（环境工程专业论文）湖北省高速公路边坡土壤侵蚀模型中降雨因子的研究及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 土壤侵蚀是中国乃至全世界许多国家最为严重的生态环境问题之一，而 工程建设这种特殊的人类活动方式所产生的土壤流失是继农业垦殖和林业砍 伐后的一种重要形式，关系到工程的可行性及造价在各种工程建设中，高 速公路建设工程是一项浩大的土木工程，具有土方量大、弃渣量多且分布分 散的特点，建设过程中如果防护不得力就会导致大量的水土流失，危害严 重因此，本文以高速公路边坡上壤侵蚀为对象，对边坡土壤侵蚀模型进行 了研究该模型的研究可大大提高高速公路边坡土壤侵蚀预报预测的准确性， 并为管理部门对高速公路的管理及养护提供了科学依据 在各种预报土壤流失量的方程中，美国通用土壤流失方程( u s l e ) 的应 用最为广泛，但这个方程产生的资料参效值是根据美国东部2 3 地区的情况 得出的，只限于可耕种的坡度( 一般0 。一7 。) 和低蒙脱石土壤因为u s l e 是根据试验区专门资料而产生的，仪代表建立模型的地方，所以方程在原试 区外的推广和外延时具有很大的错误冒险性而且该方程主要应用于农业方 面的规划和预报，在工程建设方面预报的应用还未见有报道本文则针对高 速公路边坡土壤流失的数据和降雨资料对该方程中的主要影响因子降雨侵蚀 力指标r 的计算模型在高速公路方面应用的可行性进行了详细的探讨和研 究 本文的研究以在建的孝一襄高速公路随州段为依托，建立了三种情况的 试验小区，并在试验区安装自记雨量器，采集了该段高速公路从2 0 0 4 年4 月 到2 0 0 4 年1 2 月的详细降雨资料及土壤流失量运用数理统计的方法，并结 合使用o r i g i n 7 0 、e x c e l 2 0 0 0 等国际上权威的、先进的、稳定的统计分析软件， 在土壤流失量和降雨数据之间建立一元线性回归方程，通过分析确定美国通 用土壤流失方程中降雨侵蚀力指标r = ze 1 3 0 的计算模型同样适合于该段高 速公路边坡土壤流失量的计算，并确定了e 的计算方法 由于降雨侵蚀力指标r 中降雨总动能e 的计算十分繁琐，本文通过对 降雨总动能e 和次降雨的时段最大动能e i ，降雨总动能e 和次降雨雨量 p i ，降雨侵蚀力指标r 和次降雨雨量p i 的回归分析研究，发现降雨总动能e 可用次降雨的时段最大动能e 6 0 或用次降雨雨量p i 代替，同时求出了他们之 间的关系式，但研究也发现在计算孝一襄高速公路随州段高速公路边坡的土 壤流失量时不能只考虑降雨量对r 的这些简化算法的研究大大提高了高速 公路边坡土壤流失监测及预报工作的效率 通过具体降雨的降雨量分级及降雨历时分级与土壤流失量百分率之间关 系的研究，同时结合本研究监测的方法，拟定了高速公路边坡土壤流失监测 的布点原则和监测频率，加强了本研究在高速公路边坡土壤流失监测与评价 方面的实用性 关键词：土壤流失降雨侵蚀力指标回归分析监测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o i ll o s si so n eo ft h em o s ts e r i o u se n t i r o n m e n tp r o b l e m si nm a n yc o u n t r i e s i n c l u d i n gc h i n a c o n s t r u c t i o np r o j e c ti sa ni m p o r t a n tm a n n e rr e s u l t i n gi ns o i ll o s s b e s i d e sa g r i c u l t u r a lr e c l a m a t i o na n df e l l i n gt r e e s ，w h i c hi m p a c t st h ec o s ta n d f e a s i b i l i t yo f t h e p r o j e c t i np a r t i c u l a r , f r e e w a y c o n s t r u c t i o ni so f h u g e c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n gw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ee a r t hc u t t i n ga n dd i s c a r d e ds o i lw i t h w i d ed i s t r i b u t i o no nw o r k i n gs i t e sw h i c hw i l lb r i n gm a s ss o i ll o s sa n db e g e ts e v e r h a r mi nc o n d i t i o no fp o o rd e f e n s e s o ，t h ef r