几种坡面土壤侵蚀测量方法的比较研究

丁文峰，张平仓，王爱娟，王一峰

(1.长江科学院水土保持研究所,武汉 430010；2.水利部水土保持监测中心,北京 100055)

几种坡面土壤侵蚀测量方法的比较研究

丁文峰1，张平仓1，王爱娟2，王一峰1

(1.长江科学院水土保持研究所,武汉 430010；2.水利部水土保持监测中心,北京 100055)

坡面侵蚀产沙信息的获取对土壤侵蚀预报模型开发和相关参数获取至关重要。采用如下方法:放水冲刷法和人工模拟降雨法,通过不同的放水流量、雨强,在5 m坡长坡面上利用REE示踪法；在4 m长坡面和3 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板法和坡面侵蚀沟量算法；在8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板和HDS3000高精度扫描仪测量法等,对不同空间尺度、不同侵蚀测量方法的测定结果进行了对比分析。结果表明:几种方法的测量精度高低依次为HDS3000扫描仪法＞REE示踪法＞地形测针板法＞侵蚀沟量测法；工作效率高低依次为HDS3000扫描仪法＞侵蚀沟量测法＞地形测针板法＞REE示踪法。在坡面侵蚀空间分布上几种方法都可实现,但精度各有不同,实际应用中应根据需求选用不同的测量方法。

坡面侵蚀；预报模型；土壤侵蚀测量方法；精度；空间分布

2015,32(11):14-18

1 研究背景

坡面作为侵蚀产沙的最基本单元,其侵蚀产沙信息的获取对土壤侵蚀预报模型开发和相关参数获取至关重要。

目前国际上主流的基于物理过程的土壤侵蚀预报模型中的参数,大多根据不同空间尺度的坡面实验或天然观测获取,因此,对坡面土壤侵蚀的研究一直是土壤侵蚀领域中的一个重要问题。但由于其空间尺度较小,如何准确、快速获取其土壤侵蚀信息成为一个难点。目前,常用的坡面侵蚀量测定方法主要有填土法、侵蚀沟体积计算法[1-2]、稀土元素(REE)示踪法[3-8]、地形测针板法[9]、三维激光扫描法等[10-12]。这些技术与方法的产生对于提高认识土壤侵蚀规律,解决侵蚀量在坡面上的分布等都起到了重要的作用。特别是激光扫描仪近年来开始在土壤侵蚀研究领域中得到应用,对被侵蚀土壤形态的微观变化过程进行高精度、实时监测,从形态变化的角度来研究探讨水土流失规律,已成为水土流失实验研究的重要方向之一[13-16]。

近年来,笔者对不同坡面土壤侵蚀研究方法开展了一些研究工作,对比了这些常规、高新技术在土壤侵蚀研究中的特点,本文就这几种技术方法在坡面土壤侵蚀研究中的特点进行分析,以期对坡面侵蚀产沙问题的研究有所帮助。

2 材料与方法

2.1 研究方法

根据目前坡面土壤侵蚀研究中常用的方法技术,本文主要选择HDS3000扫描仪法、REE示踪法、地形测针板法、侵蚀沟量测法4种测量方法进行研究。

研究对象分别为:5.0 m长的直形坡面,采用REE示踪法进行研究；4.0 m坡面和3.0 m沟坡组成的坡沟系统,采用地形测针板法和侵蚀沟量测法进行研究；8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统,主要采用HDS3000激光扫描仪法和地形测针板法进行研究。实验设计见图1和图2。

2.2 实验设计

实验采用放水冲刷法和人工模拟降雨法进行,实验土壤类型为黄土。其中,8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统采用人工模拟降雨法,另外2种研究对象均采用放水冲刷法进行。考虑到实验的实际需要,所有实验对象的填土厚度均保持在35 cm左右。

实验开始前,为了消除土壤前期含水量的不同给实验带来的影响,先在坡面上均匀地降一场小雨,并保证所有实验土槽上接受的雨量基本相同。实验开始后,待坡面完全产流时,记录实验土槽的产流时间,并开始采集土槽下端出口处的含沙量过程样本,为了准确反映实验过程中的侵蚀产沙变化,采样间隔时间都确定为1 min,并且采用全部收集的方式进行采样。整个实验过程持续20 min。REE示踪实验共分3个坡度(6°,9°,12°),5个流量(2.5,3.5,4.5,5.5,6.5 L/min)。坡沟系统实验(4.0 m坡面部分和3.0 m沟坡部分组成的坡沟系统)采用2个放水流量(5.2,7.2 L/min)进行实验,8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统采用的雨强为90 mm/min和105 mm/min。为了保证实验的精度,每场实验均连续重复2次。

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图1 坡沟系统Fig.1 Sketch of the experimental gully-slope system

