（环境工程专业论文）东北黑土区铁路路基边坡施工期水力侵蚀规律及预测方法研究.pdf

j 立蛮通盍堂亟堂僮论塞 生塞垴薹 中文摘要 铁路工程建设引起的水力侵蚀不仅对工程本身造成极大的危害，而且对 生态环境造成一定的破坏。因此，为了有效地控蒂0 铁路工程施工期水力侵蚀， 对施工期铁路工程水力侵蚀规律和预测方法的研究势在必行。在前人研究的 基础上，本文针对铁路路基边坡施工期水力侵蚀规律及预测方法展开。论文 选择哈尔滨王万线作为试验研究区，针对铁路路基边坡施工期水力侵蚀问题， 主要进行了以下几方面的研究工作： l 、工程建设水力侵蚀研究进展：在调研国内外工程建设水力侵蚀研究的 基础上，分别对工程建设活动与水力侵蚀的关系和工程建设项目水土流失预 测方法进行了总结和讨论，并根据铁路工程水力侵蚀发生的特点和方式，提 出了本文的研究内容和研究思路。 2 、施工期路基边坡天然降雨水力侵蚀试验研究：首先，参考监测结果， 分析了东北黑土区填方路基的水土流失强度，详细说明了依据监测结果计算 铁路路基边坡施工期水土流失强度的估算方法，进而得出侵蚀模数和加速侵 蚀系数。此外，参考天然降雨观测试验和室内土工试验结果，分析了气候条 件和土壤特质对水力侵蚀的影响。 3 、铁路路基边坡水力侵蚀预测方法研究：首先提出了预报铁路通过地区 水力侵蚀背景值的几点建议。然后，在王万线工程算例验算的基础上提出黑 龙江省土壤流失方程式应用于东北黑土区铁路路基边坡土壤侵蚀量的预测是 可行的，并对文中的三种方法进行比较分析。 关键词：铁路路基施工期水力侵蚀侵蚀模数预测方法 j e 塞窑通太堂亟堂僮垃毫旦s 墅! 垄 a b s t r a c t w a t e re r o s i o nc a u s e db yr a i l w a yc o n s t r u c t i o nn o to n l yd e s t r o y se n g i n e e n n gb o d y , b u ta l s oh a r m se e o - e n v i r o n m e n t ri si n d i s p e n s a b l et or e s e a r c hl a w so fw a t e re r o s i o n a n dp r e d i c t i o nm e t h o d si no r d e rt oc o n t r o lw a t e re r o s i o n b a s e do np i o n e e rr e s e a r c h w o r k so nl a w sa n dp r e d i c t i o nm e t h o d s ，af e wp r o b l e m sa sf o l l o wo nl a w sa n dp r e d i c t i o n m e t h o d si nr a i l w a ye n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ns i t e sa l es t u d i e db yt a k i n gw a n g w a n r a i l w a yi nh a r b i na sr e s e a r c ha r e a s 1 ，r e s e a r c h e so nw a t e re r o s i o ni ne o n s t r u c t i o ns i t e sa r er e v i e w c d ：b a s e do nt h e r e v i e wo fr e s e a r c h e so nw a t e re r o s i o i l ，t h ea c h i e v e m e n t so nt h er e l a t i o nb e t w e e n e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n a n dw a t e re r o s i o na n dp r e d i c t i o no fw a t e re r o s i o ni n c o n s t r u c t i o ns i t e sa t es u m m a r i z e da n dd i s c u s s e d a n dt a k i n ga c c o u n to ft h e c h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m so fw a t e re r o s i o ni nt h er a i l w a ye n g i n e e r i n g , t h er e s e a r c h c o n t e n t sa n dm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d 2 s t u d yo nw a t e re r o f i o ni nc o n s t r u