融雪侵蚀研究进展_范昊明

第24卷第1期2013年1月

水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol．24，No．1

Jan．，2013

融雪侵蚀研究进展范昊明，武敏，周丽丽，贾燕锋（沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳110866）

摘要：融雪侵蚀在中国及世界上许多地区都有发生，其对表层土壤的破坏作用越来越为人们所认识，已成为土壤侵蚀研究中的重要问题之一。在总结相关研究成果的基础上，分析了影响积雪和融雪的气候、海拔、地形地貌及土地利用等因素。在融雪侵蚀影响因素方面，认为融雪径流、表层土壤解冻深度、解冻期表层土壤可蚀性是影响融雪侵蚀发生的特殊因素。同时指出，融雪侵蚀预报模型中冻融作用对土壤水分迁移的影响、未完全解冻层对表层土壤水分的影响以及坡面融雪过程研究是未来融雪侵蚀研究中应重点解决的问题。

关键词：积雪；融雪径流；融雪侵蚀；影响因素；预报模型中图分类号：S157.1；G353.11文献标志码：A文章编号：1001-6791（2013）01-0146-07

收稿日期：2012-03-31；网络出版时间：2012-12-17网络出版地址：http：//www．cnki．net/kcms/detail/32．1309．P．20121217．2024．010．html基金项目：国家自然科学基金资助项目（41071183）作者简介：范昊明（1972－），男，吉林白山人，副教授，博士，主要从事流域侵蚀、产沙与水土保持规划研究。E-mail：fanhaoming@163.com

融雪侵蚀即融雪径流作用下的侵蚀过程。世界上大约有60%的陆地面积被季节性积雪覆盖，中国能够形成融雪径流的区域主要分布在积雪持续时间两个月以上的稳定积雪区，主要包括东北、内蒙古东部和北部、新疆北部和西部、青藏高原区，是中国冻融作用强烈区域［1］。融雪侵蚀与一般降雨径流侵蚀的主要区

别在于：①融雪期一般表层土壤解冻而下部土壤冻结，形成渗透性极弱的隔水层，从而使融雪水更容易集流并具有冲刷能力［2］；②融雪径流产生时表层土壤一般都经受了若干次冻融循环作用，从而使土壤抗侵蚀能力大大降低；③融雪期表层土壤在融雪水的浸泡，以及整个冬季土壤水分向表层累积等多重作用下，含水率较高，抗侵蚀能力降低［3］；④融雪期一般地表植被覆盖相对较低，增加了土壤遭受侵蚀的可能性。融雪侵蚀在世界上许多地区都有发生，但有关融雪侵蚀的研究远落后于降雨侵蚀，其原因一方面是人们对融雪侵蚀危害认识不足。另外，融雪侵蚀条件多变，过程较为复杂。积雪累积、分布等影响回暖期融雪径流的产生，融雪量、融雪速率等因素则是融雪侵蚀发生的动力条件，融雪期表层解冻土壤是融雪侵蚀发生的物质条件。雪的累积与融雪进程对融雪侵蚀影响巨大［4］，因此，对融雪侵蚀的研究首先需了解上述基础条件。

