三峽庫區(qū)小流域模型侵蝕產(chǎn)沙空間分布試驗研究

肖 海，夏振堯，楊悅舒，梁永哲，詹檳赫

（1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌443002；3.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌443002）

由于長期不合理的土地利用方式，加之較頻繁的侵蝕性降雨，導致三峽庫區(qū)水土流失嚴重，不僅致使庫區(qū)土層日趨貧瘠，當?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，而且水庫泥沙淤積給三峽工程和長江中下游的安危造成極大威脅［1］。小流域是水土保持研究的基本單元，對其侵蝕產(chǎn)沙空間分布的了解是預測和防治流域水土流失的重點［2］。

稀土元素（REE）由于其性質(zhì)穩(wěn)定，能夠被土壤顆粒強烈吸附，植物富集有限，淋溶遷移不明顯，對環(huán)境無放射性危害，有較低的土壤背景值，并可人工同時施放多種稀土元素示蹤，使研究的目的性和精確度提高等特點［3］，因此已被應用于小流域泥沙來源示蹤方面的研究。吳普特和劉普靈［4］最先對坡面—溝坡連續(xù)體模型REE施放方法進行了試驗，以期為黃土高原小流域泥沙來源觀測提供理論基礎。石輝等［5］通過室內(nèi)模擬試驗，將REE示蹤法引入黃土高原小流域泥沙來源研究。其研究結(jié)果證明REE示蹤法可比較滿意地說明小流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布情況。Polyakov等［6－7］將稀土元素均勻播撒在小流域不同地貌部位，從而定量分析了小流域不同地貌部位土壤侵蝕及沉積的空間分布。綜上所述，利用REE示蹤技術研究小流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布規(guī)律具有一定的優(yōu)勢，但是其研究成果多集中在黏粒和粉粒含量較高的黃土區(qū)及粉砂壤土地區(qū)。由于不同土壤顆粒粒徑對于REE元素吸附能力存在較大差異［3，8］，因此 REE示蹤技術在土壤砂粒含量較高且泥沙分選較強烈的三峽庫區(qū)小流域是否能夠應用仍需進一步研究。

本研究以三峽庫區(qū)主要土壤類型紫色土為研究對象，通過建立小流域微縮模型，結(jié)合人工模擬降雨試驗及REE示蹤技術，計算該小流域不同地貌部位侵蝕量及相對貢獻比例，并分析溝道系統(tǒng)與坡面系統(tǒng)相對貢獻比例。開展本項研究，能夠為REE示蹤技術在三峽庫區(qū)野外小流域的應用提供技術支撐，并為該地區(qū)水土流失預測模型的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 建立小流域模型

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)湖北宜昌段，以秭歸縣水田壩鄉(xiāng)的王家橋小流域（31°12′—31°15′N，110°40′—110°43′E）為原型，通過實地勘察，按1∶100的比例尺將其微縮模型建于三峽大學人工模擬降雨試驗場。小流域模型外圍邊界用紅磚及水泥砌成，模型中下層鋪設砂土以便透水。上層鋪設10cm厚的紫色土層，其鋪設過程如下：首先，使用逐步稀釋法將不同稀土元素氧化物（La2O3，CeO2，Nd2O3，Sm2O3，Eu2O3，Tb4O7，Ho2O3，Yb2O3共8種）分別均勻混合于其中；其次，根據(jù)流域地形圖，以坡面和坡溝分界處每50cm取一點作為控制點，并根據(jù)控制點在模型中描繪溝緣線；然后，確定小流域中不同地貌部位的分區(qū)；接著，以鋁皮隔開各分區(qū)，內(nèi)部插上鐵絲控制釋放深度，將混合有稀土元素的紫色土按照1.3g／cm3的容重逐層地均勻鋪設于各分區(qū)之中，鋪設過程中適當灑水；最后，鋪設完成后用小鐵鏟等工具修整小流域微地貌，灑水養(yǎng)護，用防雨布遮擋靜置三個月，以備試驗。

