一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法及其應用，運用徑流小區、劃油漆、打樁、核素示蹤等方法研究巖溶槽谷區水土流失特征、機理以及地下漏失規律，結合地下河泥沙監測，得到大尺度以及小尺度地表水土流失和地下漏失比例，再以劉寶元水土流失模型為依據，構建巖溶槽谷區水土流失耦合模型。該模型為有效治理巖溶地區地下河水污染提供必要參考，為準確計算地表和地下土壤侵蝕量提供科學依據，為正確判定土壤侵蝕強度、治理水土流失和石漠化問題提供可靠保障，有利于人們治理脆弱的巖溶環境，保持該地區生態經濟可持續發展；同時也為防治三峽庫區水污染、三峽庫區泥沙沉積提供有價值的科學依據。
【專利說明】一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于水土流失防治【技術領域】，尤其涉及一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法及其應用。
【背景技術】
[0002]中國巖溶廣泛發育，按碳酸鹽巖出露面積計，有90.7萬km2。其中，中國西南巖溶地區是“世界上最大的喀斯特連續帶”，面積約50萬km2。碳酸鹽巖成土物質的先天不足，使巖溶地區成土速度十分緩慢，在沒有植被保護情況下，幾場大雨就有可能流失殆盡，形成巖溶石漠化。要有效防治石漠化發生，必須弄清巖溶地區水土流失特征及機理。
[0003]巖溶地區由于特殊的巖性,發育地表地下雙層巖溶結構，基巖大片裸露，土被不連續，異質性高，裂隙、落水洞和地下暗河發育。巖溶地區因為存在地下化學溶蝕，地表土壤會出現土壤沉陷現象，所以巖溶地區水土流失存在地表流失和地下漏失，這也是區分非巖溶地區的關鍵點(如圖1所示)。土壤地下漏失是指喀斯特地下水溶蝕形成的孔洞和孔隙，被上覆土壤通過蠕滑和錯落等重力侵蝕方式充填，造成坡地地面土壤、土壤母質及其它地面組成物質如巖屑、松散巖層等沿溶溝、溶槽、洼地和巖石縫隙內的土壤沉陷，進入地下管道和地下河。土壤地表流失是指土壤在水力、風力、凍融、重力以及其它外營力作用下，地面土壤、土壤母質及其它地面組成物質被破壞、剝蝕、運轉、沉積的過程和通過落水洞、豎井進入地下河。
[0004]隨著對巖溶地區水土流失認識的不斷深入，一些學者將巖溶地區水土流失研究拓展到地表和地下研究。但是，這些研究大多是從宏觀或者理論上對地下流失進行了闡述或直接應用。通過野外觀測，巖溶作用對地下水土流失的研究鮮見報道。巖溶地區地下水土流失研究少的主要原因，是地下水土流失難以定量檢測，導致人們對巖溶地區水土流失特征了解不清，水土流失機理認識不夠，從而阻礙了人們對巖溶地區水土流失的治理。
[0005]要弄清楚巖溶地區水土流失特征及機理，必須弄清楚巖溶地區地下水土漏失。目前巖溶地區的土壤漏失研究主要集中在貴州、廣西等地。巖溶地區的地下漏失與巖溶裂隙發育程度關系很大，而裂隙發育受地質構造、巖性、植被、水文等多重因素的影響，巖溶地區區域不同，土壤漏失差異很大。有人指出純碳酸鹽巖原始山地地下流失比例達80%，而碳酸鹽巖原始山地和碳酸鹽巖非原始山地地下流失比例很低。重慶巖溶槽谷區最初背斜形成時，上覆須家河組砂巖，下覆巖層依次是雷口坡組、嘉陵江組以及飛仙關組碳酸鹽巖。當上覆砂巖被剝蝕后，其下部灰巖裸露，經長期雨水及兩翼砂巖外源水的溶蝕形成核部的巖溶槽谷。并在槽谷中形成洼地、谷地、落水洞等巖溶形態，在槽谷下部灰巖中發育地下河。在槽谷中裸露的基巖上常有溶痕、溶溝、溶隙等巖溶形態現象存在。如圖2和3所示，重慶巖溶槽谷區現在背斜軸部出露的地層為三疊系下統嘉陵江組(Tlj)厚層塊狀灰巖、白云巖、白云質灰巖夾角礫狀灰巖，構造裂隙極為發育，有時飛仙關組灰巖夾頁巖出露。背斜兩翼為三疊系中統雷口坡組(T21)白云質灰巖、白云巖及泥灰巖，夾角礫狀灰巖及灰綠、黃綠色頁巖和三疊系上統須家河組(T3xj)長石石英砂巖、泥質粉砂巖、泥巖并夾有煤系,巖層產狀較平緩，但由于巖層相對難以溶蝕，地表上表現為嶺脊山地，從而形成所謂的“一山二嶺一槽”或“一山三嶺兩槽”巖溶地貌景觀。
[0006]巖溶槽谷不僅是重慶地區普遍存在的一種地貌類型，也是生活在這個區域的人們進行農事活動的場所。如果不弄清楚巖溶槽谷區水土流失特征和機理，不建立巖溶地區水土流失耦合模型，就不能正確計算槽谷區地表水土流失量和地下土壤漏失量，無法正確指導人們在這個區域進行農業生產活動，勢必加劇該區域的水土流失和石漠化進程，使依附該地區生活的人們逐漸失去生存的根基和能力。