e e w a ys i d es l o p es o i ll o s sm o d e li s r e s e a r c h e di nt h ep a p e r , w h i c hw i l le n h a n c et h ea c c u r a c yo fs o i ll o s sf o r e c a s ta n d p r o v i d e t h e s u p e r v i s o rd e p a r t m e n t s c i e n t i f i c g i s t i n f r e e w a ys u p e r v i s o r a n d m a i n t e n a n c e u s l ei st h em o s te x t e n s i v eu s ce q u a t i o ni ns o i ll o s sf o r e c a s tb yn o w b u ti ti s c o n s t r u c t e db a s e do nt h ed a t ac o n c e r n i n gt h et w o t h i r d se a s t e r na r e a so fa m e r i c a n a n di sr e s t r i c t e dt oc u l t i v a b l es l o p e ( g e n e r a l l y0 7d e g r e e ) a n dl o ws m e c t i t es o i l i t w i l lp r o d u c ef a l s i t yi ft h ee q u a t i o ni sa p p l i e dd i s e n g a g i n gt h eo r i g i n a lt e s ta r e a m o r e o v e r t h e e q u a t i o n w a s m a i n l y u s e di n a g r i c u l t u r a lp r o g r a m m i n g a n d f o r e c a s t i n ga n dt h ea p p l i c a t i o ni nc o n s t r u c t i o np r o j e c th a s n e v e ra p p e a r e di nr e p o r t i nt h ep a p e rt h ef e a s i b i l i t yo ft h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r , n a m e l yr a i n f a l le r o s i v e i n d e x ( r ) i na p p l i c a t i o nt os o i ll o s so ff r e e w a y a n dr a i n f a l la r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s e a r c hi sb a s e do nt h es u m h o us t r e t c ho fx i a o g a n - x i a n g f a nf r e e w a y t h r e ed i f f e r e n tt e s ts p o t sa r ec o n s t r u c t e da n do n ea u t op l u v i o s c o p ei si n s t a l l e dt o c o l l e c td e t a i l e dr a i n f a l la n ds o i ll o s sd a t af r o ma p r i lt od e c e m b e r , 2 0 0 4 o n e d i m e n s i o n a lr e g r e s s i o ne q u a t i o nb e t w e e ns o i ll o s sa n dr a i n f a l ld a t ai se s t a b l i s h e d w i t hm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o dh a n d l i n gt h ea d v a n c e ds t a t i s t i cs o f t w a r e o r i g i n 7 0a n de x c e l2 0 0 0 r e s e a r c hs h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o nm o d e lr = e e 。