（市政工程专业论文）南方红壤区铁路工程水力侵蚀规律及预测方法研究.pdf

中文摘要 摘要：铁路建设促进了我国经济的发展，但是，也给环境带来了一系列的问题。 铁路建设造成的土壤侵蚀是非常重要的环境问题，破坏了所建铁路沿线的原生生 态系统。因此，本文以南方红壤区甬台温铁路作为研究对象，全面系统地分析了 铁路工程旌工期水土流失规律。 首先查阅了大量的国内外文献资料，学习了降雨侵蚀方面的研究现状基础上， 运用理论分析与现场监测的方法在甬台温铁路奉化段选取一段边坡建立径流小 区，通过对径流小区的监测，采用土壤特性监测、天然降雨量观测、径流过程和 径流含沙率的监测等方法，进行了南方红壤区铁路工程施工期天然路堤降雨水力 侵蚀试验研究。分析了路堤坡面的水力侵蚀特征及其各个监测因子对路堤的土壤 流失量的影响。通过对天然降雨及其土壤侵蚀量的关系的分析，建立了南方红壤 区铁路工程边坡侵蚀产流产沙的降雨标准。 在弃土场区域内布设简易水土流失观测场和测定区域内沟蚀量的方法来计算 土壤侵蚀量，研究了弃土场的土壤侵蚀特性，确立了南方红壤区铁路工程的降雨 侵蚀力及最佳降雨侵蚀力的组合。 甬台温铁路路堤边坡坡面侵蚀主要表现为坡面上的纵向分带性。侵蚀类型的 变化从溅蚀一面蚀一细沟侵蚀进行变化。在靠近坡顶部位以溅蚀为主，侵蚀不明显， 在坡面上部主要以溅蚀和面蚀为主，在坡面中下部地带径流开始集中，达到一定 程度后以细沟侵蚀为主。弃土场边坡在雨滴溅蚀作用下侵蚀沟不断交大由小沟变 为拥有几个分支的侵蚀沟，侵蚀沟的断面呈u 字形，上下部有较大的差异。此时， 侵蚀沟不再向深冲刷，而向两边扩张，在平面上呈网状。 本文还通过监测数据的分析，并结合我国前人提出的一些预测方法，对我国 在该区存在的预测方法的不足提出一些合理化的建议。 关键词：南方红壤区；土壤侵蚀量；铁路建设；天然降雨；侵蚀沟；水土流失预 测模型 分类号：5 5 0 a b s t r a c t ：t h ec o n s t r u c t i o no fc h m e f 沁r a i l w a yh a ss t e p p e di n t oar a p i d d e v e l o p i n ge r aa n dp r o m o t e dn a t i o n a le c o n o m yg r e a t l y h o w e v e r , a tt h es a i n et h n e , i t d e s t r o y e dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h eo r i g i n a ls u r f a c es o i lw i t l is t r o n ga n t i - e r o s i o n p r o p e r t yw a se r o d e db yt h o s em i l w a yp r 硒e c t s a sar e s u l t ，t h ec o v e r a g eo fv e g e t a t i o n w a sd e c r e a s e da n dt h es l o wn a t o r a le r o s i o nt u r n e di n t ot h ef a s tm a n m a d ee r o s i o n s oi i n v e s t i g a t e dt h ep r o j e c to fy o n g - t a i w e nr a i l w a yi nt h es o u t h e mr e d - e a r t hr e g i o na n d a n a l y z e dt h el a wo fs o i la n dw a t e re r o s i o nd u r i n gt h em i l w a yc o n s t r u c t i o ni nt h a ta r e a f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sr e s e a r c ha n de x p e r i e n c e ，ia p p l i e dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es c e n em o n i t o rt ob u i l dar u n o f fp i o tb yc h o o s i n gas e g m e n t i nt h es l o p eo f y o n g - t a i - w e nr a i l w a y t h e e ，t h ew a t e re r o s i o ne x p e r i m e n t a la n a l y s i s w a sd o n eb ym o n i t o r i n gt h ep r o c e s so fn m o f f , t h es o i lp r o p e r t i e s ，t h es i l tc