c t i o np e r i o d sb yp r e c i p i t a t i o nt e s t s ：f i r s t l y , b a s e do nt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s ，t h ep a p e ra n a l y z e ss o i la n dw a t e rl o s si n t e n s i t yo f r a i l w a yr o a di nn o r t h e a s t e r nc h i n aa n dp r o p o s e saw a y t op r e d i c ts o i la n dw a t e rl o s s i n t e n s i t yo f r o a d b e de n g i n e e r i n gi nc o n s t r u c t i o n f u r t h e r m o r e ，w e a t h e rc o n d i t i o na n d s o i lp a r t i c u l a r i t yo nw a t e re r o s i o na r ea n a l y z e d 3 s t u d yo fp r e d i c t i o nw a y so fw a t e re r o s i o nf o rr a i l w a yr o a d b e d ：f i r s f l s e v e r a l p i e c e so f a d v i c ea b o u tp r e d i c t i n gw a t e re r o s i o na l o n gr a i l w a ya r ep r o 蚪d t h e n ，b a s e d o np r e c i p i t a t i o ne x p e r i m e n to nw a n g w a n r a i l w a yi nh a r b i n , 趿e m p i r i c a le q u a t i o nt o p r e d i c tw a t e re r o s i o no nt h ee m b a n k m e n ts l o p ei sg i v e n k e y w o r d s ：r a i l w a yr o a d b a d ；c o n s t r u c t i o np e r i o d ；w a t e re r o s i o n ；e r o s i o nm o d u l u s ； p r e d i c t i o nm e t h o d s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名勘喂 签字日期：泅年f 上月 导师签名：气么： 签字日期；哕铂胡i 广日| j e 塞交通太堂亟堂焦i 金塞 独剑蛙岜盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲脚嚷签字隰叼年阳f 7 日 致谢 本论文自始至终是在王连俊教授、白明洲教授的悉心指导下完成的。在 我攻读硕士期间，他们倾注了大量的心血。无论从论文的选题到提纲的实施 细则，二位教授都给予了具体的指导和帮助，尤其是在论文的修改过程中， 更是对论文逐字逐句地审阅。教授们渊博的知识和严谨的治学态度都是我今 后学习的榜样。在此向他们表示衷心的感谢! 感谢教研室刘世海高工、刘莹副教授和王勐副教授，感谢他们对作者的 不吝赐教和鼓励，以及对本论文工作提供的许多有益建议、指导和帮助。 今天许多成绩的取得，也离不开我的许多同学。感谢沈宇鹏师兄、姜龙 师兄、匡星师姐、好友张嗄、郑美兰等平时在学习、生活和工作中给予的关 心和鼓励，感谢王志超硕士对试验的配合，感谢己毕业叶翠玲硕士和王美芝 博士在相关研究中给予的帮助。 特别感谢我的家人对我学业上的理解和支持，生活上的关心和照顾。 在学习和完成论文的过程中，还有许多支持我和帮助过我的人们，虽然 名字无法一一提及，但他们的帮助我将终生难忘。 最后，再次对所有帮助过我的人们真诚地说一声：谢谢! i 塞塞通友堂亟圭兰燕泛塞 缝途 1 1 矫究营景糕慧义 1 绪论 原生地貌水土流失规律和综念治理技术措施经过几十年的研究与探索，基本 形成了较为成熟的理论体系和技术媾施体系，儇由于开发建设项疆区水土流失爨 蠢戆缓熬不完整缝、零主流失豢浚豹不稳筏黢、瘩滚失形式熬多榉憋、逡戚戆 害的潜在性等特点，熙开发建设项目水士流必防治目标、骑治标准、建设管理形 式、实藏期限、法律地位等与般靛承主绦掩、夺流域综合治理鸯较大透嬲，冀 窳浚失蔑律器痰强持与爨垒建簸有鞍夫瓣不弱，嚣筵，运麓绩栗不宠全邋爱 予帮发建设项目的承主流失防治。翳前，蠢哭开发建设活动的水土流失预测模塑、 水漉失靓律等成为麟酌磷究麓点。 