1 3 0 i nu s l ei sa l s os u i t a b l ef o rs i d es l o p es o i ll o s sa m o u n to ff r e e w a ya n dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o df o r ei sd e t e r m i n e d s i n c et h ec a l c u l a t i o no f ei sf u s s y , t h er e d u c e dc a l c u l a t i o ni sr e s e a r c h e d w h i c hh a sg r e a t l ye n h a n c e dt h em o n i t o r i n ga n df o r e c a s te f f i c i e n c y i nt h i sw o r k ， l l 武汉理_ l 大学硕十学位论文 t h em l a f i o nb e t w e e nt h et o t a lk i n e t i ce n e r g yo fr a i n f a l l ea n dm o m e n tm a x i m a l k i n e t i c e n e r g ye i ，e a n dr a i n f a l la m o u n tp i ，ra n d p i a r e a n a l y z e d a n d c o r r e s p o n d i n ge q u a t i o n i so b t a i n e d r e s e a r c ha l s of o u n dt h a tt h ec a l c u l a t i o n c a n n o tc o u n tt h er a i n f a l la m o u n to n l yw h e nc a l c u l a t i n gs o i ll o s sa m o u n ti n s u i z h o us e c t i o no f x i a o g a n - x i a n g f a n f f e e w a y t h e p r i n c i p l ef o r s e ts a m p l i n gs i t e sa n ds a m p l i n gr a t e sf o rs i d es l o p es o i ll o s s i si m p l e m e n t e da m o n gt h ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s ，a m o n gr a i n f a l lc l a s s i f i c a t i o n ， r a i n f a l lt i m er a n g e sa n ds o i ll o s sa m o u n tc o m b i n i n gb yt h em o n i t o f i n gm e t h o di n t h i sr e s e a r c h i th a sc o n s i d e r a b l ep r a c t i c a b i l i t yi nf r e e w a ys i d es l o p es o i ll o s s m o n i t o r i n g a n df o r e c a s t k e y w o r d s ：s o i ll o s s ，r a i n f a l le r o s i v ei n d e x ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，m o n i t o r i n g 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至童垄日期旦i ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：量蜇丕导师签名：邀日期匹! ：z 注：请将此声踞装订在论文的目录前。 武汉理j 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究高速公路边坡土壤侵蚀模型的目的和意义 1 1 1 研究高速公路边坡土壤侵蚀模型的目的 土壤侵蚀，也即水土流失，是指土地表面在水力侵蚀力或风力侵蚀或 水力和风力综合侵蚀下，表土颗粒随风向和水流移动、搬迁、损失，直至 地表植被随表土而冲刷、破坏、流失的现象【1 1 土壤侵蚀是中国乃至全世界许多国家最为严重的生态环境问题之一， 严重土壤侵蚀的直接恶果是造成土地荒漠化，而人类活动则是土壤侵蚀发 生、发展以及得到防治的主导因素，其造成的加速侵蚀速率为自然侵蚀速 率的数百倍以上【甜，故对于人类活动造成的土壤侵蚀情况的研究不容忽 视工程建设则是一种特殊的人类活动方式，它所产生的水土流失是继农 业垦殖和林业砍伐后的一种重要形式，关系到工程的可行性及造价1 3 j 