o n t e n to f m a n f fa n dt h ea m o u n to fn a t u r a lr a i n f a l l t h ec h a r a c t e r so ft h ew a t e re r o s i n na n dt h e i n f l u e n c eo fe a c hm o n i t o r i n gf a c t o ro nt h es l o p ew e r ea n a l y z e d a tl a s t ，w eb u i l tt h e s t a n d a r df o r t h ee r o s i v er a i n f a l lo nt h ee m b a n k m e n ts l o p eo ft h er a i l w a yi nt h es o u t h c h i n ar e d - e a r t hr e g i o n a ss e t t i n gu ps i m p l em o n i t o r i n ga r e ai ns p o i lg r o u n dt om e a s u r et h eg u l l ye r o s i o n a m o u n t ，t h es o i le r o s i o nw a sc a l c u l a t e d m o r e , t h er a i n f a l le r o s i o nf o r c e sa n dt h e i rb e s t c o m b i n a t i o no ft h er a i l w a yi nt h er e d e a r t hr e g i o no fs o u t b e mc h i n aw e r ee s t a b l i s h e d t h es l o p ee r o s i o no ft h ey o n g - t a i w e nr a i l w a ym a i n l yp r e s e n t e da sv e a i c a l z o n a t i o n s t h ee r o s i o nt y p ec h a n g e df r o ms p l a s he r o s i o nt os u r f a c ee r o s i o n ，t h e nt ot h e r i l le r o s i o n n e a rt h et o po ft h es l o p et h em a i ne r o s i o nw a st h es p l a s he r o s i o na n di t w a sn o to b v i o u s o nt h et o po ft h es l o p et h ep r i m a r ye r o s i o nw e r et h es u r f a c ee r o s i o n a n dt h er i l le r o s i o n o nt h ef o o to ft h es l o p e i tw o u l db ed o m i n a n tb yt h er i l le r o s i o n w h e nt h ec o n c e n t r a t e dr u n o f fr e a c h e dc e r t a i nd e g r e e e r o s i o ng u l l yc h a n g e df r o mm i n o r g r o o v e st oam a j o ro n ew i t hs e v e r a lb r a n c h e s i t ss e c t i o na p p e a r e di nu s h a p e m o r e o v e r ，u p p e r a n dl o w e r p a r to ft h eg a i l yd i f f e r e dg r e a t l y i tw a s ac r i t i c a ls t a g ei nt h e e v o l v e m e n to ft h ee r o s i o ng u l l y w h e nt h ee r o s i o ng u l l yr e a c h e dt h eb a l a n c e dc r o s s s e c t i o np e r i o d i tw o u l dn o tb ce r o d e dt ot h ed e p t hb u te n l a r g e dt oe i t h e rs i d e i t a p p e a r e dr e t i c u l a rf o r m a t i o no nt h es u r f a c e t h er a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a