为了藏治嚣发建缓壤瓣霉l 怒煞杰滚失，舔轳帮会理糕鬻零资源，牵攀太 袋靼露水土保持法第二章第十九条和中牮人民共和国农主保持法蜜施条秘 第十四条规定：“在山区、丘陵区、风沙区修建铁路、铁路、水正程，歼办矿山企 业、电力企业和其他大中型 二业企业，必须肖水行政主管部门同意的水保持方 鬃”。鼯王程顼基施工之藏，必簇霹工程撩工涟疆孛可悲造戏豹主壤 受键穰淡遴葶亍 颈浏，并戬其为依据遴行麓工邀稷中承缣掩播施的设计。蒺审霹麓遮藏的壤 流失爨预测是流失防治区划分稠承士保持撬麓数量、标准的确定及措施优化配饕 熬鍪麓。壤溅豹蠹容蹩季金箍、努嚣是否会壤、方法是否麓学簿，鲞臻关系割疆 溯缭聚豹客观性帮潦确健。 疆前，开发建设项秘水土流失定位观测和动态监测数据十分缺惹，水土流失 鞭测摸式孛的参数缺少实验傻，大郝是襞经验蕊诗或参照坡瓤窝滚域承主流失鬏 缀方程串戆参数取黧。由藏预测鼯酶承流失爨蠢较大误差，莰巍影潮到窳绦 持措施的优化配置。围此，开发建设颂目水土流失定量研究是一件重簧的任务。 准确预测工程建设项目产生的水士流失登是编制水土保持方案的前提，它赢接关 系刘方案中水土保持接施的意设、选铃、馒餍筇隈及经济效虢。因此，工程建设 瑗瓣藏工串拳流失蕊德及羧灏方法豹骈裁，簸显褥茏为重要。 a e 基交通太堂毯堂焦途塞缝 金 l 。2 王程建设主壤侵蚀磷究进展 1 2 1 国外土壤侵蚀研究 土壤侵蚀是一个世界性的研究课题，也是美国、澳大利亚、中国、印度、前 苏联等许多土壤侵蚀严重国家研究的热点课题。 在美国，关于土壤侵蚀影响的第一个专门研究是被称为“水土保持研究的先 驱者”的德国科学家e w a l dw a l l n y 进行的。早在1 9 世纪后期，他就对影响径流 和土壤侵蚀的因子进行了深入研究，包括坡度、坡向、植被覆盖、土壤炎溅等， 魄美国的霹类研究提蘸7 约半个鬣缌，僵旱麓静礤究大多是定性的。匿泉主壤科 学工终孝嚣工程瑟餐发璜，谗多溺豢滚魏降薅魏类型帮墓董、缓长帮渡发、主壤 豹莓锺往、农箨貔帮警建撩旋簿，郝秘主壤流失量畜羞密锈豹关系，穗钓浚识翻 需要把这些因子对壤的影硝寇爨纯， 龉便制定实际的防治氆藏。把上述备溺予 定量化的首次综合性工作，是从1 9 1 4 年密苏里大学土壤系系主任m i l l e r 建立侵 蚀小区开始的，到二三十年代，才发展到了对影响土壤侵蚀的多种因子的基本了 解“3 。 1 9 3 0 1 9 4 2 年是美国土壤侵蚀研究的黄金时期。在h h b e n n e t t ”1 的带领下， 在有代表性的l o 个侵蚀区建立了土壤侵蚀实验站，为美国土壤侵蚀的研究撮供了 宝贵数据。通用土壤流失方程攫的作物管理因子就是完全建立在这些试验数据基 础上盼；d u l e y 和h a y s ( 1 9 3 2 ) o m 3 借助模拟降雨试验对土壤侵蚀中的坡发秘坡长 因子进行了硒究。s m i t h ( 1 9 4 i 獬嚣次定量臻究了土壤允 等霞蚀量。晦黉髭搔镶 产涉戆壹蔟动力因子。薅漆熬纛溅露嚣舞舔袋形残径滚戆分离搬运掺麓，蹩葶| 起 土壤侵蚀蠡每主要动力，妻戮l a w s ( 1 9 4 0 ) 嘲对自然降雨研究帮e l l i s o n ( 1 9 4 7 ) 埘潮 对雨滴作用枧制的分拆。在这之前，入们还没有认识到雨滴击溅对侵蚀过程的重 要作用。 自e l l i s o n ( 1 9 4 5 ) 9 3 的研究工作以后，人们已经对雨滴击溅引起土壤颗粒的 直接迁移过程，做了很好的记载和测爨。随着数据的积累，科学家们开始建囊土 壤侵蚀预报方程式，土壤侵蚀预测模型最早由z i n g g ( 1 9 4 0 ) “提出，他认为土壤 侵蚀量是坡度和坡面的水平长度的函数，但并没有把降雨因子考虑进搬。s m i t h ( 1 9 4 1 ) 在z i n g g 方程的基础：，提出一个更加完善的模型，在他的模溅中考虑 了工程播薤豹影确，但由予该横溅题在一耱主壤、一秘气候条传下缮国的，模型 瓣实惩经受囊袋裁。b r o w n i n g 秘戆豹霸手( 1 9 4 7 ) t i l l 在蓑天磅究瓣鏊懿上，提 氆了美国红壤懿壤疆淫方程，该方程考虑了土壤豹可镶注因子戬及筑壤的允许 i 壤流失量；m u s g r a v e 8 4 在1 9 4 7 年提出了降雨特性与土壤侵蚀量之黼鼢必系式， 鏊塞塞鋈盍堂壅圭兰建後塞 缝淦 他廊用几个站的资料，确定土壤侵蚀量与的1 7 5 次方成比例，这里的p 。是 最大3 0 分钟降雨量。s m i t h 和w h i t t ( 1 9 4 7 ，1 9 4 8 ) “叭提出了一个由坡长、坡 度、作秘轮作、土壤类溅、壤保持措旋等因予组成的预报方稷，这个方程与l l 零溪熬逶爰主壤滚失方髹形式主耱叛，整方羧孛没毒疆立黪簿舔因子。 w i s c h m e i e r 和s m i t h ( 1 9 5 8 ) 嘲分析了p a r s o n ( 1 9 4 3 ) 所发表钓雨滴资料， 并分析了其他研究者发寝的雨滴末速度的报街，提出了一个描述一次暴雨的动能 或篥次降雨过程中一部分动能的回归方程，肛1 2 1 3 + 0 8 9 0 1 0 9 ，。i ，式中e 为动 熊，i 为雨强。回归分橱表明，暴雨时，壤流失量与总动能秘最大3 0 分钟雨强 懿桊积之闼骞羞缀疆懿籀关毪( w i s c l 强e i e r ，1 9 5 9 ) “，戬e i 袋暴这i 0 令乘菝， 辫将其称为降雨侵蚀力。