不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响

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不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响

水土流失是当代最普遍的环境问题，它不仅制约着农业生产发展, 还会加速生态环境恶化。研

究坡面土壤侵蚀因子对定量预测土壤流失具有重要价值。 WISCHMEIER 等首次提出 EI30 作为

土壤侵蚀的影响因子，并在土壤流失方程 USLE 中得以应用。孙泉忠等研究表明降雨侵蚀力指

标在北方地区以 EI30 和EI10 为主，而南方地区则以 EI60 为主；吴光艳等研究表明 EI10 和

EI30 适用于不同降雨类型下降雨侵蚀力的计算；夏艳华等研究表明侵蚀模数与降雨侵蚀因子

PI30 相关性良好；王万忠等研究表明土壤流失与降雨特性单因子中的 15min 最大时段降雨强度

关系最密切；王治华等研究表明影响流域产沙的主导降雨特性为大于 4mm·h-1 的降雨量和平均

降雨强度；吴从林等研究表明最大 30min 雨强在多元回归方程中与土壤侵蚀量的回归效果最

佳；吴发启等研究表明降雨动能与侵蚀产沙为线性相关；王�u等研究表明最大瞬时雨强、坡

度及降雨量对产沙量影响显着；张晶晶等对影响坡面产沙的降雨因素排序为：降雨量＞雨强＞

最大雨强；李瑞等对降雨量和雨强与坡面产沙量进行回归分析表明降雨量与产沙量为极显着相

关；金雁海等研究表明土壤侵蚀量与次降雨雨强之间关系明显；朱湖根等研究表明雨强是影响

裸地土壤侵蚀的主要因子；管新建等通过人工模拟降雨，得出雨强与坡面产沙量的灰色关联度

最大。在土壤侵蚀与降雨特征的关系研究中，不同学者所选取的降雨影响因子也各不相同，造

成在实际应用中缺乏统一标准。而众多影响因素之间可能存在交互作用，如何选取影响土壤侵

蚀的主要因子，量化各个因子对土壤侵蚀的影响程度，对建立坡面水土流失预报模型和土壤侵

蚀的防治具有重要应用价值。

本研究通过野外径流小区试验研究坡面土壤侵蚀，在不考虑植被等其它因素影响的前提下，主

要探究不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响，选取降雨量 P 、平均雨强 I、瞬时最大雨

强IMAX 、最大 10min 雨强 I10 、最大 30 min 雨强 I30 、降雨动能 E 、降雨动能与最大 30min

雨强的乘积 EI30 、降雨量与平均雨强的乘积 PI 、降雨量与最大瞬时雨强的乘积 PIMAX、降雨

量与最大 10min 雨强的乘积 PI10 、降雨动能与最大 10min 雨强的乘积 EI10 、降雨量与最大

30min 雨强的乘积 PI30 和坡度 S 作为产沙量的影响因子。运用 SPSS 统计软件对产沙量与其影

响因子进行相关分析、因子分析和逐步回归分析，以期确定影响坡面侵蚀产沙的主要侵蚀因

子。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在沈阳农业大学水利学院综合试验基地的水土保持室外径流小区进行。试验区位于沈阳市