近年来，我国各项基础设施及新兴产业的开发建设，都对我国的水土 保持工作提出了新的任务和更高的要求公路建设工程的施工便是其中的 一个典型公路建设工程作为一项浩大的土木工程，由于在施工程过程中， 会穿过各种各样的地貌和地形单元，这势必会给所经之地的环境带来一定 的影响特别是由于公路建设工程具有土方量大、弃渣量多且分布分散的 特点，建设过程中如果防护不得力，不重视处理开挖面，一遇大雨，就会 导致大量的水土流失疏松的泥沙、碎石顺坡涌入河沟，使河水泥沙含量 增高，淤积河床，压埋农田，危害严重如，我国陕西省咸阳市北部几个 县，1 9 8 5 1 9 0 0 年修路3 9 9 5 9 k m ，平均每年弃土2 8 7 1 7 3 万1 1 - 1 3 陕西省永 寿县二道沟( 面积0 4 1 k m 2 ) ，1 9 6 0 年修筑公路时废弃土石乱堆，增加输沙 量6 5 7 1 t ，比多年平均输沙量大2 2 倍陕北在修筑佳县至吴堡的公路对， 仅冯嫣长4 k m 的一段，就倒入沟谷中3 0 多万m 3 的土体而未采取任何水土 保持措施据调查，1 9 5 0 一1 9 8 2 年无定河流域的河源区和黄壤土丘陵沟壑 区人为开荒、修路、建窑洞、开矿等新增水土流失量4 5 9 亿t ，其中修路增 沙量占总增沙量的3 0 7 9 4 1 ， 据山西省水土保持研究所分析，晋西蔚汾河流域( 面积1 4 7 8 k m 2 ) 1 9 5 6 武汉理工大学硕士学位论文 一1 9 6 5 年的平均输沙量为1 1 4 0 0 t k m o a ，1 9 6 6 1 9 7 5 年为 1 5 5 0 0 t k m o a 一后1 0 年与前1 0 年的降水量相近，输沙量增加了3 6 0 ， 增加量中有4 8 是1 9 6 5 年以来兴建公路造成的【4 1 高速公路的建设是各种等级的公路建设中要求最高的，因此，本文对 高速公路边坡土壤侵蚀模型进行研究，以便准确预报和评估高速公路建设 工程边坡的土壤流失量，使管理部门能及时的采取相应的工程措施和管理 措施 本文通过对湖北省孝一襄高速公路随州段高速公路边坡4 1 2 月土壤 流失量和降雨资料的记录和采集，运用数理统计的分析方法，对目前被广 泛应用于土壤流失量预报的美国通用土壤流失方程( u n i v e r s a ls o i l l o s s e q u a t i o n ，下称u s l e ) 中的主要影响因子降雨侵蚀力指标r 进行参数的修 正和简化，同时，拟订了高速公路边坡土壤流失监测的布点原则和监测频 率 高速公路工程建设用地范围主要包括主体工程的永久征地和临时用 地在项目建设区内实施的工程使原地貌的水土保持功能完全改变或短期 内水土保持功能丧失，导致土壤侵蚀加剧，水土流失增加 在工程用地范围内，临时用地，如，取、弃土场及施工场地等经过建 设鱼塘、表土返田等措施，将逐步恢复其原有功能，施工便道则结合地方 道路形成路网系统，水土流失在很大程度上得到了控制而永久征地，如， 工程修建的路基等工程范围将永久性改变其原有功能，高速公路建设工程 破坏原生地貌的重点则体现在永久性占地上而高速公路路基边坡所采取 的主要是柔性护坡措施，边坡植被措施水土保持效果见效又比较慢，一般 植被有3 5 年的林草恢复期一方面高速公路路基长度大，水土流失面积 大：另一方面其水土流失时间长，导致路基边坡上的水土流失量较大所 以，本公路工程自一期工程完工以后，水流失主要表现为公路路基边坡 水土流失故本课题以高速公路建设工程边坡水土流失的研究为主 1 1 2 研究高速公路边坡土壤侵蚀模型的意义 美国通用土壤流失方程( u s l e ) 是被作为一种预报土壤流失量的方法 而提出的通过参数值的变化，可以确定应采用的作物和管理措施，以便 使估算的土壤流失量减少到某一土类的容许土壤流失量水平尽管美国通 用土壤流失方程( u s l e ) 被描述为“通用”( u n i v e r s a l ) ，但是它的资料参 效值是根据美国东部2 3 地区的情况得出的，而且只限于可耕种的坡度( 一 2 武汉理： 大学硕士学位论文 般0 4 - - 7 。) 和低蒙脱石土壤【5 1 因为u s l e 是根据试验区专门资料而产 生的，仅代表建立模型的地方，所以方程在原试区外的推广和外延时具有 很大的错误冒险性，当地影响因子和参数差异、以及不同侵蚀过程的重要 程度将对模型有很大的影响 高速公路建设工程的边坡是经过一系列的工程措施后形成的，如在边 坡上铺垫客土，然后人工铺贴草皮、栽种灌木、播撒草籽、在路基边坡浆 砌片石骨架草皮护坡等，与美国通用土壤流失方程( u s l e ) 产生的试验小 区条件相差甚远通过本文对美国通用土壤流失方程中参数的修正，使其 进一步的完善，成为适合于预报和评价高速公路边坡土壤流失量的土壤侵 蚀模型 目前，我国对高速公路边坡土壤流失量的监测和评价尚无统一的成熟 模型，大多采用经验法、类比法等，误差较大该模型的研究则可改变这 种状况，使得高速公路边坡土壤流失量的评价有统一模型，预报的结果更 准确、可靠，为高速公路建设工程的水土保持生态环境监测评价提供依据 高速公路边坡土壤流失的预报可以为养路工作者提供准确信息，使其 