[0007]為了解決這些科學問題，有必要在重慶巖溶槽谷區修建徑流小區，開展水土流失研究工作。三峽庫區重慶段巖溶面積所占比例達34.71%，研究重慶巖溶地區的水土流失，不僅有利于該地區生態經濟可持續發展，還有利于研究在這種巖性背景下，水土流失和土壤漏失對三峽庫區的影響。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法及其應用，旨在解決現有巖溶地區水土流失耦合模型不能正確計算槽谷區地表水土流失量和地下土壤漏失量的問題。
[0009]本發明是這樣實現的，一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，包括以下步驟:
[0010]S1、在野外布置徑流場，運用野外觀測和野外人工模擬降雨，測定各影響因素對水土流失的影響；通過觀測徑流量、次降雨侵蝕速率、泥沙量、入滲量、土壤含水量和抗剪強度變化，得到各影響因素與水土流失的定量關系；
[0011]S2、研究巖溶槽谷區土壤地表流失和地下漏失比例；通過徑流場觀測、巖溶槽谷所在流域范圍觀測，結合地下河泥沙監測，得到大、小兩個尺度地表水土流失和地下漏失比例；
[0012]S3、根據所述各影響因素與水土流失的定量關系以及所述大、小兩個尺度地表水土流失和地下漏失比例，構建巖溶槽谷區水土流失耦合模型。
[0013]優選地，在步驟SI中，所述在野外布置徑流場的方法包括以下步驟:采用人工模擬降雨的方式，選擇自然界不同巖溶裂隙發育程度，不同土地利用類型，修建若干簡易徑流場，徑流場三邊砌磚并用水泥抹面，下方放置集水桶收集每次降雨產生的徑流和泥沙。
[0014]優選地，在步驟SI中，所述影響因素包括土地利用類型、降雨特征、地表植被覆蓋度、巖石裸露率、巖溶裂隙發育程度、地形位置、土壤濕度。
[0015]優選地，在步驟SI中，所述徑流量的監測以次降雨進行監測，通過記錄水桶的水深度以及水桶的面積，得到次降雨產生的徑流量；每次徑流水量采集前，將水桶內的水泥充分攪拌均勻，取500ml泥水混合液，通過0.45um濾膜，濾膜烘干后稱重，通過兩次濾膜重量相減，計算得到所述泥沙量M，其中，泥沙流失量(g/m2)=徑流量(L/m2) XM(mg/L) X1/1000。
[0016]優選地，在步驟SI中，所述侵蝕速率采用137Cs和7Be測量；所述土壤含水量采用烘干法測定；所述入滲量采用雙滲透環法測定；所述抗剪強度采用VanetesterH-60型現場抗剪儀測定。[0017]優選地，在步驟S2中，小尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的確定包括以下步驟:在選定若干徑流場境內采用傳統的打樁、劃油漆方法檢測徑流場內總土壤流失量，同時在相應的徑流池中檢測地表土壤流失量，將所述總土壤流失量與地表土壤流失量相減，得到小尺度徑流場地下土壤漏失量，從而得到小尺度地表和地下漏失比例。
[0018]優選地，在步驟S2中，大尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的確定包括以下步驟: [0019]在選定巖溶槽谷流域范圍內，按照不同土地利用類型采集表層土樣，通過測試137Cs^210Pb質量比活度，取不同土地利用類型137Cs、21°Pb質量比活度的平均值，利用各土地類型面積比例、侵蝕模數，通過加權計算得出土壤表層土樣137Cs、21°Pb質量比活度含量；
[0020]根據地表土壤和地下河淤泥137Cs、21°Pb質量比活度，通過配比法得出地表和地下漏失比例。
[0021]優選地，在步驟S2中，大尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的驗證包括以下步驟:在選定巖溶槽谷地下河用濁度儀進行泥沙監測，得到地下河泥沙流失量，再根據地表各土地利用類型監測的地表流失量，推算地表和地下流失比例。
[0022]優選地，在步驟S3中，所述巖溶槽谷區水土流失耦合模型用函數定義為:
【權利要求】
1.一種巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于包括以下步驟: 51、在野外布置徑流場，運用野外觀測和野外人工模擬降雨，測定各影響因素對水土流失的影響；通過觀測徑流量、次降雨侵蝕速率、泥沙量、入滲量、土壤含水量和抗剪強度變化，得到各影響因素與水土流失的定量關系； 52、研究巖溶槽谷區土壤地表流失和地下漏失比例；通過徑流場觀測、巖溶槽谷所在流域范圍觀測，結合地下河泥沙監測，得到大、小兩個尺度地表水土流失和地下漏失比例； 53、根據所述各影響因素與水土流失的定量關系以及所述大、小兩個尺度地表水土流失和地下漏失比例，構建巖溶槽谷區水土流失耦合模型。
