王文龙等：生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型构建

(1) 基本形式USLE模型表达为：

最终确定生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型基本形式，计算公式为:

(2) 工程堆积体标准小区及因子定义

考虑室内试验装置的可操作性及安全性，结合野外工程堆积体实际情况，确定工程堆积体标准小区的坡度为 25°，坡长为4.53 m(25°条件下斜坡长为5 m)。基于前期研究，重新明确生产建设项目工程堆积体标准小区和各因子定义。

生产建设项目工程堆积体标准小区：坡度为 25°，坡长为4.53 m，在人力及机械等外力作用下形成的裸露松散土石混合介质坡面。

坡度因子 S ：坡度因子指在工程堆积体标准小区条件下，实际坡度条件下产生的流失量与坡度为25°的工程堆积体产生的侵蚀量之比。

坡长因子 L ：坡长因子指在工程堆积体标准小区条件下，实际坡长条件下产生的流失量与坡长为4.53 m的工程堆积体产生的侵蚀量之比。

土石质因子 T ：为在标准小区试验条件下 (坡度为25°，坡长为4.53 m)，单位降雨侵蚀力产生的堆积体侵蚀量，通过计算侵蚀量(A)与侵蚀影响因子乘积(RLS)之比得到。

降雨侵蚀力因子 R ： R 定义与USLE保持一致，指由降雨导致的侵蚀下垫面发生侵蚀的潜力，该因子主要与降雨时长、降雨强度及降雨量相关。

(1)试验设计

模拟降雨试验设计4个坡度(15°，25°，30°和35°)，斜坡长设置为3，5，6.5，12m(在25°条件下的投影坡长为2.72，4.53，5.89，10.88 m)。基于野外大量的调查统计表明，堆积体坡面以土石混合介质为主，且砾石质量分数集中在0%~40%的占比超过 90%，砾石粒径分布范围集中在10~36 mm，单个砾石的粒径只有在D>10 mm才呈现出明显的重力分选现象，且堆积体土石混合介质中的砾石并非是单一粒径组成，而是由多粒径组合而成。因此，试验砾石为机械碎石分选获取，以砾石能被搬运作为依据，确定粒径D<14 mm，14 mm<D<25 mm，25 mm <D<50 mm3级，不同粒径的质量百分比为3∶5∶2，混合后的砾石与土壤充分混合形成堆积体土石混合介质。试验用土采用砂土、壤土、黏土3种类型，与配置好的砾石按照不同质量配比配置。

(2)数据标准化处理

接取不同降雨强度及不同工况下工程堆积体产沙，测定次降雨产沙量。为使各组试验数据能够有效进行叠加及对比分析，各场次降雨试验计算的侵蚀量均换算为单位投影面积上的侵蚀量。

由表1可知，4种坡长因子 L 值分别为0.63，1.00，1.11，1.38。拟合坡长因子 L 与实际坡长与标准小区坡长比值( λ /4.53)即为坡长因子 L 计算式。该研究提出的坡长因子 L 计算采用幂函数，得出幂函数指数为0.552。

由表2可知，4种坡度因子 S 分别为0.63，1.00，0.92，1.51。坡度因子值的计算是拟合坡度因子 S 与实际坡度与标准小区坡度比值( θ /25°)得到。该研究提出的坡度因子 S 计算采用幂函数，其指数为0.883。

(1)在计算土石质因子 T 值时，需要确定降雨侵蚀力 R 和坡度坡长因子 LS 。

降雨侵蚀力 R 。采用已有研究计算方法计算，具体为式(5)~(7)。

(2)地形因子 LS 计算。

根据式(3)和式(4)计算可得25°的坡度因子 S =0.966，坡长4.53 m的坡长因子 L =0.909，最终可计算得 LS =0.878。

(3)砂土土石质因子 T

在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下，获取砂土工程堆积体在砾石质量分数0%~30%下的侵蚀量 A 与侵蚀影响因子 B ，进而计算土石质因子 T ，结果见表3。

