坡長對水土流失影響的研究現(xiàn)狀及展望

于文華，閆訓(xùn)海

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200061)

1 坡長對徑流量的影響

坡長和徑流的關(guān)系十分復(fù)雜，學(xué)者們對此進(jìn)行了較為深入的研究，研究的結(jié)果有以下3種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著坡長的增加徑流系數(shù)在逐漸減少，坡長愈長徑流量愈小。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，在陡坡 (坡度為48%)條件下，隨著坡長的增加徑流量沒有明顯的變化。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，徑流與坡長的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系：坡度較緩、降雨量不大、土壤具有較大的滲透能力時(shí)，徑流量隨著坡長的增加而減少，即“徑流退化”［1］;但是，當(dāng)坡面長度增加、徑流匯集成較大股流后，滲透強(qiáng)度提高的速度減慢，徑流量又會(huì)隨著坡長的增加而減少?？讈喥降龋?］研究指出，徑流量與坡長呈線性關(guān)系。黎四龍等［3］在張家口研究了不同降雨強(qiáng)度下坡長對徑流的影響，根據(jù)5年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：小雨強(qiáng)降雨時(shí)，徑流量與坡長不是直線關(guān)系;大雨強(qiáng)降雨時(shí)，徑流量可用坡長與徑流深的乘積表示。由此可知，雨強(qiáng)大時(shí)徑流量與坡長之間具有很好的線性關(guān)系，這說明徑流量沿坡面變化是均勻的，即隨著坡長的增加徑流增加的速率是均勻的。同時(shí)還得出，雨強(qiáng)愈大單位坡段上的徑流量也愈大，但試驗(yàn)雨強(qiáng)在坡長很短的情況下表現(xiàn)得并不明顯。在北方土石山區(qū)，徑流量隨著坡長的增加而增加，并且隨著I30(30 min最大降雨強(qiáng)度)的不同，20 m坡長的徑流量與40 m坡長的徑流量也不同;對不同坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量進(jìn)行方差分析的結(jié)果表明：在10 m坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量無顯著性差異，在20 m和40 m坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量呈顯著性差異［4］。

2 坡長對土壤侵蝕量的影響

在現(xiàn)有的坡面土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型中，通常認(rèn)為土壤侵蝕量隨著坡長的增加而增加。著名的USLE和RUSLE方程中都采用了標(biāo)準(zhǔn)化到22.13 m坡長上的坡長因子［5－6］，其表達(dá)式為

式中：L為坡面土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)化到22.13 m坡長上的土壤流失量的比值，無量綱;λ為坡長，m;m為坡長因子指數(shù)。

不同研究結(jié)果表明，坡長指數(shù)受坡長和坡度交互作用的影響，同時(shí)受土壤特性、地表植被類型和田間管理措施等的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對坡長和侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系研究的結(jié)果表明，坡長對土壤侵蝕的影響是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，并不像USLE和RUSLE中描述的那樣，因此國內(nèi)外學(xué)者在坡長對侵蝕量影響方面的研究結(jié)果也不盡相同，主要包括：坡長增加，水流中的含沙量增加，侵蝕作用減弱，侵蝕量減少［6］;隨著坡長的增加，從上坡到下坡水深在逐漸增加，侵蝕量相應(yīng)增大，流失量也在增加［6－7］;隨著坡長的增加，徑流量、侵蝕量在增加，侵蝕量增加后水流的含沙量也增加，水體搬運(yùn)泥沙所消耗的能量加大，侵蝕減弱，兩者相互消長，結(jié)果是從上坡到下坡侵蝕量沒有很大的差異［8］。但是，更多的研究結(jié)果表明，隨著坡長的增加，侵蝕量并不是簡單的增加、減少或者不變，而是隨著降雨強(qiáng)度、坡度等條件的不同表現(xiàn)出不同的特征。朱顯謨［1］指出：在較大暴雨時(shí)坡長與沖刷量呈正相關(guān)，當(dāng)雨量小、強(qiáng)度小、歷時(shí)短時(shí)呈負(fù)相關(guān)，而且往往由于土壤抗蝕抗沖特性、地面坡度等的不同，侵蝕量與坡長的關(guān)系也不同。對北方土石山區(qū)的研究表明：對于20 m和40 m的坡長，當(dāng)降雨量＜10 mm時(shí)，20 m坡長的侵蝕量大于40 m坡長的侵蝕量;當(dāng)降雨量＞10 mm時(shí)，40 m坡長的侵蝕量＞20 m坡長的侵蝕量。張信寶等［9］用137Cs法研究侵蝕與坡長的關(guān)系時(shí)得出：黃土峁坡農(nóng)地的峁頂及峁坡(L=0～50 m)137Cs法值隨著坡長的增加而增加，峁坡下部農(nóng)地(L＞50 m)137Cs法值隨著坡長的增加變化不大，坡長大于65 m后隨著坡長的增加還略有減少。廖義善等［10］研究認(rèn)為在坡面上徑流的侵蝕產(chǎn)沙、輸沙能力隨著坡面長度的變化呈強(qiáng)弱交替變化，這與羅來興［11］研究黃土區(qū)的結(jié)果相一致。