lw a ss u b m i t t e da c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c yo ft h e f o r e c a s tm e t h o db ya n a l y z i n go ft h em o n i t o r i n gd a t aa n ds o m ep r e v i o u sf o r e c a s t m e t h o d s k e y w o r d s ：i nr e d - e a r t hr e g i o no fs o u t h e r nc h i n a ；s o i le r o s i o n ；c o n s t r u c t i o no ft h e r a i l w a y ；n a t u r a lr a i n f a l l ；e r o s i o ng u l l y ；f o r e c a s t i n gm o d e l o fs o i la n dw a t e re r o s i o n c l a s s n o ：5 5 0 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：辞娄兰 导师签名： 签字日期：协订年1 2 g - 功日 签字日期：年 月 日 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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师自明洲副教授的悉心指导下完成的，白明洲副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来自明洲老师对我的关心和指导。 白明洲副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向白明洲老师表示衷心的谢意。 王勐副教授、刘世海副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，匡星师姐、李冰师姐、李小寒、潘永健等同 学对我论文中的试验监测及研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 1 引言 土壤侵蚀是自然和人为活动共同作用下的一种动态过程，是危及人类生存与 发展的重要环境问题之一。长期以来，水土流失直接威胁人们赖以生存的环境。 据估算，全球水土流失面积约为6 1 4 3 1 0 e k m 2 , 占地表总面积的1 0 9 5 。我国是 全世界土壤侵蚀最为严重的国家之一，全国现有的土壤侵蚀面积为4 9 2 万k d ，占国 土面积的5 1 - 2 ，其中水蚀面积为1 7 9 4 2k m 2 。土壤侵蚀一方面会严重导致土壤 退化、土地生产力下降，对全球食物安全的负面影响日趋严重；另一方面，侵蚀 泥沙及其伴随的养分和农药流失也对人类的生存环境( 尤其是水环境等) 造成严重 污染，土壤侵蚀已是规模最大、危害程度最为严重的非点源污染”。不仅如此，土 壤侵蚀还是一种最活跃、最敏感的致灾因子，在特殊的地质地貌环境条件下会诱 发滑坡，崩塌和泥石流等山地灾害，土壤侵蚀导致的水土流失会造成河道淤积， 加剧洪涝灾害。 随着社会经济的不断发展，人类活动对资源、环境的干扰日趋严重，人为水土 流失呈不断上升趋势，已成为水土流失加剧的主要因素。如铁路、公路、矿山、 电厂、码头等开发建设项目的建设，都要大面积地扰动地表土壤，破坏植被，损坏 水土保持设施。近5 年来，中央财政共投入3 0 0 亿元专项资金用于水土保持，但得 到治理的土地面积只有3 3 k i n 2 左右。同时，每年有约6 6 k f f 的土地因人为因素发生 新的水土流失，造成水土流失面积增大。 1 2 研究意义 我国南方红壤分布范围大致北起长江南岸，南迄南海诸岛，东至台湾，西接 云贵高原与横断山脉，包括湖南、江西、福建、广东、广西、海南、台湾、云南、 贵州、浙江等省的全部，以及安徽、湖北、四川、江苏、西藏的部分地区，涉及 1 5 个南方省( 区) 。全区总面积达2 1 8 万k d ，约占全国土地总面积的2 2 7 。红 壤形成于中亚热带的生物气候条件下，红壤的地形条件一般为低山丘陵，但在云 南为高原，成土母质在低丘陵多为第四纪红色粘土，高丘陵和低山多为千枚岩、 花岗岩、砂页岩等。红壤的富铝化作用与生物积累作用，与赤红壤和砖红壤比较 起来相对较弱，但仍以均匀的红色为其主要特征。 南方红壤区自然条件优越，水热资源丰富，年降水量1 3 5 0 1 8 0 0 m m ，年均温 1 7 8 ，乏l o o c 的积温为55 0 0 0 c 58 0 0 0 c ，。无霜期2 9 0 3 1 0 d ，生物的生产潜力 巨大2 。由于地形和降雨的因素，水土流失是必然产生的自然现象，但长期以来对 土地的不合理利用和生态环境的恶化，加剧了水土流失过程，造成了土壤有机物 和养分亏缺、土壤物理结构破坏，土壤持水能力下降，土壤生物质量退化，严重 制约了本区生产力的发挥。