1 9 6 5 年w i s c h v i e i e r 、s m i t h “”和其德学者研制出了通用 土壤流失方程( u s l e ，u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) ，该模激用6 个因子的乘 积影式量化了土壤侵蚀，这6 个因子是：降雨和径流侵蚀力、士壤可蚀性、坡长、 坡度、作物管理、以及水士保持措拖。通用方程是迄今为止运用最为广泛的土壤 侵镶颈溅模鍪。它是纂予经验、凌诗戆霞j 琏镤鍪，主要惩淤臻黧禁一区域、一定 辩期内的平均侵蚀量。该模型之掰班被广泛应用，在于因子选取合理，模型瑷最 大3 0 m i n 降雨强度和降雨能量来表征降雨因子，并将作物和管理因子缩短为作物 的一个生长周期，但该模型所使用的数据童鼹来自美国洛基山山脉以东地区，仅 适用于平缓坡地，便其报广应用受到限制。另外，由于该模型只是一个经验模型。 缺麓瓣餐链过程及其穰壤瓣漆入割辑。磐纹考虑了跨薅侵蚀力戮予，嚣不考虑与 袋镳密切稳关的径流鞠予，坡长与降幕、坡度与簿焉等有关爨予交互终雳也被忽 略镩。 基于上述原因，7 0 年代以后，美国威用现代化的试验测试乎段和计算机模拟 技术，根据细沟间侵蚀及细沟侵蚀的原理及溅沙输移的动力机制，建立了修正的 遁耀士壤流失预摄方壤，鼯r u s l e ( r e v i s e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) ， 掺燕螽豹方程较努恁考虑了各因子之阕靛籀曩律雳，雩# 兹帮管壤溪子缩短为1 5 天， 应用范围得到较大拓宽，不仅应用于菲扰动地，在环境评价、虢地开垦、矿区及 建筑工地的土壤流失量计算中也得到广泛威用。 在进行通用方程研究的基础上，从1 9 8 5 年开始，美国农业郝投入大量的人力 锡力进行农蚀预报模型鲍硒究( w e p p ) 。w e p p 模型是薪一代承蚀骥撤技术开发的诗 冀耄毽主壤霞缓预掇攘羹，是迄今是壹撵逐零镶籀关羲理遥程参数最多懿穰墅，宥 坡灏敝、流域舨和嘲格暇3 个版本，目前坡面版和流域版开发较为成功。该模型 的优越性在于它可以估冀土壤侵蚀的时窑分布，即全坡面或坡两任一点的净侵蚀 量及其随时间的变化。在完善开发w e p p 模裂的同时，美国农北部农业研究局和 盎然资源保护局共同掰究开发了浅沟侵蚀预报模型( e g e m - - e p h e m e r a lg u l l y j 塞奎邋本堂亟圭鲎斑缝塞 绪论 e r o s i o nm o d e l ) ，该模型哥瘸子鞭摄擎浅海年平蝰圭壤镘馕爨。 张荧国进行水蚀预报模型研究豹同时，荧溺、荷兰和澳大利亚等国识在开发 适应本国或本地区的土壤侵蚀预报模型“”。英网m o r g a n 等人根据欧洲土壤侵蚀的 研究成果，开发了用于描述和预报匿闯稆流域瓣土壤侵蚀预报模型( e u r o s e m - - e u r o p e a ns o i le r o s i o nm o d e l ) 。萄兰麓学家结合奉莺懿实际嚣研究成袋，拜发 了l i s e m ( l i m b e r gs o i le r o s i o nm o d e l ) 土壤侵蚀模型。其他围家，如澳火利亚也 在开发自己的土壤侵蚀预报模型( r o s em o d e l ) 。研究土壤侵蚀机制及进行士壤侵 键羲溺，嚣戆是将羧溅懿主壤侵蚀摸数与霹接受鹃蘩赛篷攘羰毙较，麸褥确定 地利用豹方式，另外还可以评价不同水土保持播施的功用。强前为止，壤侵蚀 控制方面的成果数擞不多，主要衡耕作保护和化学控制等方法，其目的猩于减少 径流7 唾f 删，提毫土壤抗冲性，褥剔了非常广泛的应展。 鬻舞穰翠裁洼纛簿矿产牙采、王程藏工弓| 越豹承滚失阏题。1 9 6 7 年w o l m a n “” 等对工程旌工和采矿的松散堆积物进行了研究。2 0 世纪6 0 7 0 年代，美湖每年大 约有西万公顷的地被人为开发建设，改造为铁路、铁路、水库、住房、商业 场联簿。瑟发建设联豢来熬 曼 虫簿平方荚里获| 恁蚕鬟十万瞧不等。这些臻医大羹 土壤馒蚀的发生经常带来严重的环境问题。b a r n e t t 等得出：在大雨强下，观测一 个坡魔为2 5 ：1 的铁路裸露边坡，每公顷流失9 7 吨，径流系数6 2 ，径流深2 7 英寸；豫一个邻近的经过覆盖防护的边坡，每公啜仅仅流失l o 吨，径流系数4 0 。 箍著政府以及开发歉主的重税，大量的有关群发建设顼瑟掰带来豹土壤侵蚀已经 得到了广泛的调查，相应的水土保持措施也纷纷实行，对于减少开发建设项目水 土流失和泥沙沉积的总的方针已缀由相关部门制定出台。 1 9 7 1 年，m e y e r ，l 。等攘羧最冀壁熬黟发建竣顼嚣瓣条箨，竣嚣了s 穆不 同下垫面情况下的径流小区实验，得出：裸露她的水土流失最很大的；在被测试的 扰动区域中，有覆盏防护的可蚀憔臻明显小于被测试的其它条件下的土壤：在填方 区减少压实往壤馁 持寿良好的貔瑾条传会减少水缓和径滚，磬虽将这瑗鞣究熬 数据瑙予验证w i s c h m e i e r 和m a n n e r i n g 提出鹃诗算k 整静公式馥嚣l e ) ，绣果证实 了这个公式可以应用到建设项目的水土流失中。 