1积雪与融雪研究

1.1积雪影响因素

雪的累积是融雪侵蚀发生的先决条件，积雪在空间上的分布、积雪量、积雪性质等直接影响到融雪径流的发生。从宏观尺度来看，积雪量主要受气候和海拔高度等地理特征影响。徐兴奎［5］对中国降雪量和空间分布研究表明：中国能够形成地表积雪的地区主要位于中国北方和西南高原地区。降雪量空间分布不均主要是气候系统所致，若气候背景相似，下垫面的地理差异将造成积雪量区域不均。积雪量大，季节性积雪年内覆盖时间长的区域也是融雪侵蚀主要发生的区域。第1期范昊明，等：融雪侵蚀研究进展147从较小空间尺度看，积雪受到风、土地利用、坡度、坡向、植被性质等因素影响。季山等［6］对黑龙江省积雪分布研究中发现，山区积雪大于平原，山体愈高积雪愈深，山谷低地积雪大于周围积雪，林区积雪较大。梁林恒与周幼吾［7］在大兴安岭研究表明，风对可搬运区积雪起吹扬搬运作用。风向对不同部位积雪的吹蚀程度有别，低洼地雪厚大于坡地，风和地形共同作用于积雪分布。王金叶等［8］对祁连山林区研究表明，阳坡光照强，降雪在短时间内融化，不能形成积雪；阴坡乔灌混交林积雪最厚，灌丛林次之，乔木林林缘积雪效应强烈，常在迎风面林缘形成高于林内10倍以上的积雪。刘海亮［9］对小兴安岭研究表明，郁闭度较小的次生白桦林内积雪厚度最大值为45cm，比同期郁闭度较大的云冷杉红松林内积雪厚14.7cm。次生白桦林内的积雪量大，在春季所提供的融雪径流量要比其他林型多。上述研究反映出积雪分布在宏观上受气候、海拔影响，在较小空间尺度上受植被、风和地形等因素综合作用。树木的作用表现在具有强的挡风作用，使得林内地面积雪不被吹走，从而维持了林内雪盖的稳定性。降雪时，郁闭度较大林木截雪量大，此后被风吹扬，是林内积雪较少的主要原因。风和地形综合作用，使没有林草保护地积雪被吹扬，堆积在低洼地或林带等障碍物附近。积雪量较多区域一般也是融雪期融雪径流量较大区域，但融雪速度受日照辐射等因素影响。积雪量、积雪在空间上分布差异将直接影响到融雪径流及融雪侵蚀的发生。1.2融雪研究

1.2.1融雪影响因素

积雪的消融是一个复杂过程。从宏观尺度看，季节变化与海拔高度是影响积雪融化的主要因素。在相对较小尺度，地形、植被、降雨等因素影响着积雪融化。Danny等［10］对美国俄勒冈州研究表明，在一次同时有降雨发生的融雪过程中，没有林草覆盖区域积雪融化雪水当量是有较好林草覆盖区域的5倍，林草覆盖减缓了融雪速度，降雨对积雪融化具有重要的加速作用。陈卫东等［11］对大、小兴安岭的研究表明，郁闭度较小的杂木林能大面积直接吸收太阳辐射，积雪融化较快，从开始到融雪完毕只需约20d。在红松林内由于其郁闭度大，浓密的林冠阻挡了太阳辐射，融雪时间超过30d。但是，Pomeroy等［12］对加拿大北部YukonTer-ritory地区灌木冻土带研究发现，较高灌木区域冬季积雪数量虽然高出稀疏灌木区的147%，但融雪速率也快

于稀疏灌木区47%，研究结果认为是出露的灌木反射率低，灌木吸收太阳总能量高于积雪出露状态，并把能量输送给林下积雪，从而使其融雪速率加快。灌木的这种能量传递能够很好实现，但高大乔木的能量传递较为有限。总的来看，季节变化是积雪融化的决定因素。此外，地形、坡度、坡向、地表植被类型、海拔高度以及融雪期降雨等也是影响积雪融化的重要因素。太阳辐射是积雪消融的重要热量来源之一，坡度在不同程度上决定了太阳入射角度，进而影响雪盖能量收支状况和积雪消融速度。坡向决定了积雪接受日照辐射的多少，进而直接影响到积雪融化速率。同时，下垫面土壤持水能力、地表覆被类型都会对融雪水汇流过程产生一定影响。1.2.2融雪预报

融雪径流预报早期开发模型多为应用单一气温指标的度-日模型［13-15］。度-日模型在计算时基本忽略了积

雪能量传输过程，尽管有着输入参数较少、计算简便等优点，但对于一些比较复杂情况，如有降雨情况下的融雪，则很难做到准确模拟预报。后来逐步通过分析积雪融化所需能量平衡进行融雪预报［16］，并逐步发展为融雪物理过程模型［17-18］。在研究手段上开始应用遥感、地理信息系统等技术［19-21］。为了反映融雪的空间

差异，常用的方法就是建立空间分布式融雪模型，分布式融雪模型能够反映出融雪空间异质性问题［22-25］。

分布式融雪模型综合考虑能量平衡，反映气候、植被、雪盖、土壤、水文相互作用和反馈机理，因而得到广泛的认可与应用。虽然融雪物理过程模型在计算过程中考虑了太阳辐射等能量平衡问题，分布式融雪模型更考虑到了下垫面异质性问题，但现有融雪预报多在较大空间尺度进行，很少有报道考虑到由于下垫面不同产生上下坡面融雪速率差异，造成上坡融雪径流向下坡流动，对下坡积雪融化的影响。这部分能量实际上是融雪水在向下坡148水科学进展第24卷

