基于黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)淤地壩淤積調查的土壤侵蝕模數(shù)計算

劉立峰, 杜芳艷, 馬 寧, 馬竹娥, 王惠澤

(1.黃河水利科學研究院 綏德水土保持科學試驗站, 陜西 綏德 718000； 2.陜西師范大學， 陜西 西安 710062)

基于黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)淤地壩淤積調查的土壤侵蝕模數(shù)計算

劉立峰1, 杜芳艷1, 馬 寧1, 馬竹娥1, 王惠澤2

(1.黃河水利科學研究院 綏德水土保持科學試驗站, 陜西 綏德 718000； 2.陜西師范大學， 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 探索適合黃土丘陵溝壑區(qū)不同溝道土壤侵蝕模數(shù)計算的新方法，為區(qū)域水土流失防治和水保規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。 [方法] 以黃土丘陵溝壑區(qū)不同溝道74個不同壩型的淤地壩為基礎，將其看作小流域的沉沙池，同時結合實地調查測量與分析計算，利用淤地壩賦存的泥沙信息獲得不同級別溝道的土壤侵蝕量。[結果] (1) 在地形復雜的黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)與不同溝道對應的淤地壩控制面積具有一定的負相關關系； (2) 土壤侵蝕模數(shù)調查值較設計值顯著降低，造成淤地壩空壩率上升，使淤地壩長期保持負效應。 [結論] 利用悶葫蘆壩淤積量推算壩體控制面積土壤侵蝕量，方法簡單合理。同時小流域壩系可采用多種方法綜合分析，相互印證，可較準確地確定小流域土壤侵蝕模數(shù)。

關鍵詞：黃丘Ⅰ副區(qū); 小流域; 淤地壩; 土壤侵蝕模數(shù)

土壤侵蝕作為影響全球陸地表層生態(tài)質量的重要因子，是限制當今人類生存和發(fā)展的全球性環(huán)境問題之一，嚴重制約著全球社會經濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。同時，土壤侵蝕還能引發(fā)和加劇洪水災害，造成多種環(huán)境問題[2]。長期以來，土壤侵蝕的研究一直是個難點，同時又是熱點，特別是區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)的確定更是重中之重。土壤侵蝕模數(shù)是指單位時間、單位面積土地上的土壤侵蝕量，常以每年1 km2的土壤侵蝕量或每年侵蝕土層的厚度表示[3]。由于種種原因，整個黃土高原地區(qū)僅有極少數(shù)小流域開展過土壤侵蝕的監(jiān)測工作，且所獲資料極為有限，對于絕大多數(shù)小流域而言，水文泥沙的觀測資料仍然空白[4]。這些流域土壤侵蝕模數(shù)的獲得，往往以流域出口水文站的泥沙監(jiān)測資料為依據(jù)，但這與實際情況相差甚遠，遠遠不能滿足科研與生產活動的需要。目前，在小流域水土保持規(guī)劃、土壤侵蝕研究過程中，采用水保法、水文法、遙感調查法等方法均可以進行土壤侵蝕模數(shù)的計算，但無法滿足開發(fā)建設項目水土流失預測的需要[5]。同時，國內外先后出現(xiàn)了各種各樣的土壤侵蝕模型，比較有影響力的有美國通用土壤流失方程USLE模型[6]、WEPP模型[7]和歐洲的EUROSEM[8]、ANSWERS[9]等模型。然而，以上模型大多適用于緩坡坡面侵蝕量的計算，對于黃土丘陵溝壑區(qū)切割破碎、溝坡陡峻的地形特征，高含沙水流獨特的輸沙規(guī)律，計算結果難以滿足研究需求[10]。此外，盡管相關單位進行了一次全國水利普查，較為準確地摸清了我國土壤侵蝕的現(xiàn)狀，但對土壤侵蝕過程和驅動機制缺乏清晰的認識和理解，很難構建適用于我國復雜環(huán)境條件下的土壤侵蝕模型[11,4]。因此，小流域土壤侵蝕的定量研究需要進一步的探索[12]。

