5_黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀及其预报模...

黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀及其预报模型研究

张维江1,2,孙保平2,郭文峰3,李亚军4(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川750021;2.北京林业大学水土保持学院,北京100083;3.宁夏回族自治区水利厅水土保持局,宁夏银川750001;4.西吉县水利水保局,宁夏西吉756200)

[关键词]水土保持;小流域;土壤侵蚀;预报模型;黄土丘陵沟壑区[摘󰀁要]在小流域内建立人工径流试验小区和自然坡面径流试验小区,观测天然降雨条件下的土壤侵蚀现象、土壤侵蚀量和小流域出口治沟骨干工程的淤积量,并对小流域土壤侵蚀进行了分类。在特别界定小流域󰀁坡面侵蚀󰀁、󰀁沟道侵蚀󰀁和沟道󰀁重力侵蚀󰀁词语含义的基础上,建立起坡面侵蚀模数和沟道侵蚀模数的预报模型。该侵蚀预报模型具有较高的精度,适用于年降雨量为430mm左右的黄土丘陵沟壑区。[中图分类号]S157.1󰀁󰀁[文献标识码]A󰀁󰀁[文章编号]1000-0941(2004)06-0019-02

1󰀁引󰀁言我国黄土高原干旱与半干旱地区3~5km2的小流域是产流产沙的基本单元和水土保持治理的重点对象。小流域土壤侵蚀形式、流域出口输沙过程与大、中流域是有区别的,加上小流域面积小、数量多,实测降雨资料缺乏,故其土壤侵蚀量、输沙量及小水库、塘坝、治沟骨干工程淤积量的计算就有着其自身的特点。多年来,经许多学者深入研究,人们对土壤水力侵蚀的机理有了比较清楚的认识[1]:降雨时,土壤侵蚀是一个从溅蚀到面蚀再发展成为辐射状细沟进而形成一系列不断升级的沟蚀的过程。在土壤侵蚀量计算方面,国内外均取得了大量的研究成果,如美国通用土壤流失方程(USLE)即被广泛应用于土壤侵蚀预报及侵蚀控制措施制定等方面[2󰀁5]。在小流域土壤侵蚀量计算方面,我国学者提出了󰀁坡沟系统󰀁的概念[6],即把黄土高原大的地貌单元以沟(谷)缘线(多为梁峁边线)为界划分成沟间地和沟谷地两个部分,并以动力学分析为主线,以实验模拟为手段,以侵蚀形态分布、物质能量转移为基础,揭示了这种󰀁坡沟系统󰀁土壤侵蚀的物理力学成因。笔者认为,黄土丘陵沟壑区小流域分布广、数量多,在目前技术条件下,其土壤侵蚀量的计算方法应具有以下特点[7]:󰀁以区域气象资料且以气象要素的多年平均值为基础;󰀁应以侵蚀量的多年平均值作为计算和预报的对象;󰀁实行野外试验与室内模拟试验相结合。2󰀁试验布设及研究方法本项试验布设在宁夏西吉县葫芦河上游地区。该区属黄土丘陵沟壑区,年均降雨量427󰀁9mm,年均气温4󰀁5󰀁,流域坡面分布着第四纪新黄土(中、重粉质壤土),沟底为第四纪老黄土。在该区的大坪水土保持试验站,按农地、黄花、柠条和荒坡4种土地利用方式分别布设坡度为10󰀁、15󰀁、20󰀁和25󰀁的标准径流小区(规格5m󰀁20m),以观测坡面侵蚀现象和侵蚀量。选择小甘井、窦家坝和三岔小流域对骨干工程的淤积量进行观测,同时对流域地形地貌、土地利用方式等进行调查。3个流域的治沟骨干工程于1992年和1993年建成,控制流域面积分别为3󰀁766km2、3󰀁344km2和4󰀁92km2,流域治理程度有差异。通过对标准径流小区和自然坡面径流小区土壤侵蚀现象、土壤侵蚀量以及治沟骨干工程淤积量的观测,对小流域土壤侵蚀的类型进行划分并找出影响土壤侵蚀的主要因子,利用统计分析方法得到小流域土壤侵蚀量的计算方法和预报模型。