图2 REE示踪法坡面布设示意图Fig.2 Layout of slope monitoring by using REE method

2.3 实验数据的处理方法

2.3.1 地形测针板法测量数据的处理

地形测针板法在测量时,先用水平仪检验测针板是否放置水平,然后通过测针在固定面板坐标纸上读数的变化来反映。测量坡面地形时,从坡沟系统的最下部开始,沿坡面向上每隔10 cm测量1次。在获取了坡面上任意一点的相对高程值后,就可以利用空间插值的方法生成坡面三维地形数据。最后根据实验坡面在放水冲刷前后的三维体积变化,求出其空间任意一点实验前后体积的变化值。结合实验前土壤的重度,计算径流冲刷后的侵蚀量[9]。

2.3.2 侵蚀沟量算法数据的处理

用钢尺测量坡面细沟的宽、深时,其断面都按矩形考虑,因此,计算各不同部位细沟侵蚀量的一般表达式[2]为

式中:Mi为坡沟系统内任一段选定长度段内的侵蚀量(g)；Wi为任一长度内的细沟平均宽度(cm)；Hi为任一长度内的细沟平均深度(cm)；l为实际测量选定的长度(cm)；v为实验土壤重度(g/cm3)。根据实验结束后测量到的侵蚀沟宽度、深度,按上式就可以计算出侵蚀沟的体积,再根据实验前土壤重度就可以计算得到一场实验的土壤侵蚀量[2]。

2.3.3 REE示踪技术数据的处理

2.3.4 HDS3000高精度扫描仪数据的处理

由于HDS3000扫描仪获取的是点云数据,为了后期数据处理的方便,须将点云数据做进一步处理,获取面状数据,从而得到整个坡面的清晰地形变化。具体流程为:在依次扫描获取各站点点云数据及标靶位置后,进行数据合并拼接,将各站点数据转换到统一坐标系下,得到完整的扫描点云,拼接得到完整扫描点云后还需进行进一步处理,通过滤波消除噪声剔除干扰点,得到坡面小区土壤地表点云数据。采用Cyclone软件对坡面点云数据进行进一步处理,生成基于不规则三角网的数字高程模型TIN DEM,得到初始坡面及各次降雨后坡面DEM。最后,根据在同一坐标系下某位置(x,y)在z方向上的位置变化计算出相应部位的土壤侵蚀体积。结合实验前测定的土壤重度数据,求出土壤侵蚀量。

3 结果分析

3.1 各种测定方法的精度比较

基于实验所得数据根据地形测针板法计算了坡沟系统在径流冲刷前后坡面形态的变化,并利用Windows Surfer软件计算了坡面在冲刷前后的体积,结合土壤重度计算了坡面侵蚀量,并与实际收集的径流泥沙量进行了比较(见表1)。从表中数据可见,无论是在放水冲刷条件下还是人工模拟降雨条件下,地形测针板法得到的坡面侵蚀量与实测值均比较接近,精度为74.6%～87.4%,平均为82%左右。

表1 地形测针板法所得坡沟侵蚀量与实测侵蚀量的比较Table 1 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using topography needle board method

根据实验所得数据计算了侵蚀沟量测法所得到的坡沟系统在径流冲刷前后的坡面土壤侵蚀量,并与实际收集的径流泥沙量进行了比较(见表2)。从表中数据可见,侵蚀沟量测法的精度为75.3%～78.8%,平均为77%左右。

表2 侵蚀沟测量法所得坡沟侵蚀量与实测侵蚀量的比较Table 2 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using rill measurement method

通过REE示踪技术分析结果与实测对比发现, REE示踪技术实验结果精度介于77.0%～97.0%之间,平均误差约-13.3%(见表3)。

将HDS3000高精度扫描仪获取的坡沟系统侵蚀体积转换为干土重,并与传统取样法得到的结果进行比较。第1场降雨扫描仪测得的侵蚀量为1 625 kg,实测法得到的侵蚀量为1 542 kg；第2场降雨扫描仪测得的侵蚀量为3 066 kg,实测法得到的侵蚀量为2 965 kg。2场降雨实验结果精度分别为94.68%和96.59%,结果见表4。

表4 基于HDS3000高精度扫描仪侵蚀量测算结果对比Table 4 Comparison between measured erosion amounts and calculated amounts by using HDS3000 scanner

从上述4种方法所得结果看,每种不同的测定方法分析精度都有所差别,从平均情况看,HDS3000三维激光扫描技术精度最高,达到95%,其次为REE示踪技术,精度为86.7%,其余依次为地形测针板法(精度为82.2%)、侵蚀沟量测法(精度为77.1%)。

3.2 各种测定方法获取数据的效率

以运用HDS3000扫描仪获取坡面形态为例(以雨强91.4 mm/h和105.5 mm/h为参照),在扫描中单站扫描采样间隔设定为5 mm,扫描完整个坡沟系统实体模型(坡面约39 m2)约需要3.5 h(共设定扫描站点5站),获取坡沟系统实体模型地面形态点云数据约414万个,其中坡面范围内的有效点数约228万个。加上后期的分析成图、坡面侵蚀形态空间分布数据获取等工作,需要时间6～7 h。