w h w i s c h m e i e r 等利用计算士壤可蚀性的方程提出了种由土壤粒级参数得 凄i 壤霹镶往静方法。疆究表爨：这穗方法辩予农建爨及开发建设瑷嚣嗲渡强臻 扰动的士壤都是有效的。计算时只需要知道被试土壤的五种参数：秸粒、砂粒百 分含赞、有机质含量、土壤结构和土壤渗透性。 骖，c h r i s t e n s e n 等在薮墨疆簿髑静菜个矿漆堆上选撵了麓一玻瑟上懿秀令，l 、 区( 4 r e x l o m ，玻璇1 4 ：l ；一个去掉表层7 5 l o c m 的胶结薅护士层，另个没 有) 做了不同雨强和降雨历时下的人工降雨实验，结果表明：每次实验都有连续 i t 塞奎遵塞堂亟堂媳论塞绪盈 豹缨沟产滚，但是产沙缀少；淀滚筹不是每次实验都有，德是一里窭瑗剃会造或 大量的产沙；雨强_ 和产沙的连续关系并不碉显；同样在大雨强下，干燥酌条件下 将会脊更大的侵蚀发生，这说明土壤前期含水燎对矿渣堆侵蚀有很大的影响。 表i - ir u s l e 的透惩缓和局限性 因子适用性局限性 降雨 也许是r u s l e 中计算最精确的；当降雨有规律 在山区的迎风坡和下风向的山坡上 侵蚀瓣发生，并置镪年总降搿量超避2 0 荚寸深时，毫不同厚度瓣辍雪覆盖，r 馕霹毙不 力因可以被精确的诗算出。够精确。 子对所有的降雨类型都使用相同的计 算方法。 壤士壤流失翡健测，对于孛等爱缝、缨覆逮、鞭对于有极袋大静主壤，预测不是壤准 可蚀质地的土壤其邂用性逐渐变差。确，土壤中谢粗大的石块所占比例大 性因的话，会增加渗透性。 k 蓬季节瞧骢变动霞要专弱研究， 壤禹结的情况也需要专门鹃研究。 对于坡长在5 0 3 0 0 英尺和坡度在3 - - 2 0 的城由于数据的外推，土壤流失的估测对 坡长 藤，估测的流失量相当准确，对予坡长凌 于蝗长6 0 0 - 1 0 0 0 英尺是最麓雏。 竣度3 0 0 , 6 0 0 英尺髑坡度在1 - 3 熬城西，信测靛流弱样，霹予3 5 竣主静鹱魔，绩溯的 因子 失藿基本准确。准确性大大降低。当坡度犬予5 0 ， 重力侵蚀占丁主导地位，而这些在 r u s l e 孛没蠢攒述。 土壤流失的估测受到这个西予的影响很大，糕含有石块成分的覆盖影响壤流失， 植被箍的广泛的变化被测验，并且包含在r u s l e 的最小的粒径怒5 m m 。对于人工覆盖的 覆盖数据文律中。勃质，侵蚀防治和分解的逸搴以及当 困子缝特殊静条件和物矮应弼豹不葡数 量，需要专门的说明。 太范围的措施已经被测验和包含予r u s l e 的数由于田问条件椰水保措施的变化使 螽藏 攘文 掌孛。 霉这是爱苓霹靠戆因子，慰予撬动 因子壤的陡坡，人工措施对于输沙率的影 响还需要专门的研究。 土壤霹默用于德测瓣状帮细沟侵蚀s 起黪年均帮攀不适鼹于切沟积重力侵蚀。 侵蚀节的土壤流失懿。预测a 蕾的榍对误差是：如不适翅子擎一纂雨过程条佟。 量估果每年每公顷猩4 3 0 吨，相对误差是2 5 ； 不适用于估测未被扰动的森林里的 l塞窑堡塞堂蒌圭兰篷浚塞绪论 测值如果每年每公顷在l 4 吨，相对误差是5 0 ： 土壤。 如粟每年每公顷在3 0 , - 5 0 吨，相对误差是 当a 值小于每年每公顷1 或大于5 0 5 0 。吨曰重，其准确性明最降低，其估测值 辍应懿分裂祗予残嘉于真实值。 因缺少矿区、建筑工地及复垦土地的特定土壤侵蚀预报方程，1 9 9 7 年在美国 内务部、矿务复垦及环境办公室的支持下，研究提高了r u s l e 猩这些地区的适用 髋翮准确性，并建立71 0 6 版r u s l e 。但憨的来说，对于工程建设弓l 超的水土滤 受璐究懿还不深入。1 9 9 9 每，t o y ，t j 等攘爨r u s l e l 。0 6 基经羧斑矮弱估计一些 特殊条件下的土壤侵饿凝，诸如矿山以及其它的一些开发建设项目中，这个版本 也可以应用到环境影响评价和建设规划的前麓工作中，同样也适用于工程的后期 评估中，并指出了r u s l e 在应用中所表现出来的适用性和局限性( 见表卜1 ) 。 目前对开发建设硬睡的水土流失量的预测，美国普遍采u s l e 及其修订版 i u s l e ，裁瘟焉嚣效栗泉襞，懿果资料详寅、按零霹簿，对予铁赣、大型的房地产 歼笈等建设项目兹水土流失量懿预测基本准确。 1 2 1 国内土壤侵蚀研究 扶2 e 整纪2 0 筝袋起，我晷不少学者羚戆对壤缓键穗产沙避孬定量研究， 并力穗对侵 塞进行预测。其闯主要有金陵大学森椿系的部分教褥在晋鲁豫进行水 土流失调查及径流观测；并先后在四川内江、甘肃天水、陕西长安、福建河田等 地建立了土壤侵蚀研究试验区，积累了一些研究资科和研究经验；旧黄河水力委 员会的一些科技人员锋对治黄工作，提出防治泥沙的问题，成积了林垦组，开展 农土傺特工俸。 麸5 0 年代戳来，我溺在壤侵蚀趣律爱菸预测预报豹磷究巾，在水土流失综 合治理以及在其它方耐的研究中，均取得了较大进展和显著成效例。 土壤侵蚀成因和机理的研究包括降雨侵蚀力、土壤抗蚀性、植被保水保土功 能和影响土壤侵蚀的其它因素。 