水利工程論文-次降雨侵蝕量的計算.doc

水利工程論文-次降雨侵蝕量的計算摘要：用最大30分鐘雨強(I30)、徑流量(Q)或者坡度(S)建立侵蝕量(Qs)的單因子或多因子方程。用內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟五分地溝、五不進溝及河北省張家口市的坡度小區(qū)觀測資料進行計算，比較其效果。結(jié)果表明：Qs=kQmSn和Qs=kQm(坡度一定時)用來計算次降雨侵蝕量較好；用I30代替以上方程中Q的結(jié)果不理想。關(guān)鍵詞：雨強徑流量侵蝕量坡度影響侵蝕量的因素很多，如降雨情況、地形(坡度、坡長、坡形)、地面狀況(植被、土壤性質(zhì))等。在建立侵蝕量的方程時，常用的變量是降雨強度、坡度、坡長、植被覆蓋度、徑流量等。有用單因素的1，2，有用雙因子的以至多因素的3，4。多引進變量一般能提高預(yù)測精度，但資料的收集也更為困難。以內(nèi)蒙古伊克昭盟五分地溝、五不進溝及河北張家口坡度小區(qū)的觀測資料為基礎(chǔ)，本文旨在選擇一種較好的計算次降雨侵蝕量的方法。1試驗區(qū)基本情況張家口試驗小區(qū)位于張家口市郊沈家屯鎮(zhèn)馬家溝流域郭家梁試驗場西南坡耕地上，東經(jīng)11450，北緯4047，海拔822m，土壤為黃土。張家口屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量400mm，其中80%90%集中在79月份。試驗場內(nèi)共設(shè)7個試驗小區(qū)，由坡度9的耕地通過簡單的填挖方，改為坡度試驗小區(qū)，坡度分別為0、5、10、15、20、25、30。小區(qū)面積均為10m2。小區(qū)邊界用混凝土板圍成，下部有集水池。小區(qū)常年休耕，耕層土質(zhì)為粉質(zhì)沙壤土，各小區(qū)的土壤粒度組成以及有機質(zhì)含量見表1。表1張家口試驗小區(qū)土壤性質(zhì)分析SoilpropertiesofrunoffplotsatZhangjiakougully粒度組成(%)有機質(zhì)含量小區(qū)坡度砂粒粉粒粘粒(%)2537.550.012.50.5331044.845.211.00.5741541.549.09.50.6652038.052.59.50.5562532.555.711.80.4373044.549.06.50.38五分地溝和五不進溝位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)。準(zhǔn)格爾旗屬于中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6.28.7，從西北向東南逐步升高。全年降水少而集中，多集中在79月。降雨年際變化大，最低年份僅143.5mm，最高年份為636.5mm，平均400mm。分地溝小區(qū)坡度分別為6、9、12、15，小區(qū)面積50m2。土壤為黃土，地表無植被覆蓋。五不進溝小區(qū)坡度為9、12、15、17、20，小區(qū)面積50m2。地表物質(zhì)為砒砂巖，無植被覆蓋。天然降雨觀測是每次降雨后，測集水池中水位，取水沙樣。然后將水沙樣過濾，烘干，稱重。最后計算含沙量、徑流量、侵蝕量。2觀測結(jié)果2.1雨強在地表狀況變化不大時，降雨因素就成為侵蝕量的決定因子。在黃土高原，次降雨降雨量與侵蝕量相關(guān)性差，與降雨強度則存在很好的相關(guān)關(guān)系。陳永宗、王萬忠、蔡強國等發(fā)現(xiàn)，黃土高原坡面次降雨流失量與最大30分鐘降雨強度的相關(guān)性最好57。因此，在有雨強資料的五不進溝、五分地溝試驗地，用每個徑流小區(qū)的次降雨最大30min雨強與侵蝕量作回歸運算，方程形式為Qs=kIm30(1)Qs=kI30+c(2)式中s是侵蝕量(kg),I30是最大30分鐘雨強(mm/30min),k,m,c是常數(shù)。方程(1)是取對數(shù)后運算的，即lgQs=lgk+mlgI30以下冪函數(shù)方程都是這樣計算的，方程(1)的結(jié)果見表2、表3。表2五不進溝侵蝕量與最大30分鐘雨強回歸方程Equationsforsoillossbasedonrainfallintensity(I30)inWubujingougully方程坡度主程R2次數(shù)顯著性Qs=kIm309Qs=0.0018I3.21300.6713非常顯著12Qs=0.0097I2.70300.5112非常顯著15Qs=0.0108I2.77300.2712不顯著17Qs=0.0009I3.69300.7713非常顯著20Qs=0.005I3.97300.6313非常顯著Qs=kI30+c9Qs=1.27I30-6.660.7313非常顯著12Qs=2.31I30-11.590.4112不顯著15Qs=3.77I30-19.370.6912非常顯著17Qs=4.89I30-28.810.2913不顯著20Qs=19.86I30-94.450.7813非常顯著注：顯著、不顯著指在0.05水平檢驗的結(jié)果，非常顯著指在0.01水平下顯著，下同。方程(1)中m值與坡度的關(guān)系不明顯，k值則隨坡度增大。五不進溝17小區(qū)方程Qs=kIm30中k值異常，經(jīng)計算，年侵蝕量17小區(qū)略小于15小區(qū)，可能是因為17小區(qū)土壤性質(zhì)與其它小區(qū)有差別。