推荐一种泥石流坡面侵蚀物源量的计算方法

温清茂，钟东

推荐一种泥石流坡面侵蚀物源量的计算方法

温清茂，钟东

（四川省地矿局九一五水文地质工程地质队，四川 眉山 620020）

在收集、研究前人研究成果的基础上，应用土壤水蚀模型和流域泥沙输移比初步建立了泥石流坡面侵蚀物源量计算模型，同时列举了降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子及植被覆盖因子等水蚀因子的标准算法和经验算法，具有较强的理论依据，对泥石流坡面侵蚀物源量计算具有借鉴意义。

泥石流；坡面侵蚀物源；土壤水力侵蚀；计算方法

坡面侵蚀物源是泥石流形成过程中物源条件的重要组成部分，在泥石流形成过程中占有重要地位，特别是对以坡面侵蚀为主的泥石流的形成起着至关重要的作用。泥石流坡面侵蚀物源量系指参与泥石流活动的坡面侵蚀物源动储量，传统估算方法主要有工程经验法和侵蚀强度法，工程经验法即按所占静储量的比重估算，给定参与泥石流活动的坡面松散物质量的百分比[1]，或依据其它类似工程进行类比，按平均侵蚀深度估算；侵蚀强度法即依据工程地域、植被覆盖程度和土地类型等定性判断其侵蚀强度等级，再按侵蚀强度分级标准的区间值给定其平均侵蚀模数或平均侵蚀厚度[2]，这也是《泥石流灾害防治工程勘查规范》（T /CAGHP 006-2018）推荐的算法[3]。上述两种方法虽然计算简单，但受人为因素影响很大，估算结果往往与实际情况悬殊，计算精度很差。事实上，泥石流坡面物源的启动多依靠雨滴溅蚀和坡面流冲刷而完成，其与当地降雨强度、土层性质、地形条件、植被发育程度和人类活动等因素密切相关，应属于土壤水力侵蚀理论的范畴。为此，在综合考虑降雨特征、土壤特性、地形条件、植被覆盖程度、水保措施和耕作方式的基础上，应用土壤水力侵蚀模型，推荐一种泥石流坡面侵蚀物源量的计算方法，旨在抛砖引玉。

1 坡面侵蚀物源量计算模型

坡面侵蚀系指坡面土壤在水动力（雨水及其坡面流）作用下发生的土壤水蚀现象，主要有面蚀（雨滴和地表径流作用的结果，有溅蚀、片蚀和细沟蚀）和沟蚀（坡面径流作用的结果，往往形成浅沟和冲沟），其侵蚀模数可采用土壤水蚀模型表征。《泥石流灾害防治工程勘查规范》（T /CAGHP 006-2018）要求：坡面侵蚀物源量按侵蚀分区计算工程有效期内的侵蚀总量，但因其粒度较小，易被常年洪水带走，仅部分可计为泥石流动储量，故坡面侵蚀物源量应按常年洪水可输移的粒径所占比例予以折减[3]。据此，泥石流坡面侵蚀物源量的计算模型可由式（1）、式（2）[4，5]表征：

式中：为坡面侵蚀物源量（m3）；V为工程设计年期（a）；为泥沙输移比；为泥沙干密度（t/m3）；MF为第计算分区的年平均水蚀模数（t/hm2·a）、面积（hm2）；为年平均土壤水蚀模数（t/hm2·a）；为降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h·a）；为土壤可蚀性因子（t·h/MJ·mm）；为坡长坡度因子；为生物措施因子；为工程措施因子；为耕作措施因子。

2 土壤水蚀因子计算方法

2.1 降雨侵蚀力因子R

1）标准计算方法（规范推荐算法）：降雨侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是降雨特性的函数，反映了雨滴对土壤颗粒的击溅分离和降雨形成径流对土壤冲刷的综合作用。标准的计算方法为一次降雨总动能E与该次降雨的最大30 min雨强I30的乘积，采用剔除日降雨量小于12mm的非侵蚀性降雨后的多年降雨过程资料进行计算。计算公式[2、3]为：

2）等值线图内插法：第一次全国水利普查之水土保持情况普查根据上述标准计算方法，分别编绘了各省（市、区）及全国多年平均降雨侵蚀力等值线图[6，7]，可根据等值线图内插取值。