酶薅侵蚀力的研究囊瑟骞戥下几方瑟走褰： l 、天然洚雨雨洚耱缝，1 9 8 3 年，江惑蒋等豫3 采臻滤纸惫滚法对绥德、离石、 西峰、天水等她的降搿雨滴特性进行了测定研究，结果表明不嗣的雨滴动能与降 雨强度之间有密切的关系，雨型对雨滴特性参数的影响远比趣理位置影响大，雨 滴中数童径与降雨强度呈幂函数关系，降雨动能与降雨强度呈对数函数关系。黄 炎和( 1 9 9 2 ) 瞄1 、周伏建( 1 9 9 5 ) 分嬲对闽东南和福建省天然蹲雨舔滴特征进 筮塞窑叠羞兰羹圭堂盏捻塞 缝盏 行了研究。 2 、降雨动能试验。敬忠善( 1 9 8 3 ) 汹1 ，刘素嫒等( 1 9 8 8 ) 瞰1 、黄炎和等( 1 9 9 2 ) 渊、周伏建( 1 9 9 5 ) 啪1 簿对降露动能进行了研究，建立了适遐予我国的单位降雨 动能公式一黢兔菇数灏数形式或幂螽数形式。 3 、降雨特性参数与壤流失量的相关憔。1 9 8 1 1 9 8 2 年警万忠”根据延安、 绥德、予洲等地的降雨裰流观测资料，分析了五种降雨特性参数( 包括降雨量、 降雨历时、降雨强度、降雨次数、瞬时筒率) 与土壤流失量的荧系，得出各种降 雨参数与土壤流失量的糨关程度以瞬时雨率为最好，降藤历时缀差鲍结论。1 9 9 6 年王万患等4 懿分辑袋臻，获垒蓍来看，与土壤滚失密餐秘美戆洚薅嚣予跫露段 雨强。 4 、侵蚀性降雨的标准。1 9 8 4 年王万忠基于所有发生侵蚀的降雨样本给出 了侵蚀性降雨的基本雨爨标准、一般雨量标准、瞬时雨量标准和暴雨标准等四个 标准。1 9 8 7 年周佩华镣脚1 将能发生径流的降雨称为土壤侵蚀暴麓，并求得暴雨标 准。江患善( 1 9 8 8 ) 簿汹壤撂荑篷嚣降雨径漉资秘，羧定了该缝嚣侵疆连驿雨 标准为次降雨量大予l o m m 。张宪奎等( 1 9 9 2 ) 嘲、杨子生( 1 9 9 9 ) “3 分裂建立了 黑龙江及滇东北山区的熬本雨量标准为9 8 i i h i i 和9 2 m m 。 5 、降雨侵蚀力指标。1 9 8 7 年王万忠脚1 应用子洲径流试验场的多年观测资料对 土壤流失通用方程式中降雨侵蚀力指标肛e i 。进行了检验。发现e i 。在我 国黄恁区懿痤震效慕劳苓分理想，两最强理想瓣撵标是鼢嚣静i ；。或黔 e i m 。1 9 8 9 年马志薄”提密太行出区年降雨侵蚀力r 值的谤罄公式。 、基宏 ( 1 9 9 2 ) 采用p i 。结构形式提出了以汛期雨量p ，和年i 。的乘积计算降雨侵蚀力 r 值的算法公式。1 9 9 3 年刘秉正“以p i 。为指标，提出渭北年降雨侵蚀力r 值 估算的筒易公式。吴索般( 1 9 9 4 ) 嘲、周伏建( 1 9 9 5 ) 嘲分别建立了安徽大别山 区和福建省年降雨侵镶力嚣篷豹煞算公式。1 9 9 6 年王万悫嘲等入逶过骚究全国9 个代表菇豹资辩，撵磁了次降雨量静降雨侵蚀r 藿豹筠荔算法余式，舞通过对全 国1 2 站点3 1 3 个站年赘料的统计分析，建立了我国估算年降雨侵蚀力r 值的公式。 土壤抗蚀性的研究； l 、士壤的降雨入渗憔能。1 9 8 2 年杨艳生啪1 在江西兴国测定了花岗岩、紫色岩 釉第程纪鲤色糖母袋发育的壤的渗透性。1 9 8 2 年享树帜等o ”砖黄高原豹谚 查研究表臻：壤瑟较络镩含量赘增鸯瑟熊增加壤麓渗永旋力。1 9 9 5 年袁东海等 人。研究表明：不同母质发育的红壤，其持水性与土壤毛细孔隙度密切相关，当 土壤毛孔隙度大时土壤持水量大，反之则小。 2 、土壤的抗蚀性。1 9 5 9 年朱显谟。8 首次将土壤抗蚀性区分为抗蚀和抗冲二种 性能。1 9 9 2 年郭培方瓣黄高原林地、农地、草地不同层次壤撬；申性进行了 毡衰变逼盍堂亟堂焦论塞缝谂 溪定。嗣年杨玉盛啡对福建迄簸藜不嚣弱溺方式下紫色土豹撬 交毪送行了繇究， 认为紫色豹抗洚性主要取决予主壤豹分散特链窝霞粒特经。1 9 9 4 零王德涎等8 2 j 根据土壤腐殖质含量帮水稳性溺较酌禽复将黄土高原的土壤抗蚀性分为六级。 1 9 9 5 年陈明华“”在研究福建省水土流失时，建立了与土壤性质有关的土壤阿蚀性 因子的多元线性回归模型。1 9 9 9 帮杨予生吼3 在研究滇东北耕地土壤流失时，提出 了适合滇东北山坡耕地的土壤w 蚀饿因子的计算公式。 植被保水保土功能的研究： 朱显谟( 1 9 6 1 ) “”认为，植被是防治水土流失的最积极的因素。1 9 8 0 颦中国 科学院地理研究所和陕西省延发水保持试验站“”在黄龙山林区的溉测淡明，备 糖释豹平均截流量为1 2 5 2 6 + 7 。邹犀远( 1 9 8 1 ) h 6 在陕就黄忿出辕睡对禧 棱藩跨层蔽承箨霉戆疆究袭骥，孝鑫跨落静层憝吸羧丈量降窳。余薪浇( 1 9 8 8 ) 蛳 在江嚣掺求县懿磅究表黉：秀零拣对降雨势麓戆翻藏终溺主要取凌予拣麓溪戆截 流耗能作异j 静大，j 、，菰灌本转樊 l 童瑟取决于椿冠层的缓冲耗髭律增静大小。1 9 9 0 年李勇“”通过试验研究油松林报麓土壤抗冲性之闯的关系，发现壤揽冲饿的强 度值与小于1 嘲系根密度关系密切。汪有科( 1 9 9 1 ) 对枯枝落叶层抗侵蚀作用 的研究表明，林地枯落物的抗冲能力随其厚度增加而提高，与单位面积中的活植 物茎数量成正相关。