建成后小流域模型面積約為20m2，其最高處約1.3m，最低處高約0.4m，位于小流域出口處。由一條主溝、兩條支溝組成。主溝長約5.5m，上半主溝溝底坡度為10°～15°，溝壁坡度為20°～35°；下半主溝溝底坡度為0°～9°，溝壁坡度為15°～30°。支溝位于主溝兩側(cè)，左支溝長約2.2m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在25°～35°；右支溝長約1.9m，溝底坡度小于5°，溝壁坡度在15°～30°。各坡面坡度在10°以內(nèi)，下半坡面坡度整體比上半坡面坡度要大。綜合考慮了坡、溝系統(tǒng)的分布以及稀土元素的種類和用量后，將小流域劃分成14個小區(qū)域。分別用8個符號代表8種泥沙來源地：Ⅰ為La2O3區(qū)；Ⅱ為Yb2O3區(qū)；Ⅲ為CeO2區(qū)；Ⅳ為Sm2O3區(qū)；Ⅴ為Eu2O3區(qū)；Ⅵ為Tb4O7區(qū)；Ⅶ為Nd2O3區(qū)；Ⅷ為Ho2O3區(qū)。

1.2 稀土元素釋放濃度

按以下公式計算試驗小流域各區(qū)域稀土元素釋放濃度［9］，結(jié)果見表1。

式中：Cj——j區(qū)第j 種元素的施放濃度（mg／kg）；Bj——土壤中第j種元素的背景值濃度（mg／kg）；λj——第j區(qū)相對侵蝕量的最小期望值；K——考慮到其它因素的綜合保證系數(shù)。

表1 稀土元素釋放量計算結(jié)果

1.3 人工降雨過程及處理

人工降雨試驗在三峽大學人工模擬降雨試驗場開展。60，90，120mm／h三次降雨時間依次為2012年10月27日、2012年11月1日以及2012年11月10日。降雨設施采用南京南林電子科技生產(chǎn)的NLJY-10-01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度4m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于0.86，降雨強度為60，90，120mm／h。利用均勻分布于小流域中的雨量筒，通過多次測定平均降雨強度對降雨強度率定。每次降雨開始前，先對小流域進行霧化降雨使土壤表層濕潤，直至接近產(chǎn)生地表徑流。然后，將降雨強度調(diào)至設定值，在降雨開始產(chǎn)流后開始計時，以2min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試，同時照相，并對試驗過程進行記錄。降雨30 min結(jié)束后，覆蓋防雨布以備下次試驗使用。泥沙樣品接收后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

1.4 稀土元素含量分析

本研究采用ICP-MS方法測定土壤及泥沙樣品中的REE含量，其樣品制備方法如下：取0.025g樣品放入聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)的消解罐之中，然后緩緩加入0.5ml優(yōu)級純濃硝酸（HNO3）和1ml優(yōu)級純濃氫氟酸（HF），蓋好罐子后放入鋼套之中置于烘箱中用185℃加熱24小時。待冷卻后開蓋，取出PTFE內(nèi)罐放入電熱板上用130℃的溫度蒸發(fā)至近干，然后加入1ml優(yōu)級純HNO3繼續(xù)蒸發(fā)至近干，再重復加酸、蒸干一次。之后往PTFE內(nèi)罐中加入5ml的1∶1的HNO3，封蓋后在放入鋼套中置于130℃的烘箱中復溶。三個小時后取出，待PTFE內(nèi)罐冷卻后倒出液體至50ml的容量瓶中定容，搖晃均勻后取10 ml溶液放置于10ml離心管（EP管）待測。將EP管接入電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（IPC-MS，賽默飛世爾科技公司X Series 2）測量8種REE元素的含量。每批樣品測定之前，進行標準曲線測定。為了保證分析精度，測量每個樣品時，加入濃度為10μg／L的Rh和Re元素作為內(nèi)標一起測量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

小流域中各分區(qū)土壤的侵蝕量、貢獻率及計算誤差用以下公式計算［9］：

式中：wj——j示蹤區(qū)的侵蝕量（kg）；Rj——侵蝕泥沙中第j種稀土元素的實測濃度（mg／kg）；Bj——土壤中第j種稀土元素的背景值（mg／kg）；W——所接泥沙實際重量（kg）；γj——j區(qū)的相對侵蝕量（kg）；σ——侵蝕量的計算誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流量及土壤侵蝕量變化

