水土保持原理.ppt

第二部分水土保持原理 广东省水利厅水土保持处陈汉先2007 9 28 主要内容 一 概说二 影响水土流失的因素三 土壤侵蚀类型分区四 土壤侵蚀调查 一 概说 土壤侵蚀的概念 中国水利百科全书对土壤侵蚀的解释是 土壤及其母质在水力 风力 冻融 重力等外营力作用下 被破坏 剥蚀 搬运和沉积的过程 从概念上来理解 典型的土壤侵蚀包括了从土体被破坏到被侵蚀物质沉积的四个过程 1 土壤侵蚀是一种自然现象 土壤侵蚀在自然界是普遍存在的 在地球表面时刻存在的土壤侵蚀现象实际上是地球表面一种新的夷平过程 由于这种夷平过程具有客观存在性 土壤遭受侵蚀的趋势就不可避免 但是 凡事都有一个度的问题 由于自然界的力量 在人类出现以前 及人类出现以后的很长一段时间里 这种侵蚀是比较微小的 不致以造成危害 甚至还是有益的 由于后来人口的增加 人类对地球的影响一步步加深 对自然资源的掠夺也一步步加剧 以致造成土壤的加速侵蚀过程 水土流失危害也就发生了 2 土壤侵蚀分类 按性质分 正常侵蚀和加速侵蚀按时间分 古代侵蚀和现代侵蚀按侵蚀外营力分 水力侵蚀 风力侵蚀 重力侵蚀 冻融侵蚀和混合侵蚀从侵蚀形态上分 可分为面状侵蚀 沟状侵蚀和崩岗 塌 侵蚀 按侵蚀发生的原因分 自然侵蚀和人为侵蚀 土壤正常侵蚀的情形 土壤的正常侵蚀是指土壤侵蚀速率小于土壤成土速率 土壤肥力不会降低的情形 土壤侵蚀允许值就是根据这一情况制定出来的 根据土壤学家的估算 经过扰动的土壤 每30年可形成25mm厚的土壤层 每年不到1mm 相当于成土速率是1200吨 平方公里年 由于表土的形成非常缓慢 技术规范要求需对表土作为资源来加以保护和利用就是这个道理 成土速率也受到土壤母质 气候 植被 光热等多种条件的影响 正常侵蚀的标准 西北黄土高原区1000t km2年 东北黑土区200t km2年北方土石山区200t km2年南方红土丘陵区500t km2年 0 33mm 年 500克 m2 西南土石山区500t km2年在允许范围值以下的 称为微度侵蚀 在流失调查时不作为流失面积统计 3人为活动是造成加速侵蚀的原因 当植被被破坏后 表土就逐步遭受侵蚀 典型的以水力侵蚀为主的侵蚀过程是从面状侵蚀开始 逐步发展为沟蚀 最后导致崩岗 崩塌 的发生 开发建设项目一般是经过激烈的扰动开始的 在扰动了的土地上发生强烈的面蚀 沟蚀 土壤侵蚀强度分级 微度侵蚀平均土壤侵蚀模数15000t km2 a 人为水土流失的特点 侵蚀地域的不完整性 自然水土流失常常以小流域的形式分布 而开发项目是局部动土后造成水土流失水土流失不均衡 自然因素引起的土壤侵蚀在一个小流域或一定区域内的侵蚀模数基本上是变化不大的 侵蚀比较均一 而开发建设项目引起的水土流失各工区的侵蚀模数常有很大的差异水土流失危害的多样性和潜在性 由于开发建设项目类型多种多样 造成的水土流失形式和危害也各不相同 地面生产项目主要是通过对地形地貌 地表 植被的破坏加剧水土流失 而一些地下开采项目除扰动外 更长期的是对地层 地下水的影响 间接的使地下水位下降 地面植被退化 地面塌陷 从而加剧水土流失 因而具有潜在性危害严重 流失量特别巨大 在施工建设期间尤甚 由于开发建设项目人为扰动剧烈 因而容易遭受降雨径流的冲击 引起严重的水土流失 人为水土流失调查参数 1 边坡开挖3 27万t km2 a2 填方段高度大于4米时5 09万t km2 a3 填方段高度小于4米时2 12万t km2 a4 土料场5 96万t km2 a5 堆渣场6 23万t km2 a上述参数是省水利水电科学研究院在珠海的调查分析结果 