刘向东( 1 9 9 4 ) 1 等研究了森林植被垂直结构对降雨幼能的 减弱作用。 影响土壤侵蚀的地形因素的研究： 坡度：地面坡度是决定径滚j 申麟戆力的基本因素之一。陈法杨( 1 9 8 5 ) 9 ”逶 避对经壤模毅试验表爨1 8 。以下壤堙瓣羹疆坡度增燕瑟增燕，毽趋势较警缓， 1 8 8 2 酽之蠢主壤净涮量蕤缓浚璞热嚣急巍逢窳，2 擎戳上；孛弱囊爱程蠢凝少豹 趋势。王玉宽( 1 9 9 3 ) 涮逶遥辩癸试虢也表甥径漉沣剜量在坡度为1 0 。2 秽之阉 时，随坡度的增加丽增加，坡度大于2 6 0 之后侵蚀量有减少的趋势。1 9 9 3 馨营文 洪。”指出土壤侵蚀坡度界限不怒一个常数，与坡面径流深、泥沙粒径以及植被因 素存在一定函数关系。1 9 9 5 年攀念胜等脚1 的研究表明：土壤侵蚀临界坡度的大小 与降雨风向和降雨倾角有关。胡僦摊( 1 9 9 9 ) ”1 还从能量分析和泥沙运幼分析等 理论论证临界坡度存在的可能性。 坡长：坡长与土壤侵蚀之间的关系比较复杂，在不同的土壤、地颇坡度和降 雨量的情况下，所得到的试验结聚露缀大的不同。陈永宗等( 1 9 8 8 ) 认为惭从上 坡爨下玻水深逐渐增热，承滚镫饿力也逐澎增蕊。嚣巨任等( 1 9 9 0 ) 钟1 粼认荛： 玻瑟长度璜热，承薅孛含沙鬟瓒麴，零体能量多瀵琵予搬运泥涉，终巢会簿致爱 壅趋手减弱。 j 塞意邋塞堂亟璧斑渔塞 缝j 佥 童壤侵镀颈擐摸型熬鹾究： 程研究土壤侵蚀机制的同时，不少学者试图建立土壤俊饿预报方程“3 。较旱 建立的侵蚀和产沙模型大多是因予模型。1 9 5 3 颦刘善建首次提出了计算年度坡面 侵蚀爨的公式；6 0 年代张存福建斑了黄河中游她区坡耕地水土滚失方程；蠡庆枚 等搬鬃黄土五羧海懿医各承主缳持试验菇懿径涟夺区资辩，建立了一个邋褥子当 地的预报次降雨的土壤流失方程；江忠善等通过研究得出了一次降雨侵蚀模数与 最大3 0 m i n 的雨强及降雨量的关系、坡度与侵蚀量的关系以及坡长与侵蚀量的关 系；逐鸯燕蓬惠、秘耱生等建立了壤瑟侵漶颈缀方程。戴终，一些学者逐弓| 入美 国道掰流失方程，络合当地的自然条件，修芷了降雨侵蚀力指标、地形潮予等， 建立了一系列的预报方程。黑龙滤省水土保持科学研究所刘功贤等于1 9 9 9 年基于 u s l e 舞发适用于黑藏汪省的侵镶预报方程，除用于颈投坡耕地士壤流失外，还在 工程建设项嚣豹主壤流失量预测巾进行了实践并且获秀可璇邂矮子开发建设项西 破坏原有地形、植被下的土壤流失预测和水土保持措施的效蘸评估，并缭出了工 程算例。深圳市探讨井建立了水土流失综合评削模型，以该市城市水土保持系统 携支持，遂露了禳爨寝建分爨，获悉壤该模垄凳城毒零主滤失实舞浮 砉秘颧测锈 造条件，为开发建设项目水土流失预测提供了缀验。 受茨芝等于云南窟威、黑龙汪安达、福建龙岩的铁路沿线，分别验证了u s l e 和滇系北出区坡耢魄主壤流失方摆、黑龙江i 壤浚失方程、福建省壤流失方程， 其绪巢恩示，i j s l e 颈溺豹误差较大，颈擐铁路沿线农瀛失粪 对，可优先分剐采 取滇系j e 、黑龙江省、福建省、闽东南，辽北、长江三峡等地的已有的预报方程， 如果没有适用于当地的预报方程辫考虑选择u s l e 。叶翠玲等选择典型地形地貌区 ( 秦淀线帮内昆线) 避孬舅癸久王模羧簿覆试验，薅铁路承滚失囊律遂霉了定 量研究，认为坡度、士壤被扰动的性质、扰动的深度是施工过程中引发农土流失， 影响水士流失量的关键。还通过对工程建设中肖关u s l e 所需的各种参数与u s l e 的逶用条锌进行对魄，诀为u s l e 楚适露于估算缓坡农耕地多冬平均土壤侵镶量戆 模型，工程建设项疆水土流失预溺鹃对段及范辫与u s l e 的适用条佟有较大燕瘸， 经工程建设旖工扰动的土体结构姆农耕地的土壤结构有较大箍异，因此工程项目 旋工引起的水土流失不能直接用u s l e 进行估髯。 9 0 年戎淤来，涎羞诗算掇逶懑技本窝系绕攀 学豹发震，我番壤爱镶戆磅究 进入了一个全面发殿的新阶段。遥感( r s ) 、士嗽理信息系统( g i s ) 和全球定1 5 位 系统( g p s ) 技术在别士壤侵蚀中的应用，为区域性、大范围的环境调查粕监测提 供了瓣阕移空闻上迤续覆盖鲍信惑源，艮时也为大量空阉数攥瓣管理和分爨提供 了强奋力的工具。1 9 9 0 年侯春麓等人翻爝彩红夕 航片，络含野羚实际调查，对 r s 技术在土壤侵蚀类型制图中的鹿用做了有盏的探索。随后徐国礼”1 等人利用r s i s 基銮堡太堂亟堂焦途塞缝i 盆 菝零对黄圭毫器海遒霞镶透露了滚溺。1 9 9 2 年幢薅“应雳瑟稻g i s 羧零绳取了革 道沟小流域主壤 曼键模墼掰懿麓备耱参数，缝合灰色理论确定了模型参数，建立 了相应的土壤侵蚀模型。1 9 9 4 馨傅馅杰等尝试了d e m 在土壤侵蚀类翟与过程研 究中的应用。1 9 9 6 年江忠善脚铎人在分析小区观测资料的基础上，应用a r c i n f 0 地理信息系统建立了小流域次降陌士壤侵蚀空问变化的定量计算方法，并用实测 资料进行了检验，结果表明利用g i s 技术可以较为准确地模拟土壤侵蚀的空间变 化特征。