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基于盲数运算的某平原沙土区水土流失测算

2024-12-03 47 上传者：管理员

摘要：水土流失是我国的一个严重生态环境问题，会导致土壤退化、环境污染和河道淤积，进而引发自然灾害。文章基于某平原的沙土区水土流失现状，将土壤侵蚀量中的入河土量作为评估水土流失的标准，建立水土流失测算方法，并利用盲数理论计算水土流失总量及流失速率的范围。利用建立的测算方法评估该地区的水土流失现状。结果表明沙土地区河流泥沙中的沉积泥沙比例较高，当地水土流失速率为133.40～143.94 t/（km2·a）。建立的评估方法可以为平原的水土流失评价提供参考。

关键词：
土壤锓蚀量
水土流失
水土资源
沙土
流失速率
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水土流失指的是在水力、风利等外力作用下，地表土壤发生风化、剥蚀，并被搬运沉积到其他地方的现象。随着我国经济社会的发展，水土资源未能合理利用，进而引发的水土流失问题日渐严重[1]。水土流失会造成土壤退化、环境污染、河道淤积，引发自然灾害，对人们的生产和生活构成威胁[2-3]。过去由于地形、地貌等原因，人们通常更关注丘陵和山区的水土流失问题，对平原沙土地区的水土流失研究较为有限，也缺乏相关研究数据。

随着社会的发展，人们对水土资源的开发利用不断加剧，出于生产生活的需求，进行了大量的修路、围湖造田等工程，然而却忽视了对水土资源的保护。不合理的规划利用，导致某平原沙土区出现地势改变，土地利用形态变化，潜在的水土流失问题日渐突出[4]。由于该地区土壤组分主要由沙性土壤构成，极端气候问题产生的径流会导致严重的水土流失问题，在自然因素和人为因素的共同作用下，该地区水土流失问题应当得到重视[5]。

基于此，本研究采用地区水文数据信息，利用物质质量守恒原理，构建适用于该地区的水土流失测算方法。同时，利用盲数等不确定性计算手段，评估泥沙含量的合理取值范围。研究结果对于政府部门实施水土保持措施，改善该地区的水土流失现状起到了积极的推动作用。

1、研究区概况

平原沙土区较为广泛，在研究区北部、中部和南部均有分布，主要可分为三个区域：由历史上泛洪区构成的高亢平原沙土区，沿海泥沙堆积构成的沿海平原沙土区，以及南部的高沙土区。沙土区的海拔普遍在2～10 m, 地面平均坡降仅有1/20000,面积达2万km2。

2、水土流失情况

2.1 水土流失现状

一般情况下，地形复杂，地表起伏较大的区域，更容易在风力剥蚀、水流侵蚀的作用下，造成水土流失问题，而平原地区不易发生[6]。然而，人类活动造成的植被减少、土地沙化以及工程建设造成的地形变化，为水土流失的发生创造了有利条件。该平原沙土区内地势平坦，但人类经济活动的需要加剧了该地区的水土流失问题。根据已有的卫星遥感结果显示，该平原沙土区的水土流失面积达到了2261 km2,占水土流失的36%,是省内水土保持工作的重点预防区域[5]。

2.2 水土流失类型

水土流失的类型主要分为两类，一类是土壤自身因素导致的内因，平原的土壤主要是沙土，由于沙土结构不稳定，当径流量增大时，容易导致水土流失；而另一类为降雨、径流侵蚀等加剧水土流失的外因，也包括河道边坡坍塌产生的重力侵蚀和自然风产生的风力侵蚀[7]。地区土壤结构松散，颗粒组成中胶体含量低，保水能力差，因此在降雨等条件下，容易出现土壤流失问题。研究区土壤颗粒较大且黏塑性差，也是水土流失的重要原因之一，对该地区土壤粒径测定表明，其细沙和粉砂的含量高达79.6%,而胶体黏粒含量仅占7.89%。具体粒径构成，见表1。

表1土壤粒径构成

颗粒粒径/mm1～0.25 0.25～0.05 0.05～0.01 0.01～0.005 0.005～0.001 <0.001

颗粒含量/%0.97 9.96 68.62 6.48 6.03 7.89

3、水土流失测算

平原沙土区的土壤流失方式主要为地表流失，地表土壤质量的减少称为土壤侵蚀量，而其中由于径流的输运作用进入到河流中的部分称为水土流失量。这部分进入河流的土壤，一部分沉积在河道中，导致河道淤积和河床抬高，另一部分则以悬浮颗粒的形式随着水流运动，少数以推移质的形式在靠近河床的区域移动。通过测算河流中的泥沙含量，可以有效计算区域的水土流失量。