2.如權利要求1所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟SI中，所述在野外布置徑流場的方法包括以下步驟:采用人工模擬降雨的方式，選擇自然界不同巖溶裂隙發育程度，不同土地利用類型，修建若干簡易徑流場，徑流場三邊砌磚并用水泥抹面，下方放置集水桶收集每次降雨產生的徑流和泥沙。
3.如權利要求2所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟SI中，所述影響因素包括土地利用類型、降雨特征、地表植被覆蓋度、巖石裸露率、巖溶裂隙發育程度、地形位置、土壤濕度。
4.如權利要求3所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟SI中，所述徑流量的監測以次降雨進行監測，通過記錄水桶的水深度以及水桶的面積，得到次降雨產生的徑流量；每次徑流水量采集前，將水桶內的水泥充分攪拌均勻，取500ml泥水混合液，通過0.45um濾 膜，濾膜烘干后稱重，通過兩次濾膜重量相減，計算得到所述泥沙量M，其中，泥沙流失量(g/m2)=徑流量(L/m2) XM(mg/L) X 1/1000。
5.如權利要求4所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟SI中，所述侵蝕速率采用137Cs和7Be測量； 所述土壤含水量采用烘干法測定； 所述入滲量采用雙滲透環法測定； 所述抗剪強度采用VanetesterH-60型現場抗剪儀測定。
6.如權利要求1所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟S2中，小尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的確定包括以下步驟:在選定若干徑流場境內采用傳統的打樁、劃油漆方法檢測徑流場內總土壤流失量，同時在相應的徑流池中檢測地表土壤流失量，將所述總土壤流失量與地表土壤流失量相減，得到小尺度徑流場地下土壤漏失量，從而得到小尺度地表和地下漏失比例。
7.如權利要求1所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟S2中，大尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的確定包括以下步驟: 在選定巖溶槽谷流域范圍內，按照不同土地利用類型采集表層土樣，通過測試137Cs、21°Pb質量比活度，取不同土地利用類型137Cs、21°Pb質量比活度的平均值，利用各土地類型面積比例、侵蝕模數，通過加權計算得出土壤表層土樣137Cs、21°Pb質量比活度含量； 根據地表土壤和地下河淤泥137Cs、21°Pb質量比活度，通過配比法得出地表和地下漏失比例。
8.如權利要求1所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟S2中，大尺度地表水土流失和地下漏失比例關系的驗證包括以下步驟:在選定巖溶槽谷地下河用濁度儀進行泥沙監測，得到地下河泥沙流失量，再根據地表各土地利用類型監測的地表流失量，推算地表和地下流失比例。
9.如權利要求1所述的巖溶地區水土流失耦合模型的構建方法，其特征在于，在步驟S3中，所述巖溶槽谷區水土流失耦合模型用函數定義為: Y = W+W' (I)；
W = ARKDlsBET (1-a) (2)； /r=^x(1-CV)(3); 式(I)中，Y表示巖溶地區總侵蝕量，W代表地表侵蝕量，W’代表地下土壤侵蝕量； 式(2)中，A是調節系數，a是指巖石裸露率，R是降雨侵蝕力，K 土壤可蝕性因子，Dls是坡度、坡長因子，B是生物措施因子，E工程措施因子，T耕作措施因子；A = B1XB2, B1是指巖溶地區與非巖溶地區水土流失的地表徑流系數比值，B2是指巖溶地區與非巖溶地區年度產生土壤侵蝕的降雨量次數比值； 式(3)中，δ表示巖溶地區地表侵蝕比例，1-δ表示巖溶地區地下侵蝕比例。
10.權利要求1~9任一項所述的巖溶地區水土流失耦合模型在治理巖溶地區地下河水污染、治理水土流失 、石漠化方面的應用。
【文檔編號】G01N33/24GK104007248SQ201410230343
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】魏興萍, 蘇程烜 申請人:重慶師范大學