4 1 。水土流失区的治理已是摆在人们面前的最紧迫的任 务。 目前我国的土壤侵蚀研究大部分集中于黄土高原地区。而我国南方红壤区由 于缺乏比较系统的理论研究做支撑，水土保持工作进展缓慢8 朋。而且目前为止， 我国对铁路工程造成的对土壤侵蚀还没有规律性、系统性的研究成果，铁路工程建 设引起的土壤流失量尚没有建立规范的预测方法。 本论文严格按照水土保持方案和水土监测技术规程的要求，结合南方红壤区 水土流失的特点，研究了在天然降雨下南方红壤区铁路工程水土流失规律，建立 了适用于该区工程建设水土流失预测方法，为以后铁路建设的水土保持工作提供 了指导和借鉴。也给水土保持研究者提供一些协调环境与发展关系的科学依据， 实现铁路交通的可持续发展。也为铁路建设和环境管理提供理论依据。 1 3 铁路建设引起的水土流失概况 1 3 1 铁路建设项目造成的水土流失区域划分 我国的开发建设项目水土保持方案技术规范条例规定：开发建设项目的水 土流失防治责任范围，应通过现场勘查和调查研究，经与项目所在地县级以上水土 保持监督管理机构协商后确定，一般应包括项目建设区和直接影响区两部分。铁路 建设项目造成的水土流失主要包括以下几部分： ( 1 ) 建设项目永久性用地。建设项目的实施，造成了原有地貌的彻底改变，形成 了新的基建单元，在没有进行完善的环境保护措施和防护下，很容易形成新的水土 流失。 ( 2 ) 暂时性占地。即施工期所用站场和f | 缶时用地。在项目建设期间，由于人员 的生活和机器的运行，也是水土流失的重点来源。 ( 3 ) 建设项目造成的大型的裸露土体。诸如铁路建设的大型取土场和排土场， 矿业开采产生的废渣场，在外营力的作用下，随着泥沙的输移，成为营养物质流失 的主要面源体。 ( 4 ) 建设项目扰动区域。建设项目对周边区域有放射式影响效应，使周围的地 2 理性质发生变化，也有可能成为新的污染源。 1 3 2 铁路建设引起的水土流失原因 铁路建设造成水土流失的原因主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 铁路建设侵占土地、扰动原地表、损坏地表。铁路建设用地范围包括 主体工程的永久性征地和临时用地。主体工程所经区域的植被、耕地、水池、堤 坝等水保、生产设施直接占压和破坏。造成植被的破坏、表土剥离、土壤流失强 度加大。铁路工程线路比较长，几十千米到上千千米，当路线确定时，其工程的 占地面积便已经确定，则必然会定量地破坏地表环境。工程对原有地形地貌的破 坏主要是所跨的平原、丘陵、低山地区、沿线的森林、耕地、河流等。遭到破坏 的区域类型随工程的跨度而变化。 一般情况下，铁路建设需要占的地表面积不会少于线路最小长度与路宽的乘 积，所以当铁路线路的起点、终点、沿途必经站点确定之后，其工程的最小占地 面积确定，工程实施避让对原有地形地貌侵占、破坏。如2 0 0 0 年建成通运的朔黄 铁路，共先后跨越滹沱河干、支流2 2 次，开挖隧道2 3 座( 总长1 3 k i n ) ，修建桥梁 4 8 座，因工程建设破坏梯田、林地等水土保持面积5 3 7 h m z ，破坏河道堤岸、水池、 水井、塘坝和渠道等水土保持工程设施1 6 0 多处。给其建设的周边带来不便。 ( 2 ) 铁路建设重塑地面、地形引起地表径流汇集、下渗、泄排等综合变化。 其中，取土场和弃土场是铁路工程中最受影响的区域。取土场一般选在线路周围 较为荒芜的地区，原始地面一般非农用、少植物或仅有杂草等野生植物，属于易 受侵蚀的地区。施工中取土使得当地的表面覆盖受到严重破坏，土层裸露，土质 松动，抗侵蚀力降低，是易于遭受水力和风力侵蚀的地区。取土场开挖后形成坡 前空地和挖损边坡两部分，坡前空地一般为土质结构，表层土体比较疏松，土壤 侵蚀为片蚀、细沟侵蚀等水力侵蚀形式。挖损边坡陡峭，暴雨时极易发生剧烈水 力侵蚀，且在降雨作用下很容易诱发滑塌、滑坡等重力侵蚀形态。 ( 3 ) 铁路建设的水土流失主要发生在路堤边坡，填方路基由沙土、石料等经 过分层压实形成，虽然内部结构紧密，但边坡表层结构松散，又加上坡度较大， 在施工期容易发生片蚀、浅沟侵蚀等形式的水土流失。 1 3 3 铁路建设引起的水土流失的特点 传统的水土流失，是指由水、重力、风等外营力和人为破坏引起的水土资源 和土地生产力的破坏和消失。铁路建设造成的水土流失是以人类生产建设活动为 3 主要外营力形成的水土流失类型，是人类生产建设活动过程中扰动地表和地下岩 土层、堆置废弃物、构筑人工边坡以及排放各种有毒有害物质而造成的水土资源 和土地生产力的破坏和损失，是一种典型的人为加速侵蚀。其形式包括铁路建设 主体工程建设区和直接影响区的水资源、土地资源及其环境的破坏和损失( 包括岩 石、土壤、土状物、泥状物、废渣、尾矿、垃圾等的流失。铁路建设水土流失是 在人为作用下诱发产生的，使水土流失特点变得更加复杂。归纳起来，具有以下 几方面的特点： ( 1 ) 时空不均衡性。由于建设区域内的空间上的分布不均衡，水土流失常以 “点”、“线”、“面”的单一或综合的形式出现。