海河流域土石山區(qū)與黃土丘陵區(qū)降雨前后坡面微地貌變化分析

張 博，付貴增，凌 峰，齊建懷，程曉云

（1.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170；2.懷來縣水務(wù)局，河北懷來 075400）

海河流域是我國(guó)水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，包括黃土丘陵區(qū)、土石山區(qū)、石質(zhì)山區(qū)、壩上風(fēng)沙區(qū)和平原風(fēng)沙區(qū)5種下墊面類型。其中，黃土丘陵區(qū)是水土流失最嚴(yán)重地區(qū)，土石山區(qū)不僅土壤侵蝕嚴(yán)重、而且是山洪、泥石流等自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)。為降低水土流失程度、減輕災(zāi)害損失及避免災(zāi)害發(fā)生，需對(duì)水土流失原理及規(guī)律有更明確的認(rèn)識(shí)。

土壤侵蝕受氣候、土壤性質(zhì)、土壤表面條件（微地貌）、地形及人為活動(dòng)五大因素影響。地表微地貌會(huì)受降雨、土壤性質(zhì)及人類活動(dòng)影響變化。在降雨因素影響下，坡面不同位置土壤微地貌、土壤侵蝕強(qiáng)度有不同變化。目前，已有很多學(xué)者研究降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，高素絹[1]等利用人工降雨方法及統(tǒng)計(jì)方法研究黃土坡面土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化，琚彤軍[2]等利用同位素示蹤法研究土壤侵蝕的垂直規(guī)律，劉青泉[3]等研究了坡度對(duì)坡面土壤侵蝕的影響，但少有微觀上對(duì)土壤侵蝕變化及形成機(jī)理的研究。

為更好地研究海河流域降雨對(duì)水土流失的影響，海河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站通過水利部“948”項(xiàng)目引進(jìn)了3D激光地貌分析儀設(shè)備和技術(shù)，對(duì)自然降雨條件下海河流域黃土丘陵區(qū)及土石山區(qū)微地貌變化進(jìn)行觀測(cè)與分析。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

項(xiàng)目選擇位于河北省懷來縣的天龍山徑流小區(qū)和辛川徑流小區(qū)作為觀測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)。懷來縣，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量398.9 mm，且降水時(shí)空分布不均——山區(qū)降水多于平原區(qū)，夏季集中了約占全年70%的降水量。降雨是懷來地區(qū)水土流失主要影響因素，每年官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)泥沙量約在百萬噸左右。

天龍山項(xiàng)目區(qū)屬淺山黃土丘陵區(qū)，觀測(cè)區(qū)選擇面積為5×20 m2、坡度為15°的自然裸土地徑流小區(qū)。辛川項(xiàng)目區(qū)屬土石山區(qū)，觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)選擇面積為5×20 m2、坡度為18°的自然裸土地徑流小區(qū)。徑流小區(qū)周圍由40 cm高磚砌圍欄與周圍環(huán)境隔開。

2 研究方法及技術(shù)路線

2.1 研究方法

本研究旨在通過對(duì)不同土壤質(zhì)地、坡面不同位置的試驗(yàn)小區(qū)經(jīng)歷多次小強(qiáng)度自然降雨雨前雨后地表微地貌進(jìn)行觀測(cè)，總結(jié)其變化趨勢(shì)，并試圖分析其成因。

在天龍山及辛川觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)中軸線上均勻選取坡上、坡中、坡下3個(gè)位置，確定3個(gè)1 000×1 000 mm2大小的觀測(cè)區(qū)。利用3D激光地貌掃描儀，觀測(cè)多次降雨坡面不同位置雨前雨后微地貌變化數(shù)據(jù)。

地表微地貌數(shù)據(jù)由土壤表面起伏程度表示。土壤表面起伏程度可由土壤表面高度變化和地表粗糙度表征。項(xiàng)目選用彎曲度指數(shù)法對(duì)地表粗糙度進(jìn)行量算。彎曲度指數(shù)法將地表輪廓長(zhǎng)度同它投影成的直線長(zhǎng)度之間的比值作為糙度指數(shù)。

式中：T為變曲性指數(shù)；L為地表輪廓長(zhǎng)度；L0為地表輪廓長(zhǎng)度的水平投影長(zhǎng)度。

在多次小強(qiáng)度降雨條件下，分析坡面不同位置土壤高度變化、地表粗糙度及坡度變化規(guī)律。

2.2 技術(shù)路線

本研究采用室外實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)計(jì)算機(jī)模擬分析相結(jié)合的技術(shù)路線，具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

8月6日至9月10日期間，試驗(yàn)區(qū)共經(jīng)歷了4次降雨，其中單日最大降雨量為28mm，共獲得5組地表微地貌數(shù)據(jù)。

地表微地貌利用土壤表面高程表示。利用3D激光測(cè)距儀測(cè)量1 m2范圍內(nèi)土壤表面高度（誤差2 mm），采樣間隔為5 mm×5 mm。采樣數(shù)據(jù)以橫縱坐標(biāo)及高程表示，輸出格式為文本文件。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS空間數(shù)據(jù)，校正同一觀測(cè)區(qū)多次觀測(cè)數(shù)據(jù)，并建立數(shù)字高程模型，計(jì)算雨前雨后土壤表面高度差，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比不同降雨量條件下坡面不同位置土壤高度變化及地表粗糙度變化。