能采取及时的工程和管理措施，提高养护效率，从而更好的保证高速公路 的运营，预防和减少因高速公路边坡严重的水土流失造成的经济损失同 时，为建设单位、工程施工单位和水利行政主管部门对高速公路建设工程 中水土保持工作的监督管理和水土保持规划提供了科学依据也为高速公 路的设计、建设提供了宝贵的理论依据 本文对土壤侵蚀模型的研究为我国其它各省市高速公路的水土保持生 态环境监测和评价提供参考，为除高速公路建设工程外的其它工程建设项 目水土保持生态环境监测和评价模型的研究提供借鉴，对生态环境的保护 也具有非常重要的意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 美国通用土壤流失方程( u s l e ) 的国内外研究现状： 从1 9 世纪晚期开始的对侵蚀机理的研究，仅限于对表面现象的观察 和定性描述，进入2 0 世纪3 0 年代后，有不少学者开始对侵蚀进行定量 研究，并力图对侵蚀做出预报6 0 年代以后，由于桐邻学科的爨犀、测 3 武汉理工人学硕士学位论文 试方法的改进，以及计算机技术的兴起，侵蚀机理的研究得到了发展， 并逐步建立了一些物理意义明确的能模拟侵蚀物理过程的数学模型进 入8 0 年代以后，随着科学技术的迅猛发展和计算机技术的日益完善，侵 蚀的研究得到了迅速的发展，有大量的研究成果问世特别在进入9 0 年 代后，遥感( r s ) 技术和地理信息系统( g i s ) 的发展和应用，为人们进一步 认识自然提供了有力的工具，模型的研究也开始由集总式向分布式过渡刚7 1 同 时，元素示踪法也用来尝试预报土壤侵蚀，还有如把分形理论、计算机 模拟技术、摄影测量及g p s 技术等用于土壤侵蚀的尝试总之，随着大 量新技术新方法的应用，土壤侵蚀研究在一些领域有望获得新的突破而 在众多的研究成果中，以美国、澳大利亚和英国最为典型【5 】其中最有影 响应用最广泛的还要数美国科学家总结出来的通用土壤流失方程 ( u s l e ) ，它在6 0 年代初提出来以后，便被众多国家所采用 1 9 5 3 年，美国建立了径流和土壤流失资料中心，在w i s c h m e i e r 领导下， 对美国洛基山以东2 1 个州3 6 个地区近万个土壤侵蚀资料进行了研究分析， 1 9 5 4 年提出了通用土壤流失方程式( u s l e ) , 6 0 - - 7 0 年代，美农业部应用 8 0 0 0 多个径流侵蚀小区的多年观测资料对方程式进行了修证，并于1 9 7 1 年 确定了通用土壤流失方程式的最终形式： a = r k l s c p 式中：a 一单位面积坡地的土壤流失量，主要指降雨及其径流使坡面上出现 细沟或沟间侵蚀所形成的平均土壤流失量，单位：t h m 2 a ： r 一降雨一径流因子，用平均降雨侵蚀力指数表示，单位： l o o m - t c m h r n 2 h ： k - 土壤可蚀性因子，表示为标准小区下单位降雨侵蚀力形成的单位 面积上的土壤流失量，单位：t h m 2 h h m 2 m j m m 标准 小区定义为2 2 1 3 m 长、9 坡度、连续保持清耕休闲状态，且实 行顺坡耕作的小区 l - - 坡长因子： s m 坡度因子； c - - 作物与覆盖因子； 卜一水土保持措施因子 l 、s 、c 、p 因子都是无量纲因子，分别表示为各自实际条件下的土壤 流失量与对应标准小匮条件下土壤流失量的比值：可艰辑相庳的公式进行 4 武汉理工大学硕士学位论文 计算 这个典型通用土壤流失方程起初是为了协助科技工作者作为制定农业 计划的工具，后来成为制定水土保持措施的工具【8 】，是目前测报农耕地侵蚀 量最常用的模型，它还被应用于城市泥沙控制、公路侵蚀控制、煤矿荒地 的复垦、非点源污染控制和经济分析等方面的研究中【_ ” 由于方程的地域局限性，为了使u s l e 应用更广泛，科研工作者对其进 行了不断的修正，其中主要是对土壤侵蚀因子的修正研究，并且提出了不 同地区的土壤侵蚀经验方程式，使公式结构更为合理、参数代表性更为普 遍、应用范围更广在u s l e 的推广应用过程中，另外一个最为突出的特 点是与之结合的各种实用商业化软件的开发与使用，并带来巨大的社会与 经济效益 目前土壤侵蚀与控制方面的研究成果，不论在理论上还是实施上，均 取得了世人瞩目的成就，形成侵蚀研究学科的完整体系与此同时，国外 学者对于水土保持问题也给予了高度重视但由于国内外在环境资源等许 多方面存在很大差异，因此即使在侵蚀研究的核心内容上可达成一致，然 而在研究的具体内容、措施体系及思维手段等方面，国内外仍各有其特色1 9 1 在我国，虽然土壤流失预测预报研究起步较晚，到了8 0 年代初才开始 陆续有见报道然而，近1 0 年来，水土保持专家们勤奋工作，不仅在数理 统计预报方法研究上取得了可喜的成绩，而且在通用土壤流失方程的适应 性，式中各预报变量的取值等方面的研究也取得了较大的进展【1 0 】近年来， 我国许多学者在西北、华北和东北等地，相继进行了土壤流失方程的应用 研究，已取得了一定的进展但对于工程措施与土壤侵蚀规律的研究涉及 