由图1可知，砂土工程堆积体在砾石质量分数为0%(纯土体)，10%，20%，30%时的土石质因子 T 分别为 0.0728，0.0520，0.0353，0.0300 t·hm ² ·h/ (hm ² ·MJ·mm)。含砾石堆积体的土石质因子均小于纯土堆积体，且随着砾石质量分数增大土石质因子 T 减小，递减幅度为28.57%~58.79%。

为计算任意砾石质量分数的砂土堆积体土石质因子 T 值，建立土石质因子 T 与砾石质量分数 Di 之间关系。

(4)壤土土石质因子 T

在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下，获取壤土工程堆积体在砾石质量分数0%~30%下的侵蚀量 A 与侵蚀影响因子 B ，结果见表4。

由图2可知，壤土工程堆积体在砾石质量分数为0%(纯土体)，10%，20%和30%时的土石质因子 T 分别为0.0259，0.0166，0.0141，0.0091 t·hm ² ·h/ (hm ² ·MJ·mm)。与砂土堆积体分析结果一致，含砾石堆积体的土石质因子均小于纯土堆积体，随着砾石质量分数增大土石质因子 T 减少35.91%~64.86%。

建立不同砾石质量分数下的黏土堆积体土石质因子 T 值与砾石质量分数 Di 之间的定量关系，可以计算得到任意砾石质量分数下的土石质因子T值。

(5)黏土土石质因子 T

相对于砂土和壤土，黏土具有颗粒粗、黏性强且易黏结等特性，使得径流在坡面入渗减少，加速径流产生并导致侵蚀发生提前。在生产建设项目工程堆积体标准小区条件下，获取黏土工程堆积体在砾石质量分数0~30%下的侵蚀量与侵蚀影响因子(表5)。

由图3可知，黏土工程堆积体在砾石质量分数为0%(纯土体)，10%，20%，30%时的土石质因子 T 分别为0.0201，0.0172，0.0129，0.0096 t·hm ² ·h/ (hm ² ·MJ·mm)。黏土堆积体随砾石质量分数增大，土石质因子 T 减少14.43%~52.24%。

为计算得到任意砾石质量分数下的土石质因子T值，构建土石质因子T与砾石质量分数Di的定量关系。

通过上述分析，确定生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀量预测模型，见式(11)。

由图4可知，模型对砂土和黏土堆积体侵蚀量预测值均高于实测值，而对壤土堆积体预测值低于实测值。对砂土、黏土、壤土、壤土砾石质量分数40%，50%的预测拟合方程 R ² 分别为0.82，0.83，0. 97，0.99。模型对壤土大砾石质量分数及黏土堆积体的拟合效果较砂土和壤土堆积体拟合效果好，但方程经检验均有效，可用于生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀量的预测。

由图5可知，利用模型计算得到的预测值与实测值之间均存在较好的线性拟合关系( R ² >0.90)，其中，针对陕西不含砾石堆积体的5场预测结果与实测值之间的平均误差为8.19%，对四川完成的14场不同砾石质量分数(3%~75%)堆积体的预测结果与实测值之间的平均误差为15.37%。

《水土保持学报》创刊于1987年，由中国科学院主管，中国土壤学会、中国科学院水利部水土保持研究所联合主办。传播水土保持和土壤侵蚀等方面学术性、实用性和创新性的科研成果。入选中国最具国际影响力学术期刊，荣获中国精品科技期刊、全国百种杰出学术期刊奖、第三届国家期刊奖、陕西省三秦卓越科技期刊、陕西省精品科技期刊、RCCSE中国权威学术期刊等多个奖项。被中国科学引文数据库(CSCD)、中国引文数据库( CNKI)、美国农业文献书目数据库(AGRICOLA) 、英国国际农业与生物科学研究中心(CABI) 、日本科学技术振兴机构数据库(JST) 等多种国内外权威性数据库和评价体系定为刊源收录。