人工脅迫下細溝侵蝕初始化規(guī)律研究

劉守江 胡翠華 林葉彬

(西華師范大學國土資源學院)

細溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要形式之一，是介于面蝕與溝蝕之間的一種侵蝕類型［1］。對于細溝侵蝕，前人已主要從坡度、坡長［2］、臨界坡度［3］、臨界坡長［4］、降雨強度［2］、侵蝕演變過程［5］、跌坎發(fā)生機理［6］、侵蝕量測算［7，8］、侵蝕過程的水動力學參數(shù)［9］、產(chǎn)流產(chǎn)沙模型［10，11］等方面進行了研究，取得了大量的研究成果。這些研究大多是對自然狀態(tài)下細溝侵蝕的研究，而對于人類活動影響下的細溝侵蝕研究相對較少。本文對華鎣山天池土地整理區(qū)人工脅迫下細溝初始化規(guī)律進行研究，以期為土地整理區(qū)細溝侵蝕的防治提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

天池位于四川省華鎣市天池鎮(zhèn)，是華鎣山脈中惟一獨特的高山喀斯特天然湖泊，景區(qū)湖光山色，集清、涼、秀、靈于一體，山、水、林、竹、泉、洞、寺具全，四面高山環(huán)繞，湖映藍天，百鳥翔集，美景如畫，與長白山天池、天山天池并稱為全國“三大天池”，面積是最大的。天池湖旅游度假區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛，日照充足，四季分明，尤以夏季涼爽著稱，為川東避暑勝地。

研究區(qū)位于華鎣山天池景區(qū)旁的夏家坪土地整理區(qū)，土地整理方式為坡改梯。該區(qū)是華鎣市北部生態(tài)休閑觀光農(nóng)業(yè)區(qū)，為石漠化綜合治理示范帶中的花椒生產(chǎn)基地。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溝源頂部是土地整理工程建設(shè)時留下的水泥硬化區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取有代表性的1 條主溝詳細調(diào)查，包含匯入該主溝的3 條支溝。從溝源頂部往下，大致每隔1 m 取一個點，主溝總長57 m，共測得56 個斷面點，測量出每個斷面的溝寬、溝深、跌坎高及溝的坡度、方位角等要素。同時，詳細調(diào)查該主溝及3 條支溝頂部硬化水泥地塊的形狀、面積、坡度等。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

將野外調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)在excel 軟件中處理，將57 m 長的主溝分6 段進行分析，即，0 -10 m 為第1段，11 -20 m為第2 段，…，51 -57 m 為第6 段，繪制出細溝的分段數(shù)據(jù)變化圖;再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到曲線大師Curxpt 軟件中進行相關(guān)性分析，得到相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)。

3 研究結(jié)果

3.1 水泥硬化地塊對細溝發(fā)育的影響

水泥硬化地塊處，由于地表徑流下滲困難，在水泥硬化地塊的坡面下部，徑流匯集，在硬化地塊末端，通常有跌坎出現(xiàn)，也屬細溝初始化發(fā)育區(qū)。1 條主溝及3 條支溝的頂部均有水泥硬化地塊，基本情況統(tǒng)計見表1。

表1 4 個水泥硬化地塊基本情況

由表1 可以看出，主溝及其3 條支溝的形成，均是因為在其上部有水泥硬化地塊的存在，說明水泥硬化地塊對細溝初始發(fā)育有著重要的影響。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，3 條支溝的溝寬、溝深與其上部水泥硬化地塊的面積之間存在正相關(guān)關(guān)系，即細溝上部水泥硬化地塊面積越大，其下部細溝的溝寬、溝深越顯著。這說明在土地整理區(qū)，人工脅迫因子對細溝初始化有著非常顯著的影響。

3.2 主溝溝寬變化特征

圖1 主溝各橫斷面上分段溝寬變化

在57 m 長的主溝上共測得56 個斷面數(shù)據(jù)，其斷面上分段溝寬變化情況如圖1 所示。由圖1 可以看出，主溝分段平均溝寬具有先增大后減小的變化特點。主溝平均寬度在第2、3 段明顯增加，在第3段出現(xiàn)極大值，達43.9 cm。原因是由于在主溝20 m附近，有2 條支溝的匯入，2 條支溝頂部硬化地塊面積較大，匯入主溝的徑流量明顯增加，使得溝寬出現(xiàn)極大值;在第5 段也有1 條支溝匯入，但支溝上部水泥硬化地塊較小，匯入主溝的徑流量增加不明顯，而且隨著主溝內(nèi)的徑流逐漸下滲，地表徑流不斷減小，因而主溝平均寬度在第4 -6 段逐漸減小。

3.3 主溝溝深變化特征

圖2 主溝各橫斷面上分段溝深變化

在57 m 長的主溝上共測得56 個斷面數(shù)據(jù)，其斷面上分段溝深變化情況如圖2 所示。由圖2 可以看出，主溝分段平均溝深的變化，總體上表現(xiàn)為逐漸減小的特點，具體過程是減—增—減。由于主溝內(nèi)徑流不斷下滲，地表徑流不斷減小，主溝斷面平均深度，在總體上表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢，因而在第2 段出現(xiàn)一個相對低值15.78 cm。由于在主溝上20 m附近有2 條支溝的匯入，徑流量明顯增大，使得在第3 -5 段溝深有所增大，在第4 段出現(xiàn)極大值，達17.6 cm;而且在第5 段也有1 條支溝匯入，但該支溝徑流量小，對主溝溝深增加效果不明顯。第6 段溝深非常淺，出現(xiàn)極小值12.6 cm，除了徑流下滲，地表徑流不斷減小外，還有一個重要的原因，是主溝57 m 處已經(jīng)匯入到硬化水渠，使得51 -57 m 段溝的侵蝕基準相對較高，溝體下切侵蝕減弱。