4 地表微地貌變化分析

地表微地貌變化可以用坡面土壤侵蝕程度及地表粗糙度兩個(gè)參數(shù)表征。坡面土壤侵蝕程度利用觀測(cè)小區(qū)土壤表面高度變化計(jì)算，地表粗糙度利用監(jiān)測(cè)小區(qū)表面積與其投影面積比計(jì)算。

4.1 坡面土壤侵蝕程度變化分析

分別計(jì)算天龍山及辛川小區(qū)坡上坡下雨前雨后土壤表面高度差，并求出均值，見表1。同時(shí)，分析其高差變化頻度，如圖2所示。

由圖2可見，土壤質(zhì)地不同，土壤表面高度變化幅度不同；坡面位置不同，土壤表面高度變化趨勢(shì)不同。

表1 監(jiān)測(cè)小區(qū)土壤侵蝕程度變化 mm

圖2 監(jiān)測(cè)小區(qū)土壤表面高度變化

（1）土石山區(qū)土壤表面高度變化幅度小于黃土丘陵區(qū)。這表明黃土丘陵區(qū)較土石山區(qū)易被侵蝕，其原因可能是黃土質(zhì)地松散，更易受雨滴擊濺侵蝕影響。

（2）坡上土壤表面高度逐漸減少，而坡下土壤表面高度逐漸增加。其原因可能是坡上以侵蝕作用為主，坡下堆積作用大于侵蝕作用。

（3）隨降雨次數(shù)增加，坡上土壤表面高度減少幅度降低，坡下土壤表面高度由增加向減小轉(zhuǎn)變。其原因可能是坡上的侵蝕效應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，坡下的侵蝕效應(yīng)逐漸大于堆積效應(yīng)。

4.2 地表粗糙度變化分析

地表粗糙度是表征地表起伏程度的一個(gè)指標(biāo)，項(xiàng)目通過計(jì)算地表表面積與其投影面積之比獲得。各監(jiān)測(cè)小區(qū)地表粗糙度數(shù)據(jù)，見表2。多次降雨后不同小區(qū)地表粗糙度變化趨勢(shì)對(duì)比狀況，如圖3所示。

表2 多次降雨后監(jiān)測(cè)小區(qū)地表粗糙度變化

圖3 多次降雨后不同小區(qū)地表粗糙度變化趨勢(shì)對(duì)比

不同土壤質(zhì)地地表粗糙度不同。土石山區(qū)地表粗糙度明顯大于黃土丘陵區(qū)地表粗糙度。黃土丘陵區(qū)不同坡面位置地表粗糙度差異不大，土石山區(qū)坡下地表粗糙度明顯大于坡上。

經(jīng)歷多次降雨后，黃土丘陵區(qū)坡上地表粗糙度變化幅度不大，坡下地表粗糙度有增加趨勢(shì)；土石山區(qū)地表粗糙度變化不明顯。這表明，在多次小強(qiáng)度降雨條件下，黃土丘陵區(qū)更易被侵蝕。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

在小強(qiáng)度降雨影響下，海河流域土石山區(qū)與黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕程度及變化趨勢(shì)不同；坡面不同位置土壤侵蝕方式不同。

（1）黃土丘陵區(qū)較土石山區(qū)易被侵蝕。表現(xiàn)為黃土丘陵區(qū)土壤表面高度變化幅度及地表粗糙度變化幅度較土石山區(qū)大，其原因可能是黃土團(tuán)粒較松散，更易受到降雨侵蝕。

（2）小強(qiáng)度降雨條件下，坡上以侵蝕作用為主，隨降雨次數(shù)增加侵蝕強(qiáng)度逐漸減?。黄孪露逊e作用大于侵蝕作用，隨降雨次數(shù)增加侵蝕作用逐漸增強(qiáng)。表現(xiàn)為每次雨后，坡上土壤表面高度均有所減少，減少程度逐漸減低；坡下土壤表面高度均有所增加，增加程度逐漸減小，并有表面高度減小趨向。其原因可能是坡上經(jīng)歷多次降雨后，侵蝕形態(tài)趨于穩(wěn)定；坡下則由堆積作用為主向侵蝕作用為主轉(zhuǎn)化。

5.2 建議

受時(shí)間及自然條件所限，數(shù)據(jù)采集頻度及類型嚴(yán)重不足。研究者可從如下兩方面繼續(xù)深入探討。

（1）懷來縣降雨稀少，爭(zhēng)取采集10次以上小強(qiáng)度降雨前后土壤表面高度變化數(shù)據(jù)，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行細(xì)致分析，研究其地表微地貌變化的空間分布。

（2）研究中等強(qiáng)度降雨甚至暴雨對(duì)地表微地貌變化的影響，降雨對(duì)土壤侵蝕方式及土壤侵蝕量的影響。

[1]高素絹，王占禮，黃明斌，等.黃土坡面土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化過程試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2010（2）：63-68.

[2]琚彤軍，田均良，劉普靈，等.REE示蹤條帶施放法研究坡面土壤侵蝕垂直分布規(guī)律[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，1999，13（6）：347-352.

[3]劉青泉，陳力，李家春.坡度對(duì)坡面土壤侵蝕的影響分析[J].應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)，2001（5）：449-457.