东陵区，北纬 41°44′ ，东经 123°27′ ，海拔44.7m 。属于半湿润温带大陆性气候, 年平均气温

80℃ 。年平均降水量 722mm，7 月降雨量最大，平均降水量 183mm，1 月最小，平均降水量

7mm 。试验用土为棕壤土，原土采集后过5mm×5mm 的筛子，去除石块、落叶等杂质。土样

按垂直坡面方向分层填土并用力压实，铺设时将土层之间坡面略整粗糙,使土层结合紧密以接近

原土体状态。将布设好的试验小区静置一冬季,使试验区内土样与自然状态下一致。

1.2 方法

室外径流小区水平投影长8m ，宽1m ，径流小区设计坡面为 5°，10°，15°，小区坡面为裸坡，

坡面布设完之后定期喷洒除草剂，防止植被对侵蚀量产生影响。径流小区四周边埂采用砖砌，

并用水泥砂浆抹面，径流小区底端设置三角堰型集水槽。采用接样桶收集坡面泥沙，降雨初

期，每隔 1min 接取沙样，当雨强和产流量较稳定时，每隔 5min 接取沙样。降雨结束后，将

接样桶内泥沙静止后倒出表层清液，泥沙烘干称取侵蚀产沙量。径流采用人工径流小区监测系

统收集，由水位传感器每隔 1min 自动收集各个坡面产流量。降雨量及降雨历时数据来自试验

场内自计雨量计，计量降雨量每增加1mm 经过的时间，从而计算出平均雨强、瞬时雨强、降

雨动能等降雨特征。小区布置完之后应避免人为扰动。选取侵蚀量(g) 为因变量Y, 选取降雨量

X1(mm) 、雨强 X2(mm·min-1) 、瞬时最大雨强 X3(mm·min-1) 、最大 10min 雨强 X4(mm·min-

1) 、最大 30min 雨强 X5(mm·min-1) 、降雨动能 X6(J·m-2) 、降雨动能与最大 30min 雨强的乘积

X7(J·mm·m-2·h-1) 、降雨量 P 与雨强 I 的乘积 X8(mm2·min-1) 、降雨量与最大瞬时雨强的乘积

X9(mm2·min-1) 、降雨量与最大 10min 雨强的乘积 X10(mm2·min-1) 、降雨动能与最大 10min 雨

强的乘积 X11(J·mm·m-2·h-1)、降雨量与最大 30min 雨强的乘积 X12(mm2·min-1) 和坡度 X13(°)

为自变量。

2 结果与分析

2.1 侵蚀性降雨等级分配特征

由表1 可知，根据降雨量划分的降雨强度等级标准，试验期内发生侵蚀性降雨共21 场次,其中

大暴雨2 场次，暴雨6 场次，大雨 11 场次，中雨 2 场次。试验期内大暴雨、暴雨、大雨共19

场次，占侵蚀降雨总场次的 90.48% ，降雨量 689.3mm ，占侵蚀降雨总量97.83% 。降雨历时

7702min, 占侵蚀降雨总历时的 97.83%，表明本次试验产生土壤侵蚀的降雨大部分为大雨、暴雨

和大暴雨。【表1】

2.2 侵蚀量与侵蚀因子的相关分析

由表2 可知，侵蚀量与 S、E、I10 在显着性水平 0.01 下显着相关，与 I30 和PI10 在显着性水

平0.05 下显着相关，表明侵蚀量可能受多种因素影响。由表3 可知，侵蚀因子之间的相关系

数值都较高，表明因子间存在较强的相关性。相关系数超过0.8 居多，有可能存在共线性，必

须剔除共线变量中不重要的影响因子，用少数几个综合指标代表众多具有相关性的影响因子，

应用因子分析对影响因子进行降维。【表2-3】

2.3 影响侵蚀量因素的因子分析

由表4 可知，按照设定的特征值大于 1 的原则，SPSS 提取 3 个因子替代原来 13 个降雨影响因

子。因子分析所得的 KMO 值为 0.759，Bartlett 球形检验统计量为 1924.957 ，显着性水平为

0.000 ，可以认为相关关系矩阵与单位矩阵有显着差异，因子分析结果有效。采用主成分分析

法提取 3 个因子时累计贡献率达到 91.2% ，说明前 3 个因子作为公共因子可以代表大部分原始

数据，损失只有8.2% ，该方法具有可行性。确定提取前 3 个因子为产沙量的公共影响因子。

由表5 可知，第1 个公共因子在 EI10、IMAX、E、EI30 上荷载系数都比较大，荷载系数都达

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摘要：

不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响水土流失是当代最普遍的环境问题，它不仅制约着农业生产发展,还会加速生态环境恶化。研究坡面土壤侵蚀因子对定量预测土壤流失具有重要价值。WISCHMEIER等首次提出EI30作为土壤侵蚀的影响因子，并在土壤流失方程USLE中得以应用。孙泉忠等研究表明降雨侵蚀力指标在北方地区以EI30和EI10为主，而南方地区则以EI60为主；吴光艳等研究表明EI10和EI30适用于不同降雨类型下降雨侵蚀力的计算；夏艳华等研究表明侵蚀模数与降雨侵蚀因子PI30相关性良好；王万忠等研究表明土壤流失与降雨特性单因子中的15min最大时段降雨强度关系最密切；王治华等研究表明影响流域产...

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