3.4 主溝溝寬與溝深平均比變化特征

主溝各斷面上分段平均溝寬與平均溝深比如圖3 所示。由圖3 可以看出，主溝各斷面上分段平均溝寬與平均溝深比(簡稱:寬深比)，呈增—減—增的變化特征。在第2、3 段，寬深比增大，原因是在20 m 附近有2 條支溝匯入，徑流量的增加，使侵蝕溝在加深的同時，溝寬增大也更加明顯。在第4、5段，徑流在溝內(nèi)下切侵蝕加劇，溝寬減小，由于溝深增加，所以寬深比減小。而在第6 段，寬深比又增大，是由于主溝匯入硬化水渠，該段下切侵蝕減弱，故溝深變淺。

圖3 主溝各橫斷面上分段溝寬溝深平均比變化

對56 個斷面上溝深、溝寬進行相關(guān)分析，相關(guān)方程為:y=16.09x/(x -0.595)，相關(guān)系數(shù)為0.029。表明二者之間的相關(guān)性較小，主要原因是細溝中部有幾條小支溝的匯入，從而產(chǎn)生的干擾作用所致(圖4)。

圖4 主溝各橫斷面上溝寬溝深相關(guān)性

3.5 主溝各橫斷面累積溝深與離溝源距離關(guān)系

主溝上各橫斷面累積溝深與橫斷面離溝頭的距離之間相關(guān)性如圖5 所示。由圖5 可以看出，主溝上各橫斷面累積溝深與橫斷面離溝頭的距離之間存在明顯的相關(guān)性，隨著距離的增大，累積溝深明顯增加。相關(guān)方程為:y=-0.048 +0.258x -1.817e-016/x2，相關(guān)系數(shù)為1.000，表明二者之間的相關(guān)性非常大。說明細溝在垂直方向上的侵蝕作用是比較均勻穩(wěn)定的，同時也與該細溝的總體坡度比較穩(wěn)定有很大的關(guān)系。

圖5 主溝各橫斷面上累計溝深與離溝源距離關(guān)系

4 討論

水泥硬化地塊的存在，大大加快了細溝初始化的速度，對其發(fā)育有著重要的影響，在細溝頂部已有跌坎發(fā)育。由于在主溝20 m 處有2 條支溝的匯入，對細溝發(fā)育產(chǎn)生了很大的干擾作用，對主溝的溝寬、溝深產(chǎn)生重要影響，平均溝寬先增后減，平均溝深先減后增再減，平均寬深比先增后減再增;而在主溝48 m 處1 條小支溝的匯入，對細溝發(fā)育沒有多大的影響。

在各橫斷面上，溝深、溝寬的相關(guān)性較小，而累積溝深與橫斷面離溝頭的距離之間相關(guān)性較大。

該研究對人工脅迫區(qū)細溝發(fā)育與侵蝕的一些特征進行了初步探討，接下來將與非人工脅迫區(qū)進行對比研究，以進一步明確人類活動在細溝侵蝕中的貢獻大小，從而為細溝侵蝕防治措施的提出提供理論支持與現(xiàn)實依據(jù)。

［1］王貴平，白迎平，賈志軍，等.細溝發(fā)育及侵蝕特征初步研究［J］.中國水土保持，1988(5):13-16.

［2］李君蘭，蔡強國，孫莉英，等.降雨強度、坡度及坡長對細溝侵蝕的交互效應(yīng)分析［J］.中國水土保持科學，2011(6):8-13.

［3］楊具瑞，史正濤，曹叔尤，等.細溝侵蝕臨界坡度研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008(5):64-67.

［4］嚴冬春，文安邦，史忠林，等.川中紫色丘陵坡耕地細溝發(fā)生臨界坡長及其控制探討［J］.水土保持研究，2010(6):1-4.

［5］張新和.黃土坡面片蝕—細溝侵蝕—切溝侵蝕演變與侵蝕產(chǎn)沙過程研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學碩士學位論文，2007.

［6］白清俊，馬樹升.細溝侵蝕過程中水流跌坑的發(fā)生機理探討［J］.水土保持學報，2001(6):62-65.

［7］王德甫，趙學英，姚保順.黃土高原區(qū)土壤侵蝕量的遙感測量方法［J］.國土資源遙感，1991(1):48-54.

［8］鄭粉莉.細溝侵蝕量測算方法的探討［J］.水土保持通報，1989(4):41-46.

［9］肖培青，鄭粉莉，張成娥.細溝侵蝕過程與細溝水流水力學參數(shù)的關(guān)系研究［J］.水土保持學報，2010(1):54-57.

［10］白清俊.黃土坡面細溝侵蝕帶產(chǎn)流產(chǎn)沙模型研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學碩士學位論文，1999.