3󰀁小流域土壤侵蚀分类及土壤侵蚀模数预报模型3󰀁1󰀁小流域土壤侵蚀现象及其分类3󰀁1󰀁1󰀁小流域土壤侵蚀现象无论是自然坡面径流小区还是标准径流小区,在天然降雨条件下,均能观测到溅蚀、面蚀、细沟侵蚀等现象。这些侵蚀现象有一个共同的特点,就是雨滴击溅对水流的影响较大。在标准径流小区,若表层土壤干燥,降雨初期雨滴击溅可使地表细土颗粒形成󰀁土雾󰀁,并可观测到如下现象:地表径流开始以层流形式顺坡缓慢流动,水层上出现大量的由雨滴击溅形成的小水坑,随着降雨的增加,在坡面中、下部出现多条细沟,由于小区出口集流处用水泥沙浆抹面,限制了流道的进一步加深,故雨后坡面只形成一系列深度不足5cm的细沟。自然坡面径流小区凸凹不平,降雨初期地表径流总是以细小线状流道向低处汇集,雨滴击溅使径流流线中断并改变方向,且无法形成连续的流道;随着降雨的继续,许多水坑连接起来,径流沿着最低部位顺坡流动,接近径流小区出口时流速加快,此时雨滴击溅对径流流动的影响已经很小。

󰀁19󰀁中国水土保持SWCC󰀁2004年第6期在自然坡面径流小区以外的农地上,由于对地表水流无有效的阻挡物,水流运动时沿途流量增加,流速加快,水流的冲刷力明显增大,而雨滴击溅对流道内的水流几乎不产生影响,雨后在农地上形成深达数十厘米的沟道,并在坡脚堆积有大量的泥沙,接近主沟道处形成深达数米的切沟和冲沟,主沟道两侧也会产生岸坡坍塌。3󰀁1󰀁2󰀁小流域土壤侵蚀分类从雨滴击溅和径流冲刷在各种土壤侵蚀类型中所起的作用看,雨滴击溅对各种类型的土壤侵蚀的影响程度按从大到小的排序为:面蚀󰀁细沟侵蚀󰀁浅沟侵蚀󰀁切沟侵蚀󰀁冲沟侵蚀󰀁沟道侵蚀,浅沟以下其影响已经很小;径流的冲刷对各种类型的土壤侵蚀的影响程度是从小到大按上述次序排列的,且从浅沟开始已起主导作用。根据雨滴击溅对水力侵蚀的影响、雨后形成的沟道形态和人为可控制条件,把面蚀和细沟侵蚀归为一类,将其称为小流域坡面侵蚀,这类侵蚀可用标准径流小区进行模拟;把浅沟侵蚀、切沟侵蚀、冲沟侵蚀、沟道侵蚀和部分重力侵蚀归为一类,这类侵蚀主要由水流冲刷形成,将其称为小流域沟道侵蚀。对于已形成的自然沟道的沟底冲刷及两侧岸坡的坍塌,笔者认为:󰀁治沟骨干工程(包括小水库)的兴建抬高了侵蚀基点,沟底的冲刷可以忽略不计;󰀁库区水面影响范围以外的各级沟道岸坡坍塌是沟道长期遭受冲刷的结果,因而应归于沟道侵蚀;󰀁库区水面影响范围内的岸坡坍塌是由于岸坡土壤长期遭受水的浸泡其抗剪强度降低所致,虽属降雨间接引起,但崩塌机理主要决定于土体本身物理力学性质,将其称之为小流域重力侵蚀。由此知小流域土壤侵蚀量由坡面侵蚀量、沟道侵蚀量和重力侵蚀量三部分组成,其中小流域坡面侵蚀量的计算可通过标准径流小区进行模拟,沟道侵蚀量可通过实测到的小流域出口骨干工程的淤积量进行分析,重力侵蚀量可通过对坍塌、滑坡等的分析获得。3󰀁2󰀁小流域土壤侵蚀模数预报3󰀁2󰀁1󰀁小流域坡面侵蚀模数预报模型在标准径流小区,进行了次降雨量、降雨历时、最大10min和30min降雨量、径流量、产沙量、降雨前后的土壤含水量以及年降雨量、年产流总量、年产沙总量和年产流降雨次数的观测。通过1993󰀁1996年16次产流降雨共计244组数据,利用非线性回归和剔除变量分析法,得出标准径流小区年坡面产沙模数M1