以“点”为主的地域，造成 的水土流失的特点是影响区域范围相对较小，但破坏强度大，防治和植被恢复难 度大；以“线”为主的如铁路线的建设造成的水土流失的特点是类型多、流失严 重；像站场等是以“面”的形式表现出来的，所造成的水土流失在结构上以 “点”、“线”“面”组合或交织而成m 1 。 ( 2 ) 时间不均衡性。在各阶段造成的水土流失量差异较大。铁路建设造成的 水土流失主要集中在施工期，生产运行期内也会造成一定的水土流失，但与施工 期相比，其严重程度较小1 。 ( 3 ) 突发性。自然状态下的水土流失，其强度一般不会发生特别大的变化。 建设项目则不然，遭遇到暴雨、大风等外动力条件时，强度比原状态下成倍、成 百倍增加渊。 ( 4 ) 复杂性。铁路建设导致的人为的扰动岩石，将原有的生态系统扰乱，产 生裸地，地表植被的破坏加剧原生水土流失。深入地层的开挖爆破，地下水疏干 等活动导致地表的植被表层的土壤和植被荡然无存，使得地层层序混乱，并间接 地使地表河流干枯、地下水位下降、地面植被退化、地面塌陷，形成重力侵蚀， 从而加剧了水土流失。铁路建设构成的侵蚀搬运也不再是传统意义上的土壤和岩 石风化物，而是包括土壤、母岩、基岩、工业固体废弃物、垃圾等物质的混合物。 ( 5 ) 不同的地质土壤条件、地形地貌、气候特征区，造成的水土流失的类型、 强度、流失量不同。从统计结果来看，“十五”期间我国开发建设项目占地面积 最大的地貌类型是丘陵区，有5 3 1 6 ) y h m 2 ，其次是山区，有4 9 2 o 万h 酽l 刁。 1 3 4 铁路建设敏感地形单元呻 1 3 4 1 边坡面 边坡是铁路路基施工中经挖方或填方形成的坡面地形单元。人为的改造给该 4 地形单元的地表条件、土壤结构等因素带来了很大的变化，例如路堤边坡或路堑 边坡以及其他一些辅助设施的边坡面的坡度一般都比较大，坡度越大，产流量和 径流速度也就越大，因此边坡是最容易遭受土壤侵蚀的地形单元。路堤边坡是经 填方夯实的新的地形，抗冲性较原始未扰动土层明显降低。更易受水力侵蚀和重 力侵蚀的影响。 1 3 4 2 路基面 此处的路基面是指旋工期内未铺设道渣和道轨之前的裸露的路基土壤表面， 这是一个经挖方或填方形成的一个平面地形单元。由于路基面一般是水平的，基 本上可以认为其上面没有径流产生。但是，当雨强较大时，雨滴的击溅会对路基 表层土壤产生溅蚀，表层被溅蚀的土壤易随汇水迁移，从而造成水土流失。 1 3 4 3 取土场 铁路工程建设中的取土场一般设在线路周围较为荒芜的地区，原始地面一般 非农用，仅有杂草等野生植物，属于易受侵蚀地区。施工过程中的取土使得地表 覆盖受到严重破坏，土层裸露，土质松动，抗侵蚀力降低。虽然工程竣工时，都 要对这些地区采取一定的水土保护措施，但铁路路基施工结束前，却易于遭受水 力或风力的侵蚀。取土场坡前空地一般为土质结构，表层体疏松，土壤侵蚀多为 片蚀、细沟侵蚀等；挖损边坡陡峭，有的近于直立，边坡质地有土质、石质和土石 混合质，由于边坡坡度陡，暴雨时易产生剧烈的侵蚀，且在降雨作用下很容易产生 小型崩塌、滑塌、滑坡等重力侵蚀，侵蚀强度多为强度或剧烈。 1 3 4 4 弃土场 铁路工程建设中的挖方和填方一般都须经过周密的计算，正常情况下，挖方 得到的土石等一般都用于填方，只有在挖方大于填方或土石运输有困难的时候， 才会有少量的弃渣产生。但是弃渣量虽少，由于其堆积是松散堆积，极易受到水 力或风力的侵蚀造成水土流失。可以说，铁路工程弃土弃渣的流失量在整个铁路 工程施工期水土流失总量中所占比重最大，因此弃土场是铁路工程水土流失监测 中最重要的监测对象。弃土弃渣一般堆放于荒坡、沟道( 河床) 、河滩、沟坡( 河 岸) 和洼地等位冕。一般情况下，弃土弃渣主要成分有土质、石质或土石混合质， 以堆山或填凹方式堆置，上部表面一般比较平整或有一定的斜坡。弃土场土体结构 松散，表面裸露，不均匀沉降较剧烈。因此，降雨时抗侵蚀性较弱，如果未加防 护或防护较弱，将会导致严重的水土流失。 5 1 3 4 5 施工占地 铁路工程建设中的施工占地主要包括旌工站场用地、施工用道路以及铁路工 程中一些辅助设施占用的临时性用地。根据施工用地特点，可分为站场用地和道 路用地。辅助设施临时性占地等都归入站场用地类。对于站场用地来说，由于通 常有房屋、水泥预制件、路堤等地形屏障以及地面堆积物和工程水泥残渣等的保 护，可以近似地认为这一类施工占地基本上不会发生土壤侵蚀，但是如果站场占 地原来为农用地，就需考虑它所造成的土壤侵蚀了。对土壤侵蚀敏感的主要是道 路占地。根据所在地区的不同，往往具有不同的地质特点。同样是经车辆的碾轧， 可能有的路面会越轧越坚硬，有的路面会越轧越散，从而使路面土壤也表现出不 同的抗侵蚀能力。 1 4 工程建设土壤侵蚀的国内外研究历史与现状 1 4 1 国外土壤侵蚀研究历史 由于地球人口增加和生活水平的提高，全世界粮食需求量急速增长，这种空前 的增长速度远远超过了大多数土地所能维持的能力，土壤资源正遭受越来越严重 的破坏，土壤侵蚀日益成为对全球食物安全、环境质量及人畜健康的障碍。土壤 侵蚀作为世界性的重大环境问题越来越受到世界各国政府及科技工作者的关注。 日本早在1 7 世纪后期就有荒山恢复的措施。 前苏联的土壤侵蚀学科始于1 8 世纪中叶，1 7 5 1 年罗蒙诺索夫首次提到暴雨对 土壤的溅蚀作用。