甚少，这方面的文章也鲜少见到在工程建设项目的环境影响评价中，应 用很少，对方程式的介绍也仅是定性说明，各个因子如何取值尚不清楚加 之目前，高速公路工程中水土保持方案的制定尚无规范性模式，一般是研 究人员根据自己对各种条例和规范的领会及对高速公路工程特点的认识而 制定的因此对高速公路工程中的土壤侵蚀系统研究迫在眉睫 1 2 2 美国通用土壤流失方程( u s l e ) 中降雨侵蚀力指标r 的国 内外研究现状： 利用通用土壤流失方程( u s l e ) 预报土壤流失量，拟定研究地区的降 雨侵蚀力指标r 值是一项重要的工作降雨侵蚀力指标r ，表示降雨引起 土壤侵蚀的潜在能力，直接决定着土壤的侵蚀强度，是通用土壤流失方程 t 一- 0 、 s 武汉理工人学硕士学位论文 ( u s l e ) 中首要的基础因子，它仅与降雨的物理性质有关，其中关系最为 密切的是降雨总动能( e ) 和降雨的时段最大雨强( i t ) ，这两者的交互影 响是降雨侵蚀力的最好度量【l l 】r 值的计算方法众多，且过程繁琐，主要 有瞬时雨强法( e i ) 、通用指标法( u i ) 、综合指标法( k e 2 5 ) 和微积分法 等【i “但哪种方法的计算过程更能较准确的反映出降雨的潜在侵蚀能力， 计算能否简化，都是水土保持工作者的研究方向 美国学者w i s c h m e i e r 通过多年的试验研究，在1 9 5 8 年首次提出了适用 于美国地区的降雨侵蚀力指标r 的最佳组合结构是降雨总动能( e ) 与3 0 分钟最大雨强( 1 3 0 ) 的乘积，其表达示为r = e 1 3 0 i “j 自魏氏提出e e 1 3 0 的经典算法以来，已涌现出不少经典修正法和简便法国外主要修正e 中 单位雨量动能的极限雨强 1 3 j ，例如，哈德逊认为e 1 3 0 在非洲的应用效果并 不理想，而以k e 2 5 4 为r 指标更合适1 “1 1 3 研究高速公路边坡土壤侵蚀模型的方法 1 3 1 采用的方法 本文通过对湖北省孝一襄高速公路随州段高速公路边坡4 1 2 月土壤 流失量采集和自记雨量器对每场降雨过程的记录，运用数理统计的分析方 法，在降雨侵蚀力指标r ( r 的值采用几种不同的组合结构计算) 与土壤流失 量之间建立回归方程，同时在降雨不同时段最大雨强i 和土壤流失量之间建 立回归方程，通过所建回归方程的相关系数的分析确定适合湖北省孝一襄 高速公路随州段高速公路边坡的降雨侵蚀力指标r 的最佳组合结构根据 监测的可行性，将r 的计算式中的因子进行简化，使监测工作更具可操作 性，监测的工作效率提高并通过每次采样侵蚀性降雨的不同级别降雨量 和降雨历时与相应土壤流失量的分析，确定具体降雨类型对土壤流失量的 影响，同时拟订了高速公路边坡土壤流失监测的布点原则和监测频率 1 3 2 采用的技术路线 如图1 1 所示 6 武汉理工人学硕士学位论文 现场地形、地貌等相关项目的调查 上 确定采样方法 上 布设试验小区和自记雨量器 上 降雨数据和土壤流失数据的采集 土 r 与土壤流失量的回归分析 0 r 简化算法的研究 i 具体降雨特征与土壤流失量的关系分析 上 结论 图1 1r 因子修正的技术路线图 f i g u r e1 - 1t h e t e c h n i c a ll i n eo frf a c t o r a d j u s t m e n t 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 试验小区 第2 章数据的收集 为了研究适合于计算高速公路边坡降雨侵蚀力指标r 的最佳组合结构 于正在施工的孝感至襄樊高速公路的随州段建立了2 处试验小区 2 1 1 孝一襄高速公路工程简介 湖北省孝一襄高速公路是我国西部开发大通道银川一西安一武汉高速 公路的重要组成部分，是湖北“大三角”高速公路主骨架的重要一部分，是 国家重点工程建设项目，也是我省继京珠高速公路湖北段之后的又- - d o 用 世界银行贷款修建的高速公路工程该项目起点位于京珠高速公路孝南区 盛家湾，途经孝感、随州、襄樊3 个省辖市的7 个县( 市、区) ，涉及2 9 个乡镇，1 7 0 多个行政村，终点接襄十与襄荆高速公路襄阳县，主线全长 2 4 3 公里，其中孝感8 2 公里，随州7 0 公里，襄樊9 1 公里全线采用双向 4 车道高速公路标准建设，路基宽度2 8 米。沥青混凝土路面，设计行车速 度1 2 0 公里d , 时：共设互通式立交1 4 处，服务区和停车区各4 处；另配套 建设云梦、随州、枣阳3 条连接线共3 1 公里该项目估算总投资7 2 6 亿元 人民币，其中国家投资8 9 8 亿元，世界银行贷款2 5 亿美元( 折合人民币 2 0 7 5 亿元) ，其余由业主自筹和国内银行贷款解决该项目于2 0 0 2 年8 月 动工，预计于2 0 0 5 年1 2 月建成通车 孝一襄高速公路的随州段主要负责第6 1 0 土建合同段 2 1 2 研究区自然概况 研究区处于中纬度季风环流区域的中部，属于北亚热带季风气候因 受太阳辐射和季风环流的季节性变化的影响，气候温和，四季分明，光照 