表2表示三次降雨徑流量及侵蝕量對比，可以看出，徑流量隨著降雨強度的增大而增加，但是增加幅度相差較大。雖然三次降雨強度均相差30mm／h，但與60mm／h相比，90mm／h徑流量增加325.106kg，120mm／h相對于90mm／h只增加261.616kg，增幅減少了19.53%。分析認為，第一場60mm／h降雨前雖然進行了預濕潤，但其下層土壤并未飽和，降雨過程中入滲較大，從而使得徑流量減小。而隨著第一次降雨的進行，土壤基本趨于飽和，后兩次入滲相對較小，徑流量增加，從而導致在三場降雨過程中徑流增幅減小。

與徑流量變化規(guī)律相同，三場降雨侵蝕量隨著降雨強度的增大而增加，且增加幅度相差較大：降雨強度為90mm／h侵蝕量比60mm／h增加20.852kg，120mm／h侵蝕量比90mm／h增加1.79kg，增幅較前兩場減少91.42%，這個增幅遠小于同期徑流量的增幅。60mm／h降雨結(jié)束后坡面僅出現(xiàn)了細溝雛形，細溝并未完全發(fā)育，因此侵蝕量較少。而在隨后的90mm／h降雨強度下，侵蝕量陡增，主要是由于在前場降雨的基礎上，一方面坡面細溝繼續(xù)發(fā)育，而且較大的降雨強度導致了較快的發(fā)育速度［10］；另一方面較大的徑流量使得溝道侵蝕迅速增加［11］。在120 mm／h降雨強度下，由于坡面細溝以及溝道發(fā)育已經(jīng)較為穩(wěn)定，降雨強度及徑流量的增加并不能導致侵蝕量的顯著增加，因此在整個降雨過程中侵蝕量增幅不大。

2.2 侵蝕量和相對貢獻率分析

由于本研究中小流域侵蝕是在連續(xù)三場降雨的情況下發(fā)生，每次降雨之后并不恢復原始地貌，下次降雨是在上次降雨的基礎上進行。因此，隨著流域內(nèi)溝道的發(fā)育，各部位的侵蝕量及相對貢獻率均發(fā)生了變化（圖1）。由圖1可知：整體上三場降雨中侵蝕量的空間分布規(guī)律一致，均是主溝溝道Ⅴ、Ⅵ區(qū)最大，靠近主溝的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域邊緣的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)侵蝕量相對較小。分析認為，這主要與各部位的坡度及位置有關，Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)位于小流域周邊，無其他區(qū)域匯集徑流流于這三個區(qū)域，而且坡度較小，因此發(fā)生的侵蝕不多；而靠近主溝的Ⅱ、Ⅳ及Ⅷ三區(qū)雖然坡度也不大，但是由Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)產(chǎn)生的徑流匯集沖刷，因此其侵蝕量相對于Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)均略有增大；而主溝溝道Ⅴ、Ⅵ區(qū)由于坡度大而且有各區(qū)徑流匯集于其中對溝底及溝壁進行沖刷產(chǎn)生侵蝕，因而這兩區(qū)侵蝕量遠大于其他各區(qū)。這個規(guī)律表明小流域內(nèi)侵蝕以主溝為為中心，向四周逐漸減弱。然而各區(qū)侵蝕量的變化均隨雨強增大呈現(xiàn)不一樣的規(guī)律：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ四區(qū)侵蝕量隨雨強增加而增大，而Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ四區(qū)侵蝕量卻隨雨強增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，同時在降雨強度從60mm／h增加到90 mm／h時，各區(qū)侵蝕量增幅較大，這是因為雨強增大，雨滴能量及徑流量增加導致坡面和溝道侵蝕量均大幅度增加［10－11］。而雨強從90mm／h到120mm／h時變化幅度較小，分析認為，經(jīng)過前兩場降雨的侵蝕，小流域內(nèi)坡面細溝及溝道發(fā)育較為成熟，從而使得坡面各區(qū)侵蝕量增幅不大，且溝道系統(tǒng)各區(qū)侵蝕量還略有減少。