常被方案编制单位用来作为水土流失预测的类比值 4 水土保持 概念 研究水土流失规律和水土保持综合措施 防治水土流失 保护 改良与合理利用山丘区和风沙区水土资源 保护和提高土地生产力 以利于充分发挥水土资源生态效益 经济效益和社会效益的一门应用科学 基本原理 对于水力侵蚀而言 从形象上看 水土流失就是水冲土跑 造成这种现象的根本原因就是地表径流的冲击力大于土体的抵抗力 所以要达到水土保持的目的 一方面要减少作为外营力的地表径流的冲击力 另一方面可增加土体的抵抗力来达到抗侵蚀的目的 为减少地表径流的冲击力和增加土体的抵抗力的这种工作就是水土保持的一个重要内容 这是一种最简单 最基本的理解 基本原理 土壤侵蚀还包含有更深一层的内容 一方面 水土流失不仅仅是由地表径流所引起 实质上面蚀主要由雨滴击溅地表所形成 另一方面 土体受吸收和下渗水份的影响 常常是崩塌和泥石流发生的主要原因 促使对土的破坏力就不限于地表的冲击力 还包括降雨和下渗水份的破坏作用 另一方面 所谓 土体 主要是由土砂石砾等大小不同的颗粒所组成 在一般情况下它并不是孤立的 而是密切结合在一起的 尤其是作为表层的土壤 土体粒子之间的结合就更为复杂 常左右土壤的抵抗力 因此 不同的土壤其抗冲 抗蚀性能是不同的 土壤的抗冲性 土壤的抗冲性 指土壤对抗流水和风等侵蚀力的机械破坏作用的能力 土体在静水中的崩解情况可作为土壤抗冲性的指标之一 因为当土体吸水和水分进入土壤空隙后 如果很快崩散破碎成细小的土块 那么它就容易为地表径流推动下移 产生流失现象 土壤的抗蚀性 土壤的抗蚀性 土壤的抗蚀性是指土壤抵抗雨滴打击而分散和抵抗径流悬浮的能力 土壤抗蚀性的大小主要取决于土粒和水的亲和力 亲和力越大 土壤越容易分散悬浮 团粒结构也越容易受到破坏而解体 同时引起土壤透水性的变小和土壤表层的泥泞 在这种情况下 即使径流速度很小 机械破坏力不大 也会由于悬移作用而发生侵蚀 有资料表明 土壤吸收性复合体若被钠离子饱和 就容易被水分散 若为钙离子所饱和 则土壤抵抗被水分散的能力就显著提高 水的侵蚀力与土的抵抗力 水的侵蚀力不仅局限于水作为流体的力学性质和液体的物理性质 也涉及水的化学性能 同时 土体的抵抗力的内容也包括了更为广泛的胶体的腐殖质的作用 因此 作为水土保持学科中所涉及到的 水 和 土 这对矛盾中 作为水的破坏力方面应包括降雨 地表径流 下渗水份 水的物理和化学性质等方面 土作为抵抗侵蚀的方面应包括组成土体的颗粒性质 相互关系 以及土壤胶体和腐殖质的作用等 水土保持与生产的关系 水土保持是一门应用学科 水土保持的目的除了控制泥沙危害以外 还有进一步提高和改善土地生产力的要求 提高土壤肥力 因此 水土保持不仅在于控制和减低水的破坏力 而是进一步迫使水的力学 物理 化学性质用于生物循环中水份和营养物质中去 不断提高土壤肥力和土地生产力 二 影响水土流失的因素 所有的气候因子都从不同方面和在不同程度上影响土壤侵蚀 大体上可分为两种情况 一种是直接的 如降水和风对土壤的破坏作用 一般来说 暴风骤雨是造成严重土壤侵蚀的直接动力 另一方面是间接的 如降水 温度 日照等的变化对于植物的生长 植被类型 岩石风化 成土过程和土壤性质等的影响 进而间接影响土壤侵蚀的发生发展过程 降雨对水土流失的影响 气象因素中重要影响因素的降水 只有当单位时间内的降雨量达到一定大小 并超过土壤的渗透能力时 才会发生径流 对于水力侵蚀而言 径流是产生土壤侵蚀的原动力 首先是降雨量的多少 在缺少植被保护的情况下 降雨量越大 土壤侵蚀就越严重 其次是雨强 雨强越大 土壤侵蚀量也越大 根据北方黄土区的试验资料 