通过灌区落淤积泥沙减少，仅留1.3%。

包头以下到三门峡（陕县站）径流、泥少急骤增加，其中径流占40.1%，泥沙占90.8%。

（增加14.43亿t），尤其是山陕峡谷段，输沙模数超过6550t/km2·a。

表12－1黄河干流上游来水来沙量

地段名称

流域面积

（km2）

年径流

（亿m3）

径流模数

（m3/km2）

年输沙

（亿吨）

输沙模数

（t/km2·年）

河源到兰州

216000

309.6

4.52

1.100

510.0

河源到青铜峡

276810

299.8

3.43

2.130

769.0

河源到玉包头

355940

253.6

2.26

1.470

414.0

河源到龙门

494470

322.4

2.08

10.500

2120.0

河源到陕县

684470

42.5

1.96

15.900

2320.0

表12－2黄河中上游径流泥沙分配表

区段名称

流域面积

（km2）

年径流量

径流模数

（m3/km2）

年输沙量

输沙模数（t/km2）

（亿m3）

占陕县（％）

（亿t）

占陕县（％）

兰州－青铜峡

60810

-9.8

-2.3

-

1.030

6.5

1695.0

青铜峡－包头

79130

-46.2

-10.9

-

-0.660

-4.2

-

包头－龙门

138530

68.8

16.2

1.58

9.030

56.8

6550

龙门－陕县

190000

101.1

23.9

1.69

5.400

34.0

2840

上述计算方法，也适应用较小的渭、洛、泾、清及其支流。

但，通常小流域（＜100km2）往往缺乏水文站观测资料，或观测历时较短，给分析带来困难。

二、淤积法

淤积法（Sedimentarymethod）是通过量测大大小小的水库、塘、坝以及谷坊等拦蓄工程的拦淤量和集水区的调查，计算分析土壤侵蚀量或拦泥量的方法。

利用淤积法调查土壤侵蚀，要特别注意拦蓄年限内的情况调查，如拦蓄时间、集流面积、有无分流、有无溢流损失、蒸发、渗透及利用消耗量等。

对于水库淤积调查，若有多次溢流，或底孔排水、排沙，就难以取得可靠资料成果。

（一）有库、坝实测的设计基本资料

库、坝的设计基本资料包括库区大比例地形图、库坝断面设计、库容特征曲线、建库及拦蓄时间、水库（或坝）的运行记录（放水时间、放水量、水库水面蒸发、渗漏、及库岸崩塌等），以及设计时水文、泥沙计算等。

有了这些基本资料，又有排洪排沙记录，是十分理想的调查对象。

1、水沙量平衡法

某一时段内水库、坝的上、下游进库与出库（坝）的水、沙量之差等于该时段库（坝）拦蓄量。

即：

W＝W上－W下（12－1）

2、地形图法

实测库坝的淤积状况的大比例尺地形图，分层量算水体积（方法是：

量算每相邻两等高线所围面积的平均值，乘以等高距得水的容积），再从总蓄积库容中减去，而得淤积库容体积即：

W总蓄－W蓄水＝W淤积（12－2）

3、横断面法

对库区布设固定的横断面进行多次量测，并绘制各横断面图，利用相邻两断面的平均值，与断面距之积求容积的原理，计算出淤积体积。

即：

V淤＝（12－3）

式中：

Wi、Wi+1为相邻两断面的淤积面积（m2），它由平均淤积厚度（）和断面平均长（）算出。

W=（12－4）

实践表明，上述方法均可得到满意的结果。

但水沙平衡法多限于大型骨干工程，一般中、小流域不具备条件，难以应用；地形图法，精度较高，但工作量较大，可作重点库坝研究用；横断面法，方法简便，又能取得各时段的淤积量，被广泛采用。