󰀁t/(km2󰀁a)󰀁与年降雨量X(mm)、流域平均坡度I(󰀁)和年

产流降雨次数N的关系式:M1=KI󰀁N󰀁X󰀁(1)式中:K、󰀁、󰀁、󰀁为与土地利用方式有关的系数与指数,其回归分析结果见表1。

表1󰀁方程(1)回归系数及相关系数小区类型K󰀁󰀂 R1R2R3R农地3󰀁85󰀁10-251󰀁55244󰀁04118󰀁71120󰀁93970󰀁83470󰀁63650󰀁9728黄花5󰀁89󰀁10-251󰀁25193󰀁97408󰀁72950󰀁84530󰀁91760󰀁74920󰀁9417柠条107󰀁10-251󰀁15973󰀁41088󰀁37690󰀁62790󰀁73760󰀁51350󰀁8056荒坡417175󰀁10-250󰀁84583󰀁04396󰀁69190󰀁65720󰀁82180󰀁57760󰀁8600

注:R1、R2、R3和R为I、N、X对M1的偏相关系数和复相关系数。

3󰀁2󰀁2󰀁小流域沟道侵蚀模数预报模型对小甘井、窦家坝和三岔3座治沟骨干工程及其所在小流域的降雨量、骨干工程拦蓄量、库区岸坡坍塌量、土地利用方式以及流域特征进行观测和调查,观测年限为1993󰀁1996年,先用坡面侵蚀模数计算公式计算出各小流域的年坡面侵蚀量,用扣除骨干工程的库区岸坡坍塌量的当年淤积量减去年坡面侵蚀量后即得该小流域的年沟道侵蚀量及沟道侵蚀模数。对年沟道侵蚀模数M2󰀁t/(km2󰀁a)󰀁与小流域年降雨量X(mm)、年产流降雨次数N、流域平均坡度I(󰀁)、流域面积A(km2)、流域长度L(km)和宽度B(km)、沟壑密度G(条/km2)、坡耕地比例P(%)、林地比例V(%)、荒坡地比例U(%)等因子进行多因子线性回归和剔除变量分析,得到沟道侵蚀模数回归方程为:M2=4617󰀁6+300󰀁4I+2󰀁7X+19󰀁43P-42󰀁3U(2)式(2)I、X、P、U对M2的偏相关系数和复相关系数均在0󰀁9以上。坡面侵蚀计算中,由于乔木林面积很少,所有林地都按柠条林对待。3󰀁2󰀁3󰀁小流域土壤侵蚀模数预报模型及其检验根据以上有关小流域土壤侵蚀分类及小流域坡面和沟道侵蚀模数预报模型的分析与讨论,不包括库区重力侵蚀量,小流域土壤侵蚀模数预报模型可表示为:M=M1+M2(3)󰀁󰀁用上述公式计算了宁夏西吉县葫芦河流域另外2条小流域最长达12年的土壤侵蚀量,与其出口的骨干工程实测淤积量(扣除库区岸坡坍塌量)相比,其结果是最大相对误差为17󰀁2%。

4󰀁结果与讨论(1)黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀模数可分为坡面侵蚀模数M1和沟道侵蚀模数M2两部分进行计算。计算式中的多年平均年产流降雨次数N,虽然物理意义还不明确,但它从一个侧面反映了所在地区气候的大尺度变化规律,因各地的自然条件而异,试验所在地的观测值为3~5,计算中取平均值4,其他地区的取值有待进一步研究。坡耕地比例P、荒坡地比例U可依据小流域治理规划方案进行选择。由于试验所在地的林地稀少,林地比例在沟道侵蚀模数回归分析中被剔除,应用此预报模型时应注意这个问题。(2)分析中认为梯田在治沟骨干工程的(下转第35页)

󰀁20󰀁中国水土保持SWCC󰀁2004年第6期