三次降雨量相近的降雨 其平均降雨强度之比例为1 2 5 6 而冲刷量的比例达到1 37 233 相差特别巨大 充分的前期降雨是导致暴雨形成径流和严重冲刷的重要条件之一 因为充分的前期降雨已经使土壤含水量增大 再遇降雨容易形成径流所致 在我省年内降雨分布不均匀 降雨集中分布在4至9月份 干 湿季节明显 雨季土壤经常处于湿润状态 为强大降雨产生土壤侵蚀打下了基础 2 地形因素 地形是影响土壤侵蚀的重要因素之一 地面坡度的大小 坡长 坡形等对土壤侵蚀都有重要影响 坡度因素 坡面径流所具有的能量是径流的质量与流速的函数 而流速的大小主要取决于径流深度与地面坡度 因此 坡度直接影响径流的冲刷能力 因此 在一般情况下 坡度越大 径流流速也越大 土壤侵蚀也越严重 坡长因素 当其它条件相同时 水力侵蚀的强度由坡长来决定 坡面越长 径流流速就越大 汇聚的流量也越大 因而其侵蚀力就越强 根据在黄土区的有关试验 在同等坡度条件下 坡长40米的坡耕地比坡长10米的坡耕地土壤流失量增加41 6 坡面与分水岭的距离增加一倍时 土壤流失量增加0 5至2倍 根据我省水利水电科学研究院的试验观测 当坡长超过4米时其侵蚀量会急剧增加 因此 在制定治理措施时将坡长缩短至4米以下 或者将坡面径流消灭在4米坡长以内 可有效减少坡面的土壤流失 地质因素 在地质因素中主要是岩性和构造运动对土壤侵蚀影响较大 岩性是指岩石的基本特性 对风化过程 风化产物 土壤类型及其抗蚀能力都有重要影响 对于沟蚀的发生和发展以及崩塌 滑坡等侵蚀活动也有密切关系 所以一个地区的侵蚀状况常受到岩性的很大制约 容易风化的岩石常常遭受到强烈侵蚀 如在我省广泛分布的花岗岩和花岗片麻岩等结晶岩 主要矿物是石英和长石 其结晶颗粒粗大 节理发育 在温度变化的作用下 由于它们的膨胀系数各不相同 易于发生相对错动和碎裂 促进风化作用加强 因此 这类岩石风化强烈 风化层较厚 我省的花岗岩风化壳一般可达10至20米 有的甚至达到40米以上 这种风化壳一般含石英砂 粘粒较小 结构松散 抗蚀能力很弱 容易发生沟蚀和崩岗侵蚀 紫色页岩 泥岩风化较快 且处在丘陵区常被开发 也容易发生侵蚀 此外 岩石的坚硬性 透水性 新构造运动等也是影响土壤侵蚀的重要地质因素 3 土壤 土壤是侵蚀作用的主要对象 因此 它的特性 尤其是透水性 抗蚀性 抗冲性对土壤侵蚀有很大的影响 地表径流是水力侵蚀的动力之一 在其它条件相同的情况下 径流对土壤的破坏能力 除了流速以外 主要取决于径流量 而径流量的大小与土壤的透水性能关系密切 所以土壤对水分的渗透能力是影响水土流失的主要性状之一 土壤的透水性能主要取决于土壤的机械组成 结构性 孔隙率 土壤剖面构造 土壤湿度等因素 4 植被 植物被覆是自然因素中对防止土壤侵蚀起积极作用的因素 几乎在任何条件下都有阻缓水蚀和风蚀的作用 植被一旦遭受破坏 土壤侵蚀就会加剧 植被在水土保持上的功效主要有如下几个方面 植被拦截雨滴的作用 植物的地上部分即茎 叶 枝干 能够拦截降雨 使雨水不直接打击地面 速度减小 因而能有效地削弱雨滴对地面的破坏作用 植被覆盖度越大 拦截的效果就越好 尤其以茂密的森林最为显著 郁闭后的林冠象雨伞一样承接雨滴 使雨水通过树干和树干缓缓流落地面 便于雨水下渗 因而减少了地表径流 减轻了对土壤的冲刷 根据实验 灌木的拦截雨滴功能最好 乔木由于树干较高 比如桉树 枝叶比较稀疏 树叶光滑 拦截效果没有低矮的灌木好 植被调节地表径流的作用 森林 草地中往往有一层枯枝落叶层 象海绵一样接纳通过树冠 树干或草类径叶而来的水 使之慢慢地渗入地下形成地下水 减少地表径流 这种枯枝落叶层起到了保护土壤 