陳永宗等［12］的研究結(jié)果表明，侵蝕量與坡長的關(guān)系隨降雨特性的變化而變化，并建立了侵蝕量與坡長、I30的二次正交多項(xiàng)式回歸模型。汪曉勇等［13］在坡度15°的條件下研究了雨強(qiáng)對坡長和侵蝕量的影響，雨強(qiáng)為50 mm/h時(shí)，坡面總侵蝕量隨著坡長的增加而呈明顯增加的趨勢，雨強(qiáng)75和100 mm/h時(shí)，坡面侵蝕量隨坡長的變化呈現(xiàn)波狀的強(qiáng)弱交替變化，一定坡長范圍內(nèi)侵蝕量出現(xiàn)峰值和谷值交替現(xiàn)象。隨著降雨特性的不同，侵蝕強(qiáng)度隨坡長變化存在3種動(dòng)態(tài)：第一種為增長型，即隨著坡長的增大產(chǎn)沙強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng);第二種為增長遞減型，即產(chǎn)沙強(qiáng)度先隨坡長增加而后又隨坡長增加呈遞減趨勢;第三種為波動(dòng)型，即產(chǎn)沙強(qiáng)度隨坡長增加出現(xiàn)兩次增長和兩次減小的過程?？讈喥降龋?］研究指出，在短歷時(shí)或小強(qiáng)度的降雨試驗(yàn)條件下，坡長的影響并不顯著，而隨著降雨歷時(shí)的延長或降雨強(qiáng)度的增加，坡長的影響會(huì)越來越大，所有這些都使坡長與侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系復(fù)雜化。蔡強(qiáng)國等［14］的研究結(jié)果也表明坡面侵蝕產(chǎn)沙量隨坡長先呈增加趨勢，但當(dāng)坡長大于某一臨界坡長時(shí)，單位面積侵蝕量會(huì)隨著坡長的增加而減少。

3 坡長對土壤侵蝕過程的影響

按引起土壤侵蝕的外營力劃分，土壤侵蝕的類型主要有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕等，其中水力侵蝕可分為面蝕、溝蝕等類型，面蝕又可進(jìn)一步劃分為細(xì)溝侵蝕和淺溝侵蝕等形式，不同的水流形式對應(yīng)著不同的侵蝕方式。坡長的變化導(dǎo)致匯水量的變化，進(jìn)而影響到水流形式，同時(shí)徑流量的增加導(dǎo)致下坡徑流深度的增加，降低了雨滴的擊濺侵蝕能力，因此坡長不同對土壤侵蝕過程的影響也就不同。在細(xì)溝間侵蝕條件下，坡長對侵蝕產(chǎn)生影響的原因是坡面徑流深的作用。當(dāng)坡面以片蝕或細(xì)溝侵蝕為主時(shí)，坡面侵蝕量隨著坡長的增加呈冪指數(shù)形式增加，但其指數(shù)大小表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。蔡強(qiáng)國［14］研究了坡長在黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡面侵蝕產(chǎn)沙過程中的一些規(guī)律和機(jī)理，揭示了坡長對坡耕地侵蝕產(chǎn)沙過程的影響，擬合了不同坡長下的徑流和產(chǎn)沙過程線：坡長增加時(shí)，坡面片蝕—細(xì)溝侵蝕—切溝侵蝕發(fā)育速度明顯加快，坡面侵蝕產(chǎn)沙量明顯增加。張?zhí)炝x指出，坡長增加，層狀侵蝕量與細(xì)溝侵蝕量隨之增加，所以坡長越長總侵蝕量越大;不同坡長的層狀侵蝕量皆大于細(xì)溝侵蝕量，且坡長增加層狀侵蝕量在總侵蝕量中所占的比重減少。張科利等［15］研究了發(fā)生細(xì)溝侵蝕的臨界坡長，淺溝侵蝕發(fā)育存在一個(gè)臨界坡長值，在陜北丘陵區(qū)這個(gè)值大約為40 m。