地形测针板法测定坡面侵蚀形态时,仅测完坡沟系统实体模型(面积约39 m2)就约需要8 h,且采样密度不足0.2点/cm2,而HDS3000扫描仪的数据密度约为6点/cm2,HDS3000扫描技术获取数据效率约为地形测针板法的3 000多倍。

表3 REE示踪技术计算坡面不同部位的相对侵蚀量Table 3 Relative erosion amounts of different sections on slope by using REE method

以REE示踪技术为例,完成5 m×1 m的土槽实验,仅示踪土样的制备一项就约需要3 h,再加上后期取样、土样制备,以及送交中国原子能科学院研究院进行分析,周期2～3个月,从效率上说,远远低于HDS3000扫描仪。

上述几种技术手段获取的数据不仅能满足开展实验研究的需要,而且均可实现对坡面侵蚀量的空间变化进行定量分析,但从刻画坡面侵蚀量的空间变化细致程度来说,大小排序依次为HDS3000高精度扫描仪＞地形测针板＞侵蚀沟量测＞REE示踪。但是从反映坡面侵蚀量随降雨过程方面来说,REE示踪法具有其它3种方法无法比拟的优势,它可以给出坡面任意断面在侵蚀过程中某一时刻的侵蚀量,这对侵蚀过程的研究是有利的。

4 结 论

(1)上述4种方法在测量坡面土壤侵蚀空间分布方面各有特点,精度也可以满足一般土壤侵蚀研究需要,测量精度最高的为HDS3000扫描仪法,其精度可达95%以上,其它依次是REE示踪法、地形测针板法、侵蚀沟量测法。在反映坡面土壤侵蚀空间分布方面,REE示踪法由于受示踪元素种类及分析测试费用的限制,精度较低,但是这种方法在细致刻画坡面土壤侵蚀时间、空间变化方面具有其它几种方法不具备的优势。

(2)几种测量方法的工作效率高低依次为HDS3000扫描仪法＞侵蚀沟量测法＞地形测针板法＞REE示踪法。特别是HDS3000扫描仪结合自带的Cyclone软件,可以较为精确地测定坡面侵蚀量,其获取数据的效率和精度都远超其它几种方法。通过扫描数据可以生成的坡面高精度DEM,在土壤侵蚀高精度快速测评方面有着广阔的应用前景。但限于这种方法本身对设备的要求比较高,仍难以广泛应用。

(3)本研究实验所用土壤均为黄土,其自身特点决定了它易受侵蚀,坡面在实验前后细沟发育明显,侵蚀量大,因此上述4种方法在应用中均有较好的结果。对一些可蚀性小的土壤而言,坡面侵蚀以面蚀、片蚀为主,由于坡面侵蚀量小,坡面形态在实验前后变化不明显,在用地形测针板法和侵蚀沟量测法时,由于人为误差可能会造成较大偏差；但由于REE示踪技术和HDS3000高精度扫描仪法受人为影响较小的特点,在可蚀性小的土壤坡面上仍可应用,但精度能否保证达到预期效果有待进一步实验验证。

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(编辑:赵卫兵)

Comparative Study of Several Measuring Methods for Soil Erosion on Slope

DING Wen-feng1,ZHANG Ping-cang1,WANG Ai-juan2,WANG Yi-feng1
(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Monitoring Center of Soil and Water Conservation,Ministry of Water Resources,Beijing 100055,China)

Acquiring of slope erosion information is very important to build erosion prediction model and obtain relevant parameters.By using artificial simulated rainfall experiments and scouring experiments,3 physical models were established in the presence of different discharges and rainfall intensities:slope-gully system of 5 meters long straight slope by using REE tracer method,slope-gully system of the 4 meters long slope and 3 meters long gully slope by using topography needle plate measuring method and rill measurement method,and slope-gully system of the 8 meters long slope and 5 meters long gully slope by using topography needle plate measuring method and HDS3000 scanner method.Different measuring methods for slope erosion were analyzed in this paper.The results show that HDS3000 scanner method is the most precise,followed by REE tracer method,topography needle plate measuring method and rill measurement method.HDS3000 scanner method has the highest efficiency,followed by rill measurement method,topography needle plate measuring method and REE tracer method.These methods all can be used to measure the erosion spatial distribution on slope,but the precision is different among them.Therefore,in the study of soil erosion,suitable measuring method should be chosen to meet actual need.

erosion on slope；prediction model；measuring method for soil erosion；precision；spatial distribution

S157.1

A

1001-5485(2015)11-0014-05

10.11988/ckyyb.20140489

2014-06-13；

2014-07-25

国家自然科学基金项目(41271303,41101260)；国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAK10B04)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2013013/TB)；水利部公益性行业科研专项(201301058)；水利部科技推广计划项目(TG1310)；长江科学院创新团队项目(CKSF2012052/TB)

丁文峰(1975-),男,河南汝州人,教授级高级工程师,博士,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究,(电话)027-82926357(电子信箱) wenfengding@163.com。