充足，雨量充沛，无霜期较长，严寒酷暑时间较短据统计，该区多年平 均年降雨量为l 0 0 4 7 m m ，如果把特早年份降雨量综合起来分析，正常年景 8 武汉理工大学硕士学位论文 该区平均降雨量最少不低于8 0 0 m m ，一年中一般以6 7 月降水量最大， 最大月降水量往往比月平均降水量多5 0 一1 0 0 ，但时空分布极为不均， 且为连续性降雨的时候居多年平均气温1 5 5 摄氏度，无霜期2 2 0 - - 2 4 0 天温暖的气候条件，良好地貌特点，有着优越的生态环境本区的植被 主要以杉树为主，在试验区的公路边坡上主要种植的是东北地区较多的灌 木 2 1 3 径流小区及自记雨量器的布设 本研究建立了2 处试验小区，一处设置在该高速公路建设随州段的二 工区( 如图2 1 ) ，取连续相邻的6 个拱形坡面为研究对象，并在坡底修建 了沉淀池，其中4 个拱形坡面上有植物防护措施，另外2 个拱形坡面上未 采取植物措施防护作为对照小区，坡面坡度为1 11 5 ，每个拱形坡面面积 相同，都由一个长方形和其顶部的拱形组成，长方形的规格为2 m 5 m ，拱 形的半径为l m ，该区的土壤类型是红粘土另一处小区设置在该高速公路 建设随州段的一工区( 如图2 - - 2 ) ，该段坡面上未采取植物措施防护，按同 样的方法修建了6 个沉淀池，坡面坡度也是1 ：1 5 ，每个拱形坡面由两个 半跑道形拱门组成，每个拱门的方形部分规格为2 m x 2 m ，半圆部分的半径 为l m ，该区土壤类型为黄壤土降雨后，在所设置的沉淀池内可收集因降 雨侵蚀而流失的土壤侵蚀量 为了记录每场降雨过程，本研究在试验小区所在的孝一襄高速公路随 州段高速公路建设指挥部办公楼的楼顶安装了一台自记雨量器，雨量器设 置位置视野空旷、无树木和房屋等其它任何遮挡物，保障了降雨过程记录 的准确性且雨量器设置的位置就在高速公路干道的附近，使得雨量站所 、己录的降雨过程即为采样小区处降雨过程的真实反映同时安排了专人负 责雨量器的管理及降雨过程的记录 9 武汉理工人学硕士学位论文 图2 1 二工区试验小区 f i g u r e2 - 1t h ee x p e r i m e n t a lp l o ti nt h es e c o n dw o r k a r e a 图2 - - 2 - - 1 咣4 、区 f i g u r e2 - 1t h e e x p e r i m e n t a lp l o ti nt h ef i r s ? tw o r ka r e a l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 降雨侵蚀力指标r 数据的收集及整理 2 2 1 基本概念及标准 在摘录降雨过程资料( 如图2 3 ) 时，对于一场雨的概念引用美国的 标准，即降雨间歇在6 小时以内，则算作一次降雨过程，也叫一场雨，否 则视为两次降雨过程以此为标准来计算每场降雨的不同时段最大雨强和 降雨总动能 在所有降雨中，只有部分降雨发生地表径流，进而引起土壤侵蚀，发 生真正意义上的土壤流失，这部分降雨称为侵蚀性降雨【”】将发生侵蚀和 不发生侵蚀的降雨区分开来的临界降雨参数值，称为侵蚀性降雨标准i l 自 然降雨中的小降雨次数庞大，小降雨产生的降雨量也占总降雨量的很大部 分在计算降雨侵蚀力时，如果将不发生侵蚀的降雨剔除掉，将会大大减 少计算降雨侵蚀力的工作量，并提高土壤侵蚀的预报精度 w i s c h m e i e r 根据雨量大小拟订了侵蚀性降雨标准，一次降雨量如小于 1 2 7 m m ，则将该次降雨从侵蚀力计算中剔除，但若该次降雨的1 5 r a i n 雨量 超过6 4 m m ，则仍将这次降雨计算在内 1 7 1 并将该标准应用于美国通用土 壤流失方程( u s l e ) 1 7 1 和修正通用土壤流失方程( r u s l e ) 1 1 8 】中由于本 文是对美国通用土壤流失方程的研究，故也选用该标准作为侵蚀性降雨的 标准 2 2 2 r 值的经典算法“9 1 在原有的通用流失方程( u s l e ) 中，r 的计算采用美制习用单位，随 着u s l e 在世界各国的普遍应用及国际单位制( s 1 ) 在美国的采用，可将r 的使用单位和因次转换成国际公用单位 按照公制( 米吨单位) ，r 的计算方法是： r = e e 1 3 0 1 0 0 式中：r 表示一次降雨的侵蚀力值( 1 0 0 m t c m h m 2 h ) e e 表示一次降雨的总动能( m t h m 2 ) ； n 武汉理工大学硕士学位论文 h| 1 图2 - 3 自记雨量纸 f i g u r e2 - - 3t h er e c o r d i n g o f a u t o m a t i cr a i nr e c o r d e r 1 2 武汉理一r ：大学硕士学位论文 1 3 0 表示一次降雨中最大3 0 m i n 的降雨强度( c m h ) e = e p 式中：e 表示一次降雨过程中某时段雨量的动能( m t h m 2 ) e 表示单位降雨的动能( m t h m 2 c m ) ； p 