3.1 计算方法

为得到区域的水土流失量，首先在划定的研究区范围选择淤积严重的河道，并收集基础数据，包括影响河道沉积泥沙、悬移质泥沙和推移质泥沙含量的数据。根据计算所得数据河道的泥沙含量，得到研究区所有河道淤积的泥沙含量后，利用下式计算水土流失速率：

V=(W1+W2+…+Wn)/(F×T) (1)

式中：V为水土流失速率，t/(km2·a);W1,W2,…,Wn为研究区各河道的泥沙含量，t;F为研究区面积，km2;T为时间，a。河道的泥沙含量由沉积质(A)、悬移质(B)和推移质(C)三部分构成，其分别可以利用式(2)计算：

式中：γ为淤泥容重，kg/m3;Vs为河流沉积泥沙体积，m3;K为折算系数；Cs为悬移质泥沙的含沙量，kg/m3;Q为河道流量m3/s;k为推移质泥沙折算系数，由于推移质泥沙占比较小，所以采用平原地区系数0.02。

3.2 数据获取

3.2.1 沉积泥沙

为了保持河道及沟渠通畅，减少因河道淤积造成的洪涝风险，大部分市(县)都采取了定期疏浚措施。根据疏浚工程数据，可根据河长、河底宽度和平均淤积深度应用以下公式计算河道淤积土方量：

Vs=L×H×D(3)

式中：L为河道长度，m;H为河道淤积深度，m;D为河道平均底宽，m。对于无工程数据地区，可以通过测量河流断面的横截面积、泥沙的淤积深度计算河流泥沙含量。

河底淤泥容重的测定通常通过实验烘干的方法进行，本研究使用淤泥取样器获取淤泥样本，取样深度范围为河底0～0.5 m。

通常，河底淤泥除沉积泥沙外还含有其他杂质，因此利用折算系数K计算淤泥中泥土的质量，而折算系数可以通过试验得到，对淤泥样品进行烘干、称重、加水过滤、再次烘干并称重的方法，测得杂质所占土壤重量的百分比，从而得到折算系数。

3.2.2 悬移质泥沙

悬移质是指在水流中由于受到重力和水流紊动作用而被悬浮并被运输的细小土颗粒，部分泥沙经过紊流的作用，以悬浮的形式存在于水中，其数量与河流的水量紧密相关。

河道流速存在波动，因此在使用横式采样器进行取样时，多次取样测量并求平均值，有助于减小流速脉动对测量准确性的干扰。如果河道上有水文站并有河流含沙量的实测数据，可以直接利用该数据。当没有水文站或者试验取样困难时，可以根据经验公式推算悬移质的含沙量。

流域某1a的年径流量是指该流域在该年内所有降雨事件对径流的总贡献。如果有流域实测径流数据，可以计算得到年径流量。如果无法获得研究流域的数据，可以参考类似流域的相关数据来推导所需的数据资料。

3.2.3 推移质泥沙

对于粒径较大的泥沙颗粒，在水流作用下，其将以滚动、层移的方式，在靠近河床的地方进行移动，这种运动的形式类似于沙波。根据艾里定律，河床上运动的颗粒物质的质量与水流速度的六次方成正比，但颗粒物质的速度远远小于水的速度。

推移质泥沙含沙量的确定方法与悬移质类似，利用推移质泥沙采样器直接在河底取样，并进行试验测定。其含沙量也可以通过颗粒级配曲线进行估计。考虑到不同启动流速下，推移质与悬移质泥沙可以互相转化，本研究采用比值法依据悬移质含沙量估算推移质的含沙量。

3.3 盲数运算

河流系统受多种因素的影响，且影响可能同时存在，因此其泥沙含量在这些影响下呈现出不确定性，无法得到特定条件下的确切值。而盲数理论可以用来处理此类问题，该理论中，不确定的信息被定义为盲参数，并参与相关计算[8]。

利用盲数理论，可以定义包含不确定性的参数取值灰区间为ai(i= 1,2…n),对应的可信度为αi,将可能值区间ai构成的区间型灰数集合记作p(I),如果αi∈[0,1],则f(x)为定义在p(I)上的灰函数，有：