增加地表粗糙度 分散径流 减缓流速等作用 植被改良土壤性状的作用 林地和草地枯枝落叶腐烂后可给土壤表层增加大量腐殖质 有利于形成团粒结构 同时植物根系能给土壤增加根孔 提高土壤的透水性和持水量 增加土壤的抗冲 抗蚀性能 从而起到减少地表径流和土壤冲刷的作用 三 土壤侵蚀类型分区 全国的类型区划分我国的土壤侵蚀类型区划 采用了二级区分类法 一级区以发生学原则 即按侵蚀营力类型划分 第二级按形态学原则 即以地质 地貌 土壤为划分依据 按照这些原则 一级区共划分成了三个区 类 以水力侵蚀为主的类型区 大兴安岭 阴山 贺兰山 青藏高原东缘一线以东 西北黄土高原区 黄河上中游 东北黑土区 低山丘陵和漫岗丘陵区 松花江流域 北方土石山区 主要在淮河流域以北黄河中下游 海河流域 南方红壤丘陵区 长江中游及汉水流域 洞庭湖 鄱阳湖水系 珠江中下游等 南方土石山区 长江上中游及珠江上游 类 风力侵蚀为主的类型区 主要是沙漠地区 西北 华北 东北的西部 类 冻融侵蚀类型区 大兴安岭山地及天山山地 青藏高原及其它高山地区 广东省的土壤侵蚀类型区划分 采用一级划分法 因广东均属水力侵蚀的范畴 按土壤 地貌的不同划分为四类 广东省土壤侵蚀类型区 花岗岩山地丘陵侵蚀区 连山 阳山 英德以南 高州 阳西 广州 普宁 饶平以北的广大中部地区 面积8 73万km2 石灰岩侵蚀区 主要位于粤北地区 面积2 63万km2 沿海及珠三角丘陵台地侵蚀区 主要包括湛江 江门 佛山 中山 东莞 珠海 汕头等 面积5 9万km2 红色岩系侵蚀区 这个区分散分布于南雄盆地 灯塔盆地 罗定 兴梅盆地等地区 四 土壤侵蚀调查 1 土壤侵蚀模数概念 单位面积和单位时间内的土壤侵蚀量称为土壤侵蚀模数 基本单位为t km2 a 也可以用单位时段内的土壤侵蚀厚度来表示 表示单位为mm a 水蚀土壤侵蚀模数确定的方法 资料法 也就是根据同类或相似地区的实测资料 将其与项目区进行类比 在符合类比条件以后 将其应用到项目区中直接引用 在缺乏试验资料的地区这种方法比较实用 可行 因此常常被作为推荐的方法来采用 但引用要科学 在降雨 地貌类型等方面必须要有可比性 野外及室内人工模拟降雨测定法 这种方法测定的参数准确性较好 常用于科学研究 目前在开发建设项目中运用较少 野外土壤侵蚀调查法 这种方法是采用野外现场调查 通过一些比较固定的参照物如树根 坟墓等调查在若干年内的侵蚀深度 估算其侵蚀模数 也可以在侵蚀坡面上设置一些桩钉 根据在一定时间内被蚀去的土壤层厚度来计算平均侵蚀模数利用小水库 塘坝等的淤积量调查 估算集雨面积内侵蚀量 反推土壤侵蚀模数 根据 水文手册 年输沙模数资料 用泥沙推移比进行推算 侵蚀模数 输沙模数 输移比 土壤侵蚀量估算方法 1 确定土壤侵蚀模数和土壤侵蚀面积求解 2 美国通用流失方程 该方程设定坡长为22 13m 坡度为9 连续休闲两年的耕地为标准状态 样方 通过大量的试验研究后得出的 其表达式为 A RKLSCP 通用土壤流失方程因子 式中 A 单位面积上的土壤流失量 t hm2R 降雨因子 表示在标准状态下降雨对土壤的侵蚀能力 也称降雨侵蚀力因子 R EI30 E为降雨总能量 I30为该次降雨最大30分钟降雨强度 R可由不同地区降雨资料通过计算得出 在美国R值平均在20 550之间 K 土壤可蚀性因子 它等于方程式右侧各因子均为标准状态或单位值时试验所得的土壤流失流失量 土壤性质统计分析表明 它与土壤质地 有机质含量 结构特性和透水率等密切相关 S 坡度因子 它等于实际坡度产生的土壤流失量与相同条件下标准状态所产生的土壤流失量之比 L