4 存在的問題與發(fā)展展望

經(jīng)過長期的研究，科研工作者對于坡長和土壤侵蝕的關(guān)系有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，在坡長與土壤侵蝕關(guān)系方面的研究取得了一定的成果，但現(xiàn)有成果還存在以下問題：

(1)我國的研究主要集中在黃土高原區(qū)，對其他土壤類型區(qū)的研究并不多，需要加強(qiáng)其他土壤類型區(qū)中坡長和土壤侵蝕關(guān)系的研究。

(2)已有研究多數(shù)是研究坡長對侵蝕量的影響，應(yīng)加強(qiáng)坡長對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程影響和坡面侵蝕輸沙沿程分布規(guī)律的研究，研究不同坡段的水流流速和含沙量，進(jìn)一步揭示土壤侵蝕的機(jī)理。

(3)坡面侵蝕方式演變過程中匯水坡長與坡面侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的研究還非常薄弱，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)已有的研究中，各坡長小區(qū)的降雨前土壤狀況 (土壤類型、土壤含水量、土壤容重等)和外部條件(坡度、雨強(qiáng)、雨型等)不一致，得出的結(jié)論容易受坡長以外其他因素的影響，因此建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)，使得各學(xué)者的研究具有可比性，是目前研究中亟待解決的問題。

(5)坡長與土壤侵蝕的關(guān)系十分復(fù)雜，其原因可能是坡長的變化又影響了坡面面積，坡面面積的變化影響了匯水匯沙過程，因此有必要在大尺度上對水土流失規(guī)律進(jìn)行研究。通過對坡長和土壤侵蝕關(guān)系的研究，可以更加深入地認(rèn)識(shí)土壤侵蝕規(guī)律，為土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報(bào)、水土保持規(guī)劃、環(huán)境影響與評價(jià)及災(zāi)害防治等提供科學(xué)依據(jù)。

［1］朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及有關(guān)因素［J］.水土保持通報(bào)，1981，1(3)：13 －18.

［2］孔亞平，張科利，唐克麗，等.坡長對侵蝕產(chǎn)沙過程影響的模擬研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(2)：17 －20.

［3］黎四龍，蔡強(qiáng)國，吳淑安，等.坡長對徑流及侵蝕的影響［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，1998，12(1)：29 －35.

［4］林軍，倪偉，宋傳松，等.北方土石山區(qū)不同坡長徑流小區(qū)水土流失規(guī)律研究［J］.水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009(3)：7－9.

［5］McCool D K，F(xiàn)oster G R，Mutchler C K，et al.Revised slope length factor for the universal soil loss equation［J］.Transactions of ASAE，1989，32(5)：1571 －1576.

［6］Law J O，Parsons D A.The relationship of raindrop size to intensity［J］.Transactions American Geophysical Union，1943，24：452 －460.

［7］牟金澤，熊貴樞.陜北小流域產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)及水土保持措施攔沙計(jì)算［C］//中國水利學(xué)會(huì).河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：光華出版社，1980：73 －82.

［8］Langbein W B，Schumm S A.Yield of sediment in relation to mean annual precipitation［J］.Transactions，American Geophysical Union，1958，39(6)：1076 －1084.

［9］張信寶，文安邦，奎因TA，等.黃土峁坡農(nóng)地侵蝕與坡長的關(guān)系［J］.中國水土保持，1998(1)：17 －18，25.

［10］廖義善，蔡強(qiáng)國，程琴娟.黃土丘陵溝壑區(qū)坡面侵蝕產(chǎn)沙地形因子的臨界條件［J］.中國水土保持科學(xué)，2008，6(2)：32 －38.

［11］羅來興.甘肅華亭糧食溝坡面細(xì)溝侵蝕量的野外測定及其初步分析結(jié)果［J］.地理學(xué)資料，1958(2)：111－118.

［12］陳永宗，景可，蔡強(qiáng)國.黃土高原現(xiàn)代侵蝕與治理［M］.北京：科學(xué)出版社，1988：106 －113.

［13］汪曉勇，鄭粉莉.黃土坡面坡長對侵蝕—搬運(yùn)過程的影響研究［J］.水土保持通報(bào)，2008，28(3)：1 －4.

［14］蔡強(qiáng)國.坡長在坡面侵蝕產(chǎn)沙過程中的作用［J］.泥沙研究，1989(4)：84 －91.

［15］張科利，唐克麗，王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1991，5(2)：8 －13.