從侵蝕量的相對貢獻率來看，各區(qū)的貢獻率規(guī)律大致相同，均是主溝溝道Ⅴ、Ⅵ區(qū)最大，靠近主溝的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域邊緣的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)侵蝕量相對較小，這與各區(qū)侵蝕量規(guī)律變化一致。三次降雨強度下，各區(qū)相對侵蝕量變化較為復雜，坡面系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ三區(qū)以及支溝Ⅶ區(qū)隨雨強增加而先大幅度增大而后小幅度增大，坡面系統(tǒng)Ⅳ區(qū)隨雨強增加呈現(xiàn)先大幅度增加后小幅度減少的趨勢，而主溝系統(tǒng)Ⅴ、Ⅵ兩區(qū)以及支溝Ⅷ區(qū)則呈現(xiàn)隨雨強增加而減小的規(guī)律。分析認為降雨強度從60mm／h增加到90 mm／h時，可以觀察到60mm／h降雨強度下坡面所產(chǎn)生的細溝雛形快速發(fā)育，因此坡面及溝道侵蝕量大幅度增加，但坡面系統(tǒng)侵蝕量增加幅度略大于溝道系統(tǒng)，而在120mm／h降雨強度下，由于坡面細溝以及溝道發(fā)育已經(jīng)較為穩(wěn)定，雨強的增大并不能夠大幅度增加坡面侵蝕量，相反溝道系統(tǒng)中侵蝕量還略有減少，因而坡面系統(tǒng)各區(qū)相對貢獻率整體略有增大，而溝道系統(tǒng)整體略有減小。

圖1 不同降雨強度下小流域各分區(qū)土壤侵蝕量及貢獻率變化

2.3 溝道與坡面侵蝕分析

表3表明，溝道系統(tǒng)侵蝕泥沙貢獻率遠大于坡面系統(tǒng)，尤其是60mm／h降雨強度中溝道系統(tǒng)侵蝕貢獻率達到79.241%，遠大于坡面系統(tǒng)侵蝕貢獻率的20.759%；90mm／h降雨強度下，溝道系統(tǒng)侵蝕貢獻率降低到65.382%，坡面系統(tǒng)則上升到34.678%；120mm／h降雨強度下，溝道系統(tǒng)侵蝕減小至60.881%，而坡面系統(tǒng)則增至39.119%。整體上來看，一方面溝道侵蝕貢獻率始終占主導地位，這可能是由于，坡面系統(tǒng)坡度均在10°以下，而溝道系統(tǒng)中溝壁及溝底坡度較大，尤其是溝壁坡度均在20°以上。對于其他條件相同的坡面來說，坡度小于某一臨界坡度時，坡度越大，土壤侵蝕量越大［12－13］。另外，由于坡面徑流匯集到溝道中，其徑流流量和流速遠大于坡面，因而溝道系統(tǒng)的侵蝕量大于坡面系統(tǒng)［14］。另一方面，溝道系統(tǒng)的泥沙貢獻率逐漸減小，坡面系統(tǒng)泥沙貢獻率則逐漸增大。這主要是由于，第一場降雨結(jié)束后，小流域表面土壤變得疏松，并初步形成了匯水區(qū)，留下坡面細溝的雛形。第二場及第三場降雨在此基礎上，細溝持續(xù)發(fā)育，已經(jīng)在坡面上匯集成徑流對坡面進行沖刷。同時隨著雨強的增大，雨滴能量增大，坡面徑流增加，也會加快細溝的發(fā)育，從而導致坡面侵蝕量急劇增加［15］。因而溝道系統(tǒng)侵蝕量和總侵蝕量雖然均有所增加，但由于坡面侵蝕增加更快，從而導致坡面系統(tǒng)泥沙貢獻率逐漸增大。

從表3中還可以看出，在溝道系統(tǒng)中，主溝與支溝的侵蝕泥沙貢獻率同樣存在差異。支溝侵蝕泥沙占總侵蝕量的相對貢獻率變化略有減小但較為穩(wěn)定，基本維持在17%左右。而主溝相對總侵蝕泥沙的貢獻率降幅較大，三次降雨強度下相對貢獻率依此從61.229% 降為 48.520%，44.523%，總 降幅達到16.706%，這幾乎與溝道系統(tǒng)相對貢獻率降幅18.333%相當，且主溝與溝道系統(tǒng)侵蝕泥沙貢獻率的每次變化幅度幾乎一致，由此表明主溝侵蝕是溝道系統(tǒng)中最主要的部分，能夠反映溝道系統(tǒng)的侵蝕規(guī)律。