表3五分地溝侵蝕量與最大30分鐘雨強回歸方程Equationsforsoillossbasedonrainfallintensity(I30)inWubujingougully方程形式坡度方程R2次數(shù)檢驗結(jié)果Qs=kIm306Qs=0.16I1.34300.619顯著9Qs=0.22I1.61300.929非常顯著12Qs=0.86I0.96300.599顯著15Qs=0.95I1.29300.729非常顯著Qs=kI30+c6Qs=0.86I30-4.520.649顯著9Qs=1.75I30-7.640.929非常顯著12Qs=1.00I30-1.920.719非常顯著15Qs=3.41I30-13.950.819非常顯著2.2徑流量研究表明，徑流量與侵蝕量有著較好的相關(guān)關(guān)系。在一次模擬降雨實驗過程中，累計徑流量與侵蝕量線性回歸結(jié)果很好8,9。更多的是建立侵蝕量與徑流量的冪函數(shù)方程10,11，經(jīng)計算，觀測資料用這種方程的效果較好(表4)。Qs=kQm(3)式中Q是徑流量(m3)。表4侵蝕量與徑流量回歸方程Equationsforsoillossbasedonrunoff(Q)地點坡度方程R2次數(shù)顯著性9Qs=94.30Q1.680.8513非常顯著12Qs=123.06Q1.640.8412非常顯著五不進溝15Qs=562.73Q2.130.7212非常顯著17Qs=56.42Q1.510.5513非常顯著20Qs=1002.07Q1.890.8613非常顯著6Qs=9.89Q0.7970.659非常顯著五分地溝9Qs=36.12Q0.8860.639非常顯著12Qs=19.65Q0.6290.789非常顯著15Qs=56.77Q0.7290.749非常顯著0Qs=1.49Q0.5450.4828非常顯著5Qs=7.25Q0.7470.7529非常顯著10Qs=11.99Q0.7580.7728非常顯著張家口15Qs=18.08Q0.8480.7829非常顯著20Qs=19.36Q0.8450.6529非常顯著25Qs=27.54Q0.8500.7029非常顯著30Qs=29.36Q0.7820.6629非常顯著各小區(qū)方程回歸結(jié)果都非常顯著，其中m與坡度的關(guān)系不明顯，k值隨坡度增大。五不進溝17與五分地溝12小區(qū)k值異常，理由如論述。由于徑流量與雨強存在較好的相關(guān)關(guān)系，兩者結(jié)合起來用來計算侵蝕量的結(jié)果不理想。2.3坡度關(guān)于多年平均侵蝕量與坡度的關(guān)系研究很多，而次降雨侵蝕量與坡度的單因子回歸方程結(jié)果不顯著。當(dāng)坡度與徑流量、雨強等因素結(jié)合，用來計算次降雨侵蝕量，效果就會變好(方程(4)、(5)、(6)，結(jié)果見表5。Qs=kQmSn12(4)Qs=kIm30Sn(5)Qs=kQmSnIp304(6)式中S是坡度因子，以正切表示，n,p是常數(shù)。表5多元回歸方程Soillossequationsbasedonrunoff(Q)、slope(S)andrainfallintensity(I30)地點方程R2次數(shù)檢驗結(jié)果五不進溝Qs=98.49Q1.41S1.73I1.10300.7663非常顯著Qs=1813.43Q1.77S1.580.7463非常顯著Qs=0.09I3.3030S2.320.5663非常顯著五分地溝Qs=31.32Q0.32S1.64I0.86300.8036非常顯著Qs=475.95Q0.72S1.720.7436非常顯著Qs=6.43I1.3030S1.580.7836非常顯著張家口Qs=35.06Q0.80S0.570.73173非常顯著注：張家口0小區(qū)未參與運算。3討論3.1方程的選擇方程選擇的標(biāo)準(zhǔn)主要是回歸方程的R值。3.1.1單因子方程指坡度或坡長等因素一定時，所建立的侵蝕量與某一變量的方程，本文指就每個徑流小區(qū)建立的方程。將各回歸方程的R2按各地計算均值及均方差，結(jié)果見表6。表6R2均值及均方差A(yù)verageR2andsquarerootsoftheirvariances地點方程R2平均值R2均方差Qs=kQm0.770.13五不進溝Qs=kIm0.570.19Qs=kI+c0.580.22Qs=kQm0.700.07五分地溝Qs=kIm0.710.15Qs=kI+c0.770.12張家口Qs=kQm0.690.11從表6及表2、表3可知，方程Qs=kIm30和Qs=kI30+c結(jié)果則從不顯著到非常顯著都有，R2值變化很大，前者R2值小一些，但均方差也小。而方程Qs=kQm各小區(qū)回歸結(jié)果都非常顯著(表4)，R2值變化較小，平均約0.7(表6)。因此，用徑流量計算侵蝕量最好。3.1.2雙因子以及三因子方程多因子回歸方程的結(jié)果(表5)都非常顯著，以R2為標(biāo)準(zhǔn)，方程(5)的結(jié)果差一些。方程(6)比方程(4)多引進一個變量，R2值略有增加，但計算量增大，且Q與I30本身相關(guān)。因此，方程(4)應(yīng)優(yōu)于(6)。將三地侵蝕量的對數(shù)的實測值與計算值(據(jù)方程(4)計算)作圖于圖1、圖2、圖3，實測值與計算值符合較好。從圖1可以看到，五不進溝17小區(qū)多數(shù)點計算值大于實測值。前已述及，年侵蝕量17小區(qū)略小于15小區(qū)。將17小區(qū)作為異常值去掉，用其它小區(qū)資料得出Qs=6760.83Q1.82S2.23R2=0.84n=50圖1五不進溝lgQs實測及計算值Observedandcalculatedva