1 8 8 4 年奥地利制定了世界上第一部荒溪治理法，总结出一 套综合的防治荒溪流域水土流失的森林一工程措施体系。1 9 世纪后期在美国， w o o l n y 教授作了第一次关于土壤侵蚀影响的专门研究。之后土壤科学工作者和工 程师们发现，许多因素如降雨的类型和总量、坡长和坡度、土壤的可蚀性、农作 物和管理措施等都和土壤流失量有着密切的关系，他们认识到需要把这些因子对 土壤的影响定量化，以便制定实际的防治措施。把上述各因子定量化的首次综合 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脚。 1 9 2 3 年美国第一次出版了野外小区水土流失观测成果。1 9 世纪3 0 年代开始美国的 一些教授开始研究雨滴溅蚀的机制“”。s m i t h ( 1 9 4 1 ) 嘲首次定量研究了土壤允许 侵蚀量。降雨是侵蚀产沙的直接动力因子。雨滴的击溅和因降雨所形成径流的分 离搬运作用，是引起土壤侵蚀主要动力。 1 9 4 0 年，a wz i n g g “1 应用小区的模拟阵雨和野外条件，研究了坡长、坡度与 6 修筑梯田之间的关系，把土壤流失速率和坡度、坡长联系起来。l a w s ( 1 9 4 0 ) “” 对自然降雨研究和e l l i s o n ( 1 9 4 7 ) 嗍【l ”对雨滴作用机制的分析确定了雨滴击溅对 侵蚀过程的重要作用。1 9 4 1 年，d s m i t h 在h w z i n g g 研究的基础上增加了作物 因子和水土保持措施因子，从而为通用土壤流失方程的的建立奠定了基础。1 9 4 7 年提出的m u s g r a v e 方程将土壤侵蚀与土壤可蚀性、植被、坡度、坡长和雨强的关 系进行了经验性的描述，此方程在美国通用土壤流失方程出现以前在美国东部各 州农业和林地的片蚀和细沟侵蚀预测中得到了广泛应用。1 9 5 4 年，美国农业研究 局在普渡( p u r d u e ) 大学成立了国家水土流失资料中心，在威斯奇迈尔( w i s c h m e i e r ) 的领导下，对美国东部地区3 0 个州近3 0 年10 0 0 多万个径流小区的观测资料进行系 统分析后，提出了著名的经验模型通用土壤流失方程( u n i v e r s a ls o i l l o s s e q u a t i o n ，o s l e ) 。1 9 6 5 年，美国农业部正式颁布了农业手册2 8 2 号，使该方程公 开发表并正式推广应用。该方程全面考虑了影响土壤侵蚀的自然因素，通过降雨 侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长、作物覆盖和水土保持措施五大因子进行定量计 算。通用土壤流失方程所依据的资料丰富、涉及区域广泛，因而具有较强的实用 性，在世界范围内得到了广泛的推广。 从2 0 世纪8 0 年代初期开始，在通用土壤流失方程的基础上，许多新的模型建 立起来，同时，众多基于土壤侵蚀过程的物理模型相继问世，从而适应了各种情 况下的土壤侵蚀预测和评价。这时期的模型有r u s l e 、w e p p 、a g n p s 、c r e a m s 、s w a t 、 a n s w e r s 、k i n e r o s 、e p i c 、l i s e me u r o s e m 、w a t e m 、t c r p 、r i l l g r o w 、w e p s 。 f 等。 由于土壤侵蚀的复杂性和广泛性，以及土壤侵蚀研究的深入化，考虑到土壤 侵蚀的空间变异性，从2 0 世纪8 0 年代末至今，各个国家都不断进行g i s 与r s 技术和 土壤侵蚀的相结合并应用的研究。在8 0 年代中期美国完成了州级及全美国家土壤 地理信息系统。能用于土壤侵蚀研究的各类数据库相继建立，为土壤侵蚀的研究 提供了重要的资料来源和技术平台。 对于工程建设，国外很早就注意到矿产开采、工程施工等引起的水土流失问 题。1 9 6 7 年w o l m a n “”等对工程施工和采矿的松散堆积物进行了研究。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 在这些地区的适用性和准确性，并建 立了1 0 6 版r u s l e 。 1 4 2 国内土壤侵蚀研究历史 土壤侵蚀研究在清朝以前是萌芽阶段。在这个时期，人们描述了坡耕地的侵蚀 7 和河流淤积的现象就治田和治河问题采取了一定的措施，但尚未提升到理论的高 度。有关土壤侵蚀的最早记载出现在公元前l o 世纪的西周时期，那时就有“平治 水土”之说，诗经中记载了朴素的土壤侵蚀防治原理及合理的土地利用的重要 性战国时期有“土返其宅，水归其壑”( 礼记效特性) 的理论。秦汉以后， 土壤侵蚀日趋严重，在汉书沟志中有”一石水而六斗泥”的记载，张戎明确 提出河流重浊的泥沙淤积石黄河决溢的主要原因“”。1 8 4 0 年鸦片战争失败后，破 坏山林的情况更加严重，加剧了水土流失。一些知识分子开始从事水土保持科学 试验工作。 我国的土壤侵蚀的研究始于2 0 世纪2 0 年代，由当时的金陵大学森林系部分教 师在晋鲁豫进行水土流失调查及径流观测。