表示某时段降雨雨量( c m ) ： e = 2 1 0 3 + 8 9 1 0 9 i i 7 6 c m h e = 2 8 9i 7 6 c m h 式中：e 表示单位降雨的动能( m t h m 扎c m ) ； i 表示单位降雨的降雨强度( c m h ) 由于美国通用土壤流失方程( u s l e ) 的产生条件为坡耕地，最初主要 是应用于农业规划，目前也主要是应用于自然情况下坡地的土壤流失预报， 但该方程在工程建设项目土壤流失量预测方面的应用尚未见有报道，本文 即是对美国通用土壤流失方程中降雨侵蚀力指标r 的经典算法及算法组合 结构在高速公路建设工程土壤流失预报预测应用上的可行性进行研究 2 2 3 不同时段最大雨强的数据 时段最大雨强的计算方法是【“】：先从自记雨量器所记录的降雨过程线 上找出各时段的最大降雨量，然后用下式求得不同时段的最大雨强 1 t _ 生6 0 t 式中：i t 表示t 时段的最大雨强( c m h ) ： h 。表示该时段的最大降雨量( c m ) ； t 表示选取的最大雨强时段( r a i n ) 因为本研究所使用的雨量自记纸上时间的最d , n 度分段为1 0 m i n ，为了 保证所读取的数据的精确性和所研究的不同时段最大雨强的全面性，将时 段最大雨强的最小时段定为1 0 m i n ，并将每个不同时段的时间递增间隔也定 武汉理上大学硕士学位论文 为l o m i n ，即选取l o m i n 、2 0 m i n 、3 0 m i n 、4 0 r a i n 、5 0 m i n 、6 0 m i n 这六个不 同的时段最大雨强，分别记做1 1 0 、1 2 0 、1 3 0 、1 4 0 、1 5 0 、1 6 0 并用这六种不同 的时段最大雨强与降雨总动能的乘积来求取降雨侵蚀力指标r 的值 每场侵蚀性降雨的不同时段最大雨强值详见表2 1 表2 1 每场侵蚀性降雨的不同时段最大雨强( i 。) 统计表 t a b l e2 1t h es t a t i s t i c so f m o m e n tm a x i m a lr a i n i a l lp r e s s u r eo i le v e r ye r o s i v er a i n 单位：c m h 序 采样日期降雨日期 不同时段最大雨强 号 l m1 2 01 3 0k1 5 01 6 0 12 0 0 4 4 3 02 0 0 4 4 2 31 9 8 01 6 2 01 3 4 01 1 1 00 9 0 00 7 5 0 22 0 0 4 5 1 82 0 0 4 5 30 7 8 00 6 0 00 5 0 00 4 6 50 4 2 00 3 6 0 32 0 0 4 5 2 62 0 0 4 5 2 53 3 6 02 7 9 02 2 4 01 9 9 51 7 5 21 6 8 0 42 0 0 4 5 2 92 0 0 4 5 2 73 1 8 02 7 0 01 9 4 01 5 1 51 2 4 81 1 0 0 52 0 0 4 6 72 0 0 4 6 31 5 0 01 3 2 01 1 4 01 0 2 00 9 2 40 8 6 0 62 0 0 4 6 1 62 0 0 4 6 1 31 3 2 01 0 5 00 9 0 00 8 4 00 8 4 00 7 8 0 72 0 0 4 6 2 52 0 0 4 ，6 1 80 4 2 00 3 6 00 3 6 00 3 4 5o 3 0 00 2 9 0 82 0 0 4 7 22 0 0 4 6 _ 3 04 3 2 03 5 4 02 6 6 02 1 3 02 1 6 01 9 5 0 92 0 0 4 7 72 0 0 4 7 61 3 8 0 01 1 6 4 09 0 4 06 9 1 5 5 8 0 84 8 5 0 1 02 0 0 4 7 1 42 0 0 4 7 1 02 1 6 02 0 7 02 0 0 0 1 9 5 01 7 4 01 6 0 0 2 0 0 4 7 1 71 7 4 00 9 6 00 6 8 00 5 4 00 4 5 60 3 9 0 1 l2 0 0 4 7 2 42 0 0 4 7 1 93 3 0 02 7 0 02 4 0 02 2 0 52 4 1 22 2 9 0 2 0 0 4 7 2 01 6 2 01 3 5 01 1 0 01 0 3 50 8 4 00 7 7 0 2 0 0 4 7 3 02 4 0 02 3 4 01 5 6 01 1 7 00 9 3 60 7 8 0 2 0 0 4 7 3 0 6 3 0 04 8 6 03 6 8 04 0 0 53 6 2 4 3 2 4 0 2 0 0 4 7 3 12 2 2 0 1 3 5 00 9 2 00 7 0 50 5 7 60 4 9 0 2 0 0 4 7 3 1 +6 1 2 04 9 2 04 1 8 03 5 2 52 9 7 62 5 0 0 1 22 0 0 4 8 9 2 0 0 4 8 31 6 3 8 01 1 3 1 09 0 0