在坡面系統(tǒng)之中，坡面上部與下部的侵蝕泥沙貢獻率亦有所差別。下坡面侵蝕泥沙貢獻率比上坡面要大，兩者貢獻率均隨降雨強度增加而增加，當兩者增幅不一致，上坡面從第一次降雨到第三次相對貢獻率增加9.347%，尤其是第二、三場之間僅增加1.491%，而小坡面從第一次降雨到第三次相對貢獻率增加9.012%，這與下坡面增幅差不多，但上坡面第二、三場之間相對貢獻率增幅為2.956%，比下坡面相對貢獻率增幅近2倍。同時二者相對貢獻率之間的差值隨著降雨強度增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。分析認為：這主要是由于第一次降雨時，上下坡面均以濺蝕為主，下坡面總體坡度大于上坡面，且在后期在下坡面形成細溝的雛形，因此呈現(xiàn)下坡面侵蝕貢獻率大于上坡面，而第二場降雨時，由于降雨強度的增加，上下坡面侵蝕均會增加，而下坡面除了降雨強度增加引起的侵蝕增加外，下坡面原有的細溝雛形在大雨強作用下快速發(fā)育成細溝，因此呈現(xiàn)下坡面侵蝕貢獻率快速增加上下坡面侵蝕貢獻率差值增大的現(xiàn)象，而第三場降雨時，隨著降雨強度及降雨歷時的增加，細溝逐漸向上半坡面發(fā)育，發(fā)生溯源侵蝕，從而導致坡面上部侵蝕量迅速增大［6］，從而出現(xiàn)上下坡面侵蝕貢獻率差值減小的情況。

表3 溝道系統(tǒng)與坡面系統(tǒng)相對貢獻率對比

2.4 試驗精確度分析

利用公式（4）對試驗誤差進行計算，計算結(jié)果見表4。由表4可知，三場降雨的實驗誤差分別為33.172%，25.136%和18.014%，說明利用 REE 示蹤技術計算土壤侵蝕量具有一定的精度和準確性，并且隨著降雨的進行，試驗誤差逐漸減小，這與黑土地區(qū)試驗結(jié)果相似［16］。但這一結(jié)果與黃土地區(qū)的研究成果相比［17］，其誤差值相對較大。這個可能是由于紫色土土壤細顆粒含量低于黃土［18］，而細顆粒土壤與粗顆粒土壤對于稀土元素吸附能力存在較大差異造成［2］。

表4 實驗誤差分析

3 結(jié)論與建議

（1）三場降雨徑流量及侵蝕量均隨雨強增加，但徑流量的增加幅度遠大于侵蝕量。

（2）本研究通過模擬人工降雨試驗，結(jié)合REE示蹤技術，對三峽庫區(qū)模擬小流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布進行了研究。結(jié)果表明，三場降雨中各區(qū)侵蝕量規(guī)律一致，均是隨雨強增大而增加，且均是主溝溝道Ⅴ、Ⅵ區(qū)最大，靠近主溝的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域邊緣的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三區(qū)侵蝕量相對較小。

（3）溝道系統(tǒng)土壤侵蝕貢獻率大于坡面系統(tǒng)，并呈現(xiàn)溝道系統(tǒng)的泥沙貢獻率逐漸減小，坡面系統(tǒng)泥沙貢獻率則逐漸增大的趨勢。

（4）三場降雨的侵蝕示蹤結(jié)果具有一定準確性，但相比黃土區(qū)研究結(jié)果其誤差值略高。主要是侵蝕土壤顆粒大小與原始土壤不同以及不同顆粒的稀土元素吸附濃度不一樣引起的，今后可以通過考慮這兩個因素對實驗數(shù)據(jù)進行修正，以減小實驗誤差。

（5）利用稀土元素示蹤三峽庫區(qū)小流域模型土壤侵蝕，可以比較準確地描述不同地形部位的侵蝕量、相對貢獻率及各自隨時間變化的過程，從而揭示小流域土壤侵蝕變化規(guī)律。由此為進一步開展三峽庫區(qū)小流域野外土壤侵蝕規(guī)律的研究提供一種可靠的方法。

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