表1 岷江上游和西藏高原主要土壤可蚀性K值 单位：t·h/MJ·mm

3）简易计算方法：标准计算方法采用EI30指标度量，需要长序列降雨过程资料且计算繁琐、费时，为此，很多学者提出了采用常规降雨资料（年降雨量、月降雨量）计算多年平均降雨侵蚀力的简易算法。伍育鹏等[8]通过对国内外具有代表性的9种简易算法的计算结果与降雨侵蚀力指标E10进行比较，较适用于我国的降雨侵蚀力简易算法有：

a）马志尊（海河流域太行山）：适用于除西北地区以外的广大地区，相对偏差4.7%~93.7%。

式中：为年降雨侵蚀力（100 ft·sht·in/acre·h），乘以17.02转化为MJ·mm/hm2·h·a；P为多年月平均降雨量（mm）；为多年平均降雨量（mm）。

b）YU等（澳大利亚南部地区）：适用于我国大部分地区，相对误差0.3%~193%，平均44%。

式中：为年降雨侵蚀力（MJ·mm/hm2·h·a）。

2.2 土壤可蚀性因子K

1）标准计算方法：土壤可蚀性因子表征土壤被冲蚀的难易程度，反映土壤遭受外营力剥蚀和搬运的敏感性，是影响土壤水蚀的内在因素。一般采用EPIC模型中Williams等提出的计算方法[5，9]：

式中：为土壤可蚀性因子（ton·h/100ft·tonf·in），乘以0.1318转换为t·h/MJ·mm；a为砂粒含量（%）；i为粉粒含量（%）；l为黏粒含量（%）；为有机碳含量/%。

2）查图法：第一次全国水利普查之水土保持情况普查根据标准计算方法，利用第二次全国土壤普查资料分别编绘了各省（市、区）土壤可蚀性空间分布图，可查询对应土壤的可蚀性K值。

3）类比法: 多年来，国内众多学者利用不同地区的小区资料对土壤可蚀性进行了分析计算，积累了大量的数据，可根据土壤类型类比取值。如岷江上游[9]和西藏高原[10]地区的K值空间分布如表1。

表2 全国分省份土壤可蚀性K值 单位：t·h/(MJ·mm)

4）平均值法：2013年，梁音等[11]在收集、整理了全国31个省（市、区）17558个土壤样品理化数据的基础上，采用EPIC模型中Williams提出的K值公式计算，形成全国水蚀区土壤可蚀性K值分布图，研究表明：全国水蚀区K值变化范围为0.0004~0.0828t·h/MJ·mm，平均K 值为0.033t·h/MJ·mm（表2），呈现出由北向南逐渐减小的趋势，黄土区K 值最大，紫色土和红壤区北部的K 值居中，最小的分布在青藏高原北侧。

2.3 坡长坡度因子LS

1)标准计算方法:坡度坡长因子即地形因子。随坡度的增大，土壤颗粒的抗滑力减小，水流动能增大，水土流失量随之增大，坡面越长，流失量也越大。地形因子LS表示在其它条件均相同的情况下，某一给定坡长（22.13 m）和坡度（9%）的坡面上，土壤流失量与标准径流小区典型坡面土壤流失量的比值，它是土壤水蚀动力的加速因子。其计算公式[5]为：

表3 基于地貌及环境因子的泥沙输移比计算公式

式中：为坡长因子；为坡度因子；λ为坡长（m）；为坡度（º）。

2)经验公式估算方法: 我国部分地区坡度坡长因子LS经验公式主要有[12]：

a）黄土高原（汪忠善）：

b）东北黑土地区（张宪奎）：

c）闽东南地区（黄炎和）：

4）南方红壤地区（杨艳生）：

式中：为坡高（m）。

2.4 生物措施因子B

生物措施因子即植被覆盖因子。植被具有截持降雨、分散雨量、降低雨滴冲击力、减缓径流、降低流速、提高渗透速度、保土固土等生态功能，对控制土壤流失起着决定性的作用，受植被、作物种植顺序、栽培措施、降雨分布等众多因素制约，一般采取如下方法求算。

1)标准计算方法: 利用植被覆盖度结合土地利用和降雨侵蚀力季节分布，根据各半月时段的土壤流失比例和各半月时段降雨侵蚀力占全年的比率，计算生物措施因子[5]：

2）经验公式估算法：蔡崇法等[13]利用径流小区人工降雨和部分天然降雨的观测结果，通过计算坡面产沙量与植被覆盖度的相关关系，建立了植被覆盖度与生物措施因子间的数学关系：

式中：为生物措施因子；为植被平均覆盖度（%）。

该方法在国内已被较多学者所采用[14]。从式（22）可以看出，植被覆盖度≥78.3%时其B因子为0，因此植被覆盖度在80%以上的地区可不考虑土壤水蚀（坡面侵蚀）作用。

2.5 工程措施因子E

对于泥石流坡面侵蚀物源区，一般为自然斜坡、农用地，取E值=1[4]。

2.6 耕作措施因子T

耕作措施因子即水保措施因子，指在特定水保措施的土壤流失量与起伏地耕作的相应土壤流失之比。自然斜坡和坡耕地（顺坡耕作）的T值取1.0，横坡耕作（包括等高耕作、等高带状种植、修梯田等）的T值取0.5[4]。