将影响河流含沙量的因素包括悬移质泥沙的含沙量、河道流量、淤泥容重和河流沉积泥沙体积进行盲信息化处理，可以得到：

式中：Φ为对应参数的盲数，中括号内为各参数的可能值区间。代入公式(1),河流泥沙含量的盲数Φ(W)可以表示为：

表明河道的泥沙含量包含多个灰区间。

定义河流悬移质泥沙含量盲数为Φ(M),沉积质盲数为Φ(N),有Φ(W) = Φ(M)+Φ(N)。由于盲数Φ(W)的阶数较高，因此在在计算河流泥沙含量盲数均值时，分别计算河流悬移质泥沙含量均质EM和沉积泥沙含量的均值EN,再利用盲数运算法则，计算河流泥沙含量均值EW:

EW=EM+EN(7)

4、方法应用

4.1 基本数据

经实地走访调查和试验取样，该地区河道淤积现象较为严重，以选择其中8条河道作为研究对象，河道的原设计标准及现状淤积情况见表2。

表2河道现状表

在8条河道各取三组样品，共计24组土样于实验室中进行折算系数测定，最终得到平均折算系数为0.88。

4.2 盲数计算

以B河为例，可以根据得到的河流含沙量、流量、淤泥体积、容重参数来进行排序，并根据分布情况对区间进行划分。用各区间数据个数占总数据个数的比值来表示可信度，从而得到以下各参数可信度表见表3。

表3盲数区间可信度表

根据盲数计算原理计算悬移质盲数Φ(M)的可能值带边矩阵及可信度带边矩阵。将得到的可能值带边矩阵按照升序排列，同时列出对应盲数的可信度数值，得到表4。计算得到可信度为1时，悬移质的质量为421.21 kg。

表4盲数Φ(M)可能值及对应可信度

同理，计算沉积质盲数Φ(N)的可能值及对应可信度见表5,可信度为1时，沉积泥沙的质量为49497.32 kg。

表5盲数Φ(N)可能值及对应可信度

分别每个灰区间取均值后进行求和，并计算河流泥沙含量对应的可能值带边矩阵及可信度带边矩阵，得到可信度为1时，古盐河河流泥沙含量的可能取值区间为[24277.93,26033.35],单位为t。

对另外7条河流重复上述过程，最终可以得到当地淤积河道河流泥沙总量的取值区间为[121389.65,130166.75],根据当地面积508.15 km2,进一步计算得到水土流失速率的取值区间为[133.40,143.94],单位为t/(km2·a)。

4.3 结果讨论

根据当地试验区数据，2.2 km2试验区每天土壤流失量为496.83 kg, 经过计算得出土壤侵蚀模数为181.34 t/(km2·a),然而文章计算得到的水土流失速率的取值范围为[133.40,143.94],小于土壤侵蚀模数。计算水土流失速率时，仅考虑了土壤侵蚀量中流入河道的部分，而未考虑在风力等因素作用下，仍存留在坡面浅沟、凹地上沉积量以及被地表植被阻拦的滞留量，因此计算得到的水土流失速率理应小于土壤侵蚀量，计算结果具有可信度。

5、结论

本研究围绕流入河流的土壤侵蚀量作为地区水土流失量评价指标，构建了平原沙土区水土流失测算的方法，并利用盲数计算水土流失的取值区间。应用本方法，计算得到该地区水土流失速率为133.40～143.94 t/(km2·a),小于土壤侵蚀模数，属于微度侵蚀状态。研究相关方法，可以为水土流失评估提供借鉴。

参考文献:

[1]刘美龄.河道整治工程水土流失预测和防治研究[J].黑龙江水利科技,2023,51(10):142-144,148.

[2]李玲霞,张凤嵋.城镇化背景下的人为水土流失控制与监管的思考[J].海河水利,2014(02):25-28.

[3]赵培,何炳华.我国省域水土流失面积变化与影响因素关系的动态分析[J].中国水土保持,2018(03):31-34.

[4]冉四清.江苏沿海低山丘陵区水土流失发展态势与对策研究[J].江苏水利,2016(02):68-72.

[5]邹碧莹,丁美,籍春蕾,等.江苏省丘陵山区及平原沙土区水土流失综合治理及效益评估研究[J].水土保持通报,2012,32(01):156-160,180.

[6]代梦梦,梁音,童建,等.江苏省水土保持率阈值研究[J].江苏水利,2022(10):1-5,9.

[7]渠立,陈菲菲,方圆,等.不同降雨模式对径流和土壤侵蚀的影响研究[J].地下水,2023,45(05):219-220,269.

[8]李根.基于盲数运算法土壤侵蚀模数计算研究[J].水利技术监督,2019(04):205-208,244.

文章来源:张华.基于盲数运算的某平原沙土区水土流失测算[J].黑龙江水利科技,2024,52(11):58-61.