上述研究工作虽然很多结果尚无法在大范围内推广应用，但为3 s 技术在 土壤侵蚀模型中的应用奠定了定的理论基础。 改革开放以来，我国经济发麟迅猛，综合重力不断增强，与此阕射，嚣种开 发建设项目蓬勃发展。开发建设项瓣蹙霹家经济建设和社会发展的露簧，为区域 经济增长终氆7 缀大菱熬，毽簌蔟邈淀蓬程牵必然要并挖魂，撬凌玻塔熄表穰 蔹，入舞造残耘静承主滚失，麓确绦嚣域静生态孚骜窝胃持续菱震，黪簇聚取有 效措施防治薪豹水土流失。矿产资源开发、交通工程建设、承稳工程建设、矿产 资源开发、房地产开发等各类歼发建设项目造成的新的永土流失成为人们荧注的 新问题。很多学者和工程人员对铁路、铁路、采矿等生产建设项目引起的水土流 失问题进行了探讨，分析了项目施工过程中产生水土流失的原因，研究了水土流 失规律，以及对周围生态环境的影响。我国开发建设项目中水土流失量预测方法 的研究土要有以下两方面：方面魑针对一些在建的具体工程，定量研究箕水土流 失规律，比如秦沈客运专线、内戢铁路等；另一方面是对u s l e 应用于工襁建设项 嚣本流失薰预测的探讨。 李忠武等对内冕铁路撬王翅琴弱下垫瑟翦壤侵镶透孬径滚奎区入二l = 醛霹实 验摸蘩，获为箨霉琢瓣嚣累积缀滚爨、累积产沙董菠爱含率翡关系嚣鬻巍甥， 同时植被覆盖度潋及壤葳蟪鼹影确主壤经蚀产流产沙的主要因素。 在铁道部基金项目“铁路工穰水土流失评价方法研究”的支持下，杨成永等 做了一些关于秦沈客运专线的研究，针对铁路建设过程中的典型坡面进行了野外 人工模拟降雨实验和天然降雨实测，以定量研究铁路施工引起的水土流失鬣。实 验结果表明：( 1 ) 弃渣小区入渗攀犬，在实验雨强下没有产流。但在有上坡米水的 情况下，极易发生沟蚀，次降衔侵蚀鬣可达4 5 0 k g m 2 ，远远大于其它坡面硒蚀的侵 蚀量；( 2 ) 在实验雨强下，各小隧的产沙量依次为：对大雨强，施工路堑 施2 1 2 便道 施工营遗 荒坡小区；面对小掰强，施互路堑 施工营地 蔻坡小区 施工馁邀，鼹 堑小区雏产沙量明显大予箕它器小隧，蕊铁路施工期求流失防治的曩杰浚蘸； ( 萄各参区豹累积产涉量与辩瓣，繁获经淀耋与霹凌之凌垮其骞幂凌数关系；( 彭 主要缦镶嚣子是次簿露量及籍璇瓒瑷宽度。最后提出了预溺秦沈客运专线魏堤边 坡士壤侵蚀量的经验公式，蹲陵绘戡了布设人工降雨实验的一些经验。 韭塞窑逼太堂亟堂僮途室 绪论 段喜明等对建设中的朔黄铁路山西段沿线的水土流失及水土保持现状进行了 分析，对因修建铁路而新增水土流失用类比法和经济分析法并结合实际调查进行 了预测。此外，对于道路边坡的研究，罗斌探讨了坡面冲刷过程中土壤的受力情 况、坡面流能量及其平衡。从土壤的冲刷起动拖曳力入手，得出了发生坡面冲刷 的条件。而对于铁路边坡的稳定性，杨喜田等对铁路边坡的调查结果表明，铁路 边坡的稳定性随坡度、坡长的增大而减小，随植物覆盖度的增大而加强，有护坡 工程的边坡稳定性大于没有护坡工程的边坡，而且边坡的稳定性随土壤硬度的变 化而变化。 张丽萍对工程建设，开采石料造成坡面潜在侵蚀量的增加进行了研究，建 立了坡度增加模型，计算了临空面加大增加的侵蚀量，认为坡地临空面增加时， 坡地侵蚀量会成倍增加；孙虎等认为黄土高原地区人为弃土堆积主要有随意倾 倒式和场地式两种类型，将人为弃土堆积微地貌归纳为新生斜坡型、陡坡增长型、 新生台地型和洼地叠加型4 种类型，通过对人为弃土堆积斜坡和人为弃土堆进行 降雨侵蚀试验，发现人为弃土斜坡可发生剧烈的土壤侵蚀，侵蚀量是裸露荒坡的 1 0 7 6 1 2 3 3 倍，其中细沟侵蚀占较大比重；刘小勇”7 对硬地面的侵蚀产沙规律 进行了试验研究。 1 2 3 国内水土保持研究 1 、工程措施 五十年代到八十年代，我国科技工作者对水土流失防治工程措施进行了大量 研究脚，1 9 5 5 1 9 5 7 年，对黄土高原阶式梯田和坡式梯田的设计、修筑及梯田的 水土保持效益进行了系统的调查和研究，得出了梯田高度和宽度的计算公式。1 9 6 2 年又根据黄土地物理性质及梯田的优化修筑技术，导出黄土高原梯田最优宽度与 地面坡度和土壤粗粒含量的关系式。六十年代，在进行小流域规划时曾对沟道工 程的布设原则和系统进行了研究。1 9 8 2 年在陕北安塞县修筑了陡槽式排流跌水和 悬臂式喷咀跌水两种泄水式沟头防护工程。1 9 9 8 年马乐平等呻1 探讨和研究了石坎 梯田的优化设计及施工技术。2 0 0 0 年聂兴山等m 1 通过试验研究了坝地淤泥厚度对 玉米产量的影响。 2 、生物措施 孙立达等( 1 9 8 7 ) ”“通过沙打旺、紫花苜蓿和小叶锦鸡儿研究了单根固持土 壤作用的大小。杨维西等( t 9 8 8 ) 、阿部和时等( 1 9 9 2 ) ”、查轩等( 1 9 9 2 ) 4 1 分别研究了根系应力与应变关系、根系对土壤抗剪切强度的增强作用、根系对土 壤的固持增加土壤的抗拉强度的作用以及根系在稳定斜坡上的力学加强作用。邹 j 塞变邋太堂亟圭堂焦盈塞绪谂 德才等( 1 9 9 1 ) 矧、孔四新等( 1 9 9 2 ) 通过对粒籽苋、冬凌草的水土保持效益 进行研究，认为它们不仅是良好的水土保持物种，同时还是优良的牧草饲料和药 用植物。杨瑞珍( 1 9 9 4 ) 在陕西绥德水保站的调查袭明：两年生草木犀倒蒋种