（二）无库区基本资料

小型库（坝）、水土保持拦蓄工程没有库（坝）区基本资料，或不完全，而这些工程分布广、数量大、形式多样，水、沙蓄积明显，调查此类工程也可得到需要的水土流失资料。

对此类工程的调查需要补充基本情况的调查，如集水面积、蓄积年限、原来地形或地形图、工程基本尺寸、标高等。

在此基础上确定调查研究方法，然后着手调查。

通常调查的方法有：

1、断面法

方法同有库区资料的调查，不同的是常把第一次施测的各断面作为调查研究前的基础，尔后再施测，就可得到该时段的流失量。

2、测钎法或挖坑法

原理同断面法，不过把测深的方法改成用测钎量测（或挖坑量测）。

一般适用于无水蓄积的坝、或少水的窖、池等，或淤积较浅的坝。

通过量测淤积厚度，计算出某时段集水区的总泥沙量。

3、地形类比法

是利用沟谷地形逐渐演变的相似原理，由已知形态推求淤积形态的方法。

在黄土区的大切沟、冲沟中常有诸如过路坝、挡洪坝、拦泥坝等工程，这类工程发挥重要的水土保持作用，拦蓄效益十分明显，调查它们的拦蓄量可以补充重要的侵蚀资料。

有关地表径流量的调查，也可以利用此类工程进行。

通常调查是在暴雨产流后的一段时期进行，利用蓄水洪痕（草屑、侵蚀痕迹等）量算得到。

三、测针法

测针法（Methodofdrillingironorsteelrods）将细长光滑的金属杆（测针或测钎）插入坡面或沟谷底（细、浅、切、沟）部，观测测针出露或埋淤的高（深）度，可以推出坡面，沟床冲、淤侵蚀状况。

测针法通常用于难以进行定量观测的陡坡或冲淤交替的地区（如沟床）。

如泻溜面剥蚀观测、切冲沟床变化地区。

在不受人为干扰地区可大范围布设，如沙漠、林区、草原、沟坡等，长时期观测能够得出非常有价值的资料。

如科学院地理所对沙区剥蚀量的研究。

使用测针法时要注意，流水或风在遇障后会改变流态及性质，所以测针尽可能细小光滑，但有一定强度，不被弯曲或折损，以减少阻力和避免挂淤污物。

测针长度视剥蚀（淤积）强度决定，一般为十几厘米到几十厘米，有的长一米以上。

利用测针测量时，有的还附带一个如垫圈的金属片，金属片中心有一个小孔，其孔径略大于测针直径，与测针串在一起，可以上下移动。

有了金属片，测量精度更加可靠准确。

测针的布设多采用方格网状排列；当在沟谷中布设时，沿纵横断面成排排列，间距视地表变化和量测要求而定，一般不超过5～10m为好。

测针布设后，依次编号并记录布设出露的长度，经过一次侵蚀后，重新量测出露长度（或金属片埋淤深度），就可得到该次侵蚀量。

利用测针法原理，现在土壤侵蚀调查还出现色环法、埋桩法、以及利用古文化遗迹、树根出露的考古法等多种方法调查侵蚀状况，南京土壤研究所研究南方马尾松林地根部出露的高度，并解析树杆得到的树龄，从而计算出马尾松林地多年平均剥蚀厚度。

西北林学院在淳化利用测针法测得1987－1989年黄土陡坡的年平均剥蚀厚1.7cm。

四、地貌学方法

土壤侵蚀本质是地质作用表现形式之一，它必将改变地表形态。

自从人类活动参与之后，侵蚀过程大大加快，因之，诸如地表起伏、裂点迁移、沟谷密度、沟谷面积等地貌因素发生相应变化；反过来研究这些地貌因素的变化，分布规律，也能预测土壤侵蚀的分布和状况，这就是地貌方法的基本原理，也是目前土壤侵蚀研究的重要方向之一。

中科院西北水保所研究了黄土丘陵区的细沟侵蚀量2万t／km2，并发现25°为细沟发育的临界角；细沟侵蚀要占坡面侵蚀的50－75％，当产生浅沟侵蚀后，坡面土壤侵蚀将增大38％（40坡长m）。