汇流过程中由势能转化为动能，输入下部未融雪后又由动能转化为热能促进下部积雪融化，即使是考虑到融雪空间异质性问题的分布式融雪预报模型，也少见考虑到上述问题并提出解决方案。

2融雪侵蚀

2.1融雪侵蚀影响因素

（1）融雪径流融雪侵蚀动力来源于融雪径流，融雪径流大小与汇流过程受到上文所述诸多因素影响，融雪径流影响因素直接或间接地也在影响着融雪侵蚀的发生。焦剑等［26］应用松花江流域水文站资料研究表明，融雪期径流深与年降雪量有着十分显著的幂函数关系，输沙模数与降雪量的关系很差，说明径流产沙除由降雪量多寡影响外，还受其他因素影响。范昊明等［27］采用室内人工模拟融雪水冲刷试验研究春季解冻期冻融温差、冻融循环次数、土壤初始含水率、融雪水流量、解冻深度5个因子对白浆土融雪侵蚀的影响，结果表明，融雪径流量为影响土壤侵蚀的首要因素。（2）融雪期表层土壤解冻深度Sharratt等［28］实验表明，冻结层限制了水的入渗，导致地表径流和土壤

含水量增加，从而增大了侵蚀量。Oygarden［29］通过研究挪威冬季的一次降雨，认为未完全解冻层是导致大范围片蚀和较小细沟侵蚀发生的主要原因。范昊明等［30］有关草甸土融雪侵蚀模拟研究表明，土壤解冻深度对侵蚀过程影响很大，解冻深度越小，前期融雪径流侵蚀率越大，而后期侵蚀率缓慢增大，解冻深度越大，前期融雪径流侵蚀率越小，后期细沟侵蚀出现后侵蚀率急剧增大。冻结层对融雪侵蚀的影响在于限制水分入渗，从而使表层解冻土壤含水量增大，饱和条件下的土壤抗剪强度降低。另外，冻结层也使融化雪水更容易集流并具有冲刷能力。（3）融雪期表层土壤可蚀性受融雪期昼夜温差在0℃上下变化影响，表层土壤受到频繁的冻融作用。研究表明，冻融作用可以改变土壤的性质，进而增大土壤的可蚀性。这些性质包括土壤结构［31］、土壤的渗

透性［32］、导水性［33］、土壤容重［34］、团聚体稳定性［35-37］以及土壤强度［38-39］等。根据土壤类型、含水量、冻结速率、粘粒含量等不同，冻融作用对表层土壤影响的程度也有所不同。一般而言，冻融作用反复作用的结果，会使土壤容重减小，抗剪切能力降低，团聚体稳定性降低，并且，含水量越大，冻融作用越强烈。冻融作用通过影响土壤的容重、渗透性和团聚体稳定性等使其更易遭受侵蚀。（4）融雪侵蚀其他影响因素融雪侵蚀与水力侵蚀影响因素有许多相似之处，如坡面性质、植被、土

壤性质、耕作措施、水土保持措施等影响水力侵蚀的因素均会影响融雪侵蚀的发生与发展。史彦江等［40］对新疆伊犁河谷缓坡地融雪侵蚀研究表明，试验小区的产沙量随坡度的增大而增大，并且在3°～5°坡增大幅度较小，在5°～8°坡急剧增大。Kirby等［41］对加拿大的小区试验表明，较细土壤质地小区融雪侵蚀量占年侵蚀量的88.9%，而较粗质地小区融雪侵蚀量最多只占全年侵蚀量的23%。Saxton等［42］研究表明，垄作农田沟垄秸秆覆盖可以有效地增加融雪径流入渗，减小侵蚀。Pikul等［43］研究表明，截流沟在春季融雪过程中对减少融雪径流、增加径流入渗能够起到较好的作用，但对于不同的土壤，其减流效果有所不同。除此之外，其他坡面水蚀防治耕作措施、水保措施等基本上都对融雪侵蚀有所影响。融雪期降雨对融雪速率的加快，也会影响到融雪侵蚀的进程。2.2融雪侵蚀经验模型