3 流域泥沙输移比估算方法

流域泥沙输移比表征流域输沙总量与流域产沙量的比值[15]，二者之差即为该流域范围内的泥沙沉积量。影响泥沙输移比的因素很多，一般可概括为四类：一是地貌及环境因子，如流域面积、形态、坡度坡长、沟道特征等；二是降水及水文因素，如降雨强度、降雨历时等；三是侵蚀土壤的粒径与土壤质地结构；四是植物覆被和土地利用状况等[16]。为方便计算，本文仅列举考虑地貌及环境因子的泥沙输移比估算方法（表3）。

此外，也可根据相关学者已有研究总结的部分流域泥沙输移比分布进行类比确定。谢旺成[16]根据国内外泥沙输移比（单因子和多因子的影响）计算的实例，总结了主要流域泥沙输移比数值的变化范围，可参考利用。

4 应用实例

4.1 研究区概况

以四川省甘孜州乡城县定波乡万绒沟泥石流为例。其流域形态呈基本对称的扇形，流域面积22.85 km2，主沟长7.04 km，沟口高程3 009 m，相对高差1 323 m，平均纵坡降172 ‰。沟谷形态总体呈“V”型，岸坡一般35 °~45 °，多悬崖峭壁，间布较平缓的台地，山脊浑圆。流域内森林植被发育密集，以山地针叶林和高山灌丛草甸带为主，植被覆盖率一般在80 %以上，水土流失较轻微，但近河谷地带植被破坏较严重，植被覆盖率一般小于40 %，土壤类型为灌丛草甸土，土壤层厚一般1~1.5m，以面蚀和沟蚀为主，侵蚀强烈。据此，圈划坡面侵蚀物源点4处，分别编号为P1、P2、P3、P4。

4.2 影响因子取值

4.2.1 水蚀因子取值

1）降雨侵蚀力因子R：万绒沟属大陆性季风高原型气候，降雨量少但集中，干湿季节分明，多年平均降雨量447.6 mm；选用式（8）计算，R=1 749 MJ·mm/hm2·h·a。

2）土壤可蚀性因子K：依据表1选取亚高山灌丛草甸土K=0.043 t·h/MJ·mm。

3）坡度坡长因子LS：选用式（17）计算。

4）生物措施因子B：选用式（20）计算。

5）工程措施因子E和耕作措施因子T：为自然斜坡，取E=1，T=1。

4.2.2 其它因子选取

工程设计年限按20 a，泥沙干密度[4]取1.35t/m3。流域泥沙输移比选用式（25）计算，SDR=0.287。

4.3 计算结果

表4 坡面侵蚀物源量计算结果

根据式（1）、式（2）计算，其结果列于表4。可见，万绒沟坡面侵蚀物源的侵蚀模数为5491~9577 t/km2·a，依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）[4]划分其侵蚀强度分属强烈——极强烈等级，计算结果与定性判别的侵蚀强度基本吻合；在工程设计年限内，坡面侵蚀物源量48 847 m3。

5 结语

1）本文在收集研究国家相关规范和前人研究成果的基础上，应用土壤水力侵蚀理论及流域泥沙输移比初步建立了泥石流坡面侵蚀物源量的计算模型，各相关因子的计算和选取在采用我国通用计算方法的基础上还推选了国内外相关学者较简便的算法和其适用性，具有计算方便、精度较高的特点，有可能成为评价泥石流坡面侵蚀物源量的统一算法。

2）土壤水蚀因子的降雨侵蚀力R因子、土壤可蚀性K因子的标准算法源于第一次全国水利普查之水土保持情况普查培训教材，已广泛应用于土壤侵蚀调查，应充分利用其调查成果，采取等值线图或因子图内插，其计算精度会更高。

3）目前，我国的泥沙输移比SDR研究区域主要集中在黄河流域，长江流域、珠江流域、淮河流域、山地丘陵地区等地区或流域的研究相对较少。由于各流域侵蚀条件和输移条件不同，计算结果也不尽相同，所获得的计算公式往往也受地域局限，难以推广。在应用时还应考虑多因素对流域泥沙输移比的影响。

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A Method for Calculating the Amount of Slope Erosion Material Source of Debris Flow Recommended

WEN Qing-mao ZHONG Dong

(No. 915 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Meishan, Sichuan 620010)

A model for calculating the amount of erosion material on the slope of debris flow is established by means of soil water erosion model and sediment delivery ratio on the basis of previous achievements. At the same time, standard algorithm and empirical algorithm for sediment delivery ratio and water erosion factors such as rainfall erosive power factor, soil erodibility factor, terrain factor and vegetation cover factor are enumerated.

debris flow;slope erosion material source; soil water erosion;sediment delivery ratio

2018-07-02

温清茂（1965-），男，四川蓬溪人，高级工程师，主要从事水工环、地质灾害方面的工作。

P642. 23

A

1006-0995（2019）02-0289-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.023