1 9 3 3 年，原黄河水利委员会成立并设 置林垦组，从事防治土壤冲刷工作。4 0 年代在天水、西安、平凉、西江和东江、 兰州、南京和福建都相继建立了水土保持试验站。 2 0 世纪5 0 年代，我国开始了大规模的土壤侵蚀的研究。此年代为全国水土保 持工作起步时期。1 9 5 5 年1 9 5 8 年对黄河中游水土保持的综合考察，取得了大量 宝贵资料，为我国土壤侵蚀学科奠定了基础。土壤侵蚀现状的调查也是这个年代 开始的，涉及陕西、内蒙古、甘肃等7 个省，总面积约5 8 万m 2 。黄秉维采用3 级分区 方案编制了黄河中游土壤侵蚀分区，沿用至今。朱显谟根据黄河中游不同区域和 尺度的要求，提出了土壤侵蚀5 级分区的方案。1 9 5 3 年刘善建首次提出了计算年度 坡面侵蚀量的公式。1 9 5 7 年国务院发布了中华入民共和国水土保持纲要。 从2 0 世纪7 0 年代以来，我国的土壤侵蚀的研究进入了蓬勃发展时期，在土壤 侵蚀的各个方面均取得了较大的进展和显著成效。钱宁和龚时呖( 1 9 8 1 ) 在研究 证实黄河下游河床淤泥主要由大于0 0 5 m m 粗颗粒组成的基础上，提出了水土流失 的治理应以多沙粗泥沙产区为重点，确定了以强化黄河上中游蓄水拦泥的坝库工 程建设作为减少入黄泥沙的重要措施。唐克丽等( 1 9 8 6 ) 在重点考察杏子河流域 ( 1 4 8 6 1 k m 2 ) 土壤侵蚀的基础上提出了毁林毁草不合理耕垦是现代加速侵蚀的主 要原因。 降雨侵蚀力的研究有：王万宗研究指出，黄土高原引起侵蚀的降雨次数平 均每年为6 次。周佩华锄1 江忠善嘲1 分别研究了人工模拟降雨、天然降雨条件下降雨 强度和降雨动能的关系。提出了适合黄土高原地区的雨滴动能计算公式。江忠善 ( 1 9 8 3 ) 3 、刘素媛等( 1 9 8 8 ) 嘲、黄炎和等( 1 9 9 2 ) 嘲、周伏建( 1 9 9 5 ) 1 等 对降雨动能进行了研究，建立了适用于我国的单位降雨动能公式一般为指数函数 形式或幂函数形式。1 9 8 1 1 9 8 2 年王万忠嘶1 根据延安、绥德、子洲等地的降雨径 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、瞬时雨率) 与土壤流失量的关系，得出各种降雨参数与土壤流失量的相 8 关程度以瞬时降雨率为最好，降雨历时最差的结论。 土壤可蚀性的研究方面存：马至尊咖于1 9 8 9 年探讨应用卫星影像估算海河流 域太行山区土壤流失方程式各因子时，选用诺谟图来计算不同土壤的可蚀性因子k 值。1 9 9 2 年，陈法扬汹1 根据u s l e 在小良水土保持试验站应用诺谟图进行了土壤可 蚀性k 值的估算。陈明华，周伏建“”等通过人工模拟降雨和天然降雨实验，测出了 我国南方不同土壤样品的可蚀性k 值。蒋定生“”应用原状土冲刷水槽法测定了黄土 地区农、林、草地的土壤抗冲性，将土壤抵抗流水冲刷的能力分为4 个等级。郑世 清“”把放水冲刷法和径流小区资料统计法结合起来，研究了黄土高原不同地区土 壤的抗冲性。 8 0 年代以来，在研究土壤侵蚀机理的同时，许多学者相继建立了一些土壤侵 蚀预报模型。一些学者通过引入的美国通用方程，结合当地的自然条件，修正了 降雨侵蚀力指标、地形因子等，建立了一系列的预报方程。主要有：黑龙江省的 土壤预报方程、辽宁省土壤侵蚀预报方程、长江三峡区紫色坡耕地土壤流失方程、 滇东北山区耕地土壤流失方程、福建省土壤预报方程等。4 。范瑞瑜。”( 1 9 8 5 x 建立 了黄河中游地区小流域土壤侵蚀预报模型，此模型探讨了不同地区小流域自然及 人为因素间接影响流失量的有关参变数。 9 0 年代以后土壤侵蚀机理研究又取得了新的进展，充实了土壤密度、持水性、 颗粒尺度、水力传导性、植物根系、切沟侵蚀等方面的研究3 。汤立群m 1 从流域 水沙产生、输移、沉积过程的基本原理出发，根据黄土地区地形地貌和侵蚀产沙 的垂直分带性规律，建立了流域产沙随时问，空间分布的确定性模型。该法首先 将流域按自然水系的界限划分为许多单元子流域，应用主沟道对予流域进行串联， 以先后次序逐块演算其上的水流和泥沙过程，是目前国内较为理想的模型。随着 计算机与遥感( r s ) 技术与地理信息系统( g i s ) 的发展和应用，为土壤侵蚀的深 入研究提供了有力的工具。土壤侵蚀预报模型的研究也开始由集中式向分布式过 渡。将坡面土壤侵蚀的研究成果延伸到流域的土地利用、水土保持规划中，并将 g i s 与流域侵蚀过程模型结合研究径流、产沙产流的时空变化规律。 自从开发建设项目水土保持方案技术规范颁布以后，才对工程建设引起 的水土流失引起重视，其水土流失的的研究才开始大规模进行。许多学者对公路、 铁路建设中造成的水土流失进行了探讨，试图寻求水土流失的规律对周围环境的 影响等。李忠武( 2 0 0 1 ) 1 在人工模拟降雨的基础上，研究了对铁路施工期形成的 各类人为地貌和原地面的土壤侵蚀产沙、产流规律以及影响因素。王美芝( 2 0 0 3 ) 哪! 对施工期胶新铁路一段路堤进行了天然降雨现场观测，探讨铁路路堤坡面水土 流失特征，认为雨强是引起坡面产流的关键因素；路堤通过改变沿线原来的径流 途径引起二次水土流失，及时修建导流排水沟可以预防二次水土流失。