由此看出研究侵蚀沟是非常重要的。

野外调查常用的地貌方法（geomorphicmethod）有：

侵蚀沟调查法、相关沉积法、侵蚀地形调查等。

（一）侵蚀沟测量法

众所周知，土壤侵蚀的发生和发展，在坡面上留下了从紊沟、细沟、浅沟到切沟、冲沟、干沟和河沟的侵蚀沟谷系统，它们的形态变化反映了土壤侵蚀的历史和强弱。

黄土区沟谷的切深与拓宽，因具有大体相同的地质基础，就可量算这些指标确定侵蚀大小，如常用的沟谷密度指标。

土壤侵蚀的定量研究，单纯的形态描述与相对大小不能满足生产和研究的要求，为此，苏联地学者提出量测侵蚀紊沟、细沟的容积法。

该两级沟谷均可由一次暴雨形成，通过对代表地段、沟谷密度平均宽、深度的量算、计算出冲刷容积，该法在苏联东欧普遍推广。

但由于它忽略了坡面面蚀量，所以结果往往偏小。

根据捷克扎契亚1982年的研究，观测值比实际侵蚀量编小10－30％。

具体方法是选择有代表性地段，划定包括全部集水面积的沟谷出露范围，用皮尺或测绳在全坡面的上、中、下游分设量测断面（亦可等距离设量测断面），量测每一断面全部紊沟、细沟的深度和宽度，算出断面沟谷平均冲刷深和宽，再量测沟谷曲线长，计算调查区侵蚀总体积，得出该区土壤侵蚀量。

若等距离布设断面，计算公式为：

（12－5）

M＝VR·/BL

式中：

ΣS1、ΣS2……ΣSn为1，2，……n断面量测沟谷面积求和；B为调查范围宽，L为调查范围长，N为量测断面数；R为泥沙容重，通常黄土为1.25～1.35g／cm3

由于地表微地形变化大，常受人为活动影响，且调查多在暴雨后进行，因之常作为小范围的调查方法，或作其它方法的补充调查，以区分不同情况下的土壤侵蚀量。

该法也可用以整个沟谷系统，这需要对沟谷形成、发展有深入的研究，才具有意义。

（二）相关沉积法

相关沉积法是利用侵蚀搬运的堆积物的数量来作为侵蚀区域的侵蚀数量。

广义来看，上述水文法、淤积法均属此法，这里指对堆积物的量算。

如考察华北平原的堆积体，估算黄河中、上游的多年土壤侵蚀状况，量测山前洪积扇的堆积数量，确定山地该流域的剥蚀速率等等。

小范围的土壤侵蚀调查，相关法主要用于：

沟坡重力侵蚀和沙化风蚀方面。

1、沟坡重力侵蚀

滑坡（滑塌）、崩塌（错落）、泻溜、土溜、泥石流等重力侵蚀发生常带有突发性，或持续性，从开始产生裂缝起（有的裂缝产生时间也难以观察），直到发生位移止，作为它的发育期；接着发生位移，堆积在坡脚。

计量滑坡体、崩塌体……就知沟谷该地段的侵蚀总量。

由于重力侵蚀发生规律目前研究还不深入，上述调查数量还不能直接用来计算沟谷侵蚀模数（泻溜除外）。

因之，该方法仍在改进。

美国采用在沟谷中设立若干控制横断面，并对其进行高精度的监测，从而确定沟谷发展速率和侵蚀强度。

我国近几年利用不同期的航片判读，定量研究沟蚀；“七五”期间，西北林学院用沟床水准测量结合测针法断面观测研究切沟、冲沟的侵蚀数量变化，取得了较好结果，为该项研究辟出新径。

用相关法研究泥石流的堆积物，在黄土区需要注意所搬运的松散物质，多由滑坡崩塌、泻溜形成，尽管泥石流在下泄搬运途中存在有刻蚀（