刘小勇”8 3 9 对硬地面的侵蚀产沙规律进行了试验研究。叶翠玲选择典型地形地貌区( 秦沈 线和内昆线) 进行野外人工模拟降雨试验，对铁路水土流失规律进行了定量研究， 认为坡度、土壤被扰动的性质、扰动的深度是施工过程中引发水土流失、影响水 土流失量的关键。 徐宪立通过对在青藏公路路堤边坡布设自然径流观测小区，进行定位观测 得出，降雨量( 降雨动能) 与平均降雨强度的组合可以作为路堤坡面侵蚀预测的重 要因子。 对工程建设的水土流失规律进行探讨研究的同时，一些学者也对工程建设引 起的土壤流失量进行了预测，有些也建立了预测方程。王璞( 2 0 0 4 ) ”1 对大郑线 铁路能力加强工程建设过程中进行了水土流失量的预测。王慧觉“以湖北省在建 的孝一襄高速公路为依据，建立试验小区和自记雨量观测站，通过研究建立了适用 于高速公路建设扰动土壤流失量的预测公式。徐昱“”结合多年铁路行业水土保持 实际工作经验，提出了西部铁路工程水土流失预测的几种方法，分析其实用性和 优缺点，以寻求符合工程实际、有利于水土保持工作开展、准确可行的预测方法。 1 5 本课题的研究内容和方法 1 5 。1 研究内容 本文主要采用野外试验与实地调查相结合，定量和定性分析相结合，通过建 立简易观测小区进行弃土场边坡土壤侵蚀量和降雨量的监测，以及在铁路边坡建 立标准监测小区进行边坡土壤流失盔测，研究铁路不同部位土壤侵蚀的发展规律， 并提出红壤区土壤流失的预测方法。具体研究内容如下： ( 1 ) 南方红壤区铁路工程施工期天然路堤边坡降雨水力侵蚀试验研究，分析 路堤坡面的水力侵蚀特征，分析各个监测因子对路堤的土壤流失量的影响。 ( 2 ) 南方红壤区铁路工程施工期弃土场水力侵蚀监测研究，分析弃土场边坡 影响因素，确定红壤区的最佳侵蚀力组合。 ( 3 ) 南方红壤区铁路工程施工期水力侵蚀预测方法研究。通过监测数据的分 析，并接合我国前人提出的一些预测方法，对我国在该区存在的预测方法的不足 提出一些合理化的建议，提出预测南方红壤区铁路工程施工期水力侵蚀的方法。 1 5 2 研究方法 降雨过程监测方法：降雨量及降雨过程采用虹吸式自记雨量计自动记录，或在 1 0 附近安装一个雨量器作对照，两仪器均放置在研究区内。 土壤特性的监测方法：主要包括土壤干湿容重、土壤粒度分布、土壤质地和结 构，采用重量法、粒度分析方法和相关的物理方法来监测。 径流过程和径流含沙率的监测方法：在降雨过程中，观察产流过程并利用采样 瓶在径流沉沙池出口断面跌水处取水样，经过滤、烘干称重后求得径流含沙率。 区域产沙量的测量：在弃土场区域内布设简易水土流失观测场和测定区域内 沟蚀量的方法来计算产沙。 1 5 3 技术路线 i 实地调查，收集资料，确定监测地点 确定水土流失监测方法 i 确定监测点，布设试验小区，安装雨量计 i 确足监拱b 坝目，确定监；! l ! h 时段，迸仃监拱q ， i记录监测数据 i处理监测数据 1 分析备个监测凼于对饫踞边敷土壤况失日可影 l响 l 从分析中我刽雨万红壤斤：陵区饫蹯边坂土壤 l流失规律 l 确定造合两万红壤丘陵区饫蹯工程水力侵蚀 i预测模型 i整体构思，整体考虑，得出最后结论 图1 - 1 技术路线流程图 f i g1 - 1t e c l m o l o g yr o a d m a p 1 1 2 甬台温铁路边坡天然降雨导致的水土流失监测实验 2 1 工程自然概况 甬台温铁路全线长2 8 2 公里，北起宁波，接铁路萧甬线，经奉化、宁海、三 门、台州、乐清至温州市区，南接温州建设中的温福铁路。是一条以客运为主、 兼顾货运，连接长三角、珠三角，串联我国沿海经济发达城市的沿海铁路快速通 道。甬台湿铁路奉化段北起西坞街道柴家堰村，经西坞街道河头、杨四岙、上横、 五小及尚田镇木吉岭、莼湖镇马夹岙等村，最后穿白岩山南出与宁海县交接，全 长约2 5 公里。线路途经的白岩山隧道起讫里程为d k 4 5 + 2 8 2 d k 4 6 + 7 4 5 ，全长 1 4 6 3 m ，挖方量约为5 0 万m 2 。在施工初期，白岩山隧道附近弃土场( d k 4 6 + 7 5 5 d k 4 6 + 8 9 0 ) 面积约为1 7 4 1 舻，开挖产生的弃土都堆积此处，因为没有进行相应的 防护措施，土壤侵蚀比较严重。 该段所在地区属亚热带季风性气候，四季分明，温和湿润，年均气温1 6 3 c ， 降雨量1 3 5 0 1 6 0 0 m m 。 2 2 天然降雨径流小区布设 天然降雨径流小区选在甬台温铁路d k 3 1 + 9 0 0 左右的边坡。铁路的坡比为 1 ：1 2 5 ，小区面积为4 m x 6 m ，小区底端集水箱体积为l o o c m 5 0 c m x 4 0 c m 。图 2 - 1 为所选试验区( 图2 1 ) 及集水箱( 图2 2 ) 。并在附近安装一个s d m 6 型雨量器 作对照。 幽2 - i 径流小区规模 2 3 监测项目及其方法 f i g2 - 1t h es t a t u so f r u n o f f p l o t 2 3 1 降雨过程的监测方法 图2 2 集水箱 f i g2 - 2w a t e rc o l l e c t i o nt