無論是理論研究，還是水土保持實踐應用，特別是壩系及淤地壩的規(guī)劃設計，小流域土壤侵蝕模數(shù)都是一個必不可少的重要指標。它是小流域壩系工程可行性研究報告編制中十分重要的基礎性指標，對小流域壩系工程的規(guī)模、投資及效益影響很大[13]。因此，黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土壤侵蝕模數(shù)的確定顯得尤為重要而迫切。淤地壩在攔蓄大量泥沙的同時，記錄了小流域土壤侵蝕產沙過程及歷史變化特征。因此，可利用淤地壩(悶葫蘆壩)記載的泥沙信息，應運多種方法進行綜合分析計算，相互印證，合理確定小流域土壤侵蝕模數(shù)，研究小流域土壤侵蝕量的空間分布特征，獲取完整的不同級別(Ⅰ—Ⅴ級)溝道土壤侵蝕量，且具有系列長、精度高、信息量大、實用性強等特點。

1調查的方法

通過調查2000年以來淤地壩建設和淤積過程，對比各支流發(fā)展現(xiàn)狀，為計算淤地壩年均攔沙量和減蝕量提供基礎性數(shù)據(jù)。

1.1　調查范圍及數(shù)量

以支流為單位，對2000年以來新建淤地壩(大型壩、骨干壩、中型壩和小型壩)進行實地調查，嘗試計算出各自的年均淤積量。本次共調查大中小淤地壩74座，涉及陜西省榆林市的綏德、米脂、榆林、佳縣、橫山、靖邊、神木、府谷、清澗和子洲等10縣，主要水系包括皇甫川、窟野河、孤山川、禿尾河、佳蘆河和無定河等黃河一級支流。

1.2　調查資料收集

本次調查以黃委會綏德水土保持科學試驗站為依托，同時，得到了榆林市各縣水利局、水文站的大力支持。收集了被調查淤地壩的設計資料和竣工驗收報告，以及壩高—庫容(淤地面積)關系曲線(含曲線計算表)等基礎性資料。

1.3　調查方法

調查采用平均淤積高程法，在淤積面上進行測量，對于少數(shù)有蓄水的壩體，先測量水面與壩頂?shù)母叱滩?，再用繩索或探桿探測水面與淤泥面的高程差，計算出淤積厚度，最后通過原始庫容曲線查出淤積高程。通過實測各斷面及各測量點淤積高程，算出平均淤積高程，依據(jù)壩高—庫容(面積)關系曲線，從而獲得淤積庫容。

(1) 從壩前到淤積末端，以控制淤積體平面變化為原則，取3個斷面，測量斷面間的間距。在每一斷面選3個測量點(控制點)，測量各淤積測點的高程和測點間的水平距離。

(2) 各斷面的平均高程和淤積面的平均高程用下式計算：

(1)

式中：Zi——第i斷面的平均淤積高程；Zj——第i斷面、第j測點的淤積高程；ΔBj——同斷面相鄰測點間的水平距離；Bi=ΣΔBj——第i斷面淤積面的寬度。

(2)

式中：Z——壩區(qū)淤積面的平均高程； ΔLi——相鄰斷面的間距；L=∑ΔLi(壩前到淤積末端的長度)。

(3) 由原始庫容曲線查得與高程Z相應的庫容，即為骨干壩累計泥沙淤積體積。

2結果與討論

2.1　小流域溝道特征分析

為從溝道級別上既能反映侵蝕規(guī)律，又能進行同級之間的比較，便于壩系布局。采用美國Strahler[14]提出的地貌幾何定量數(shù)學模型分級方法，即在一個流域內，小到不再有分支的水道即為一級水道，兩個一級水道匯合后組成二級水道，以此類推。在1/1萬地形圖上進行分級，在黃土丘陵溝壑區(qū)3條典型小流域(綏德韭園溝控制面積70.7 km2，Ⅳ級溝道；子洲小河溝控制面積63.3 km2，Ⅳ級溝道；榆林溝控制面積65.6 km2，Ⅴ級溝道)采用美國地貌幾何定量數(shù)學模型進行溝道分級(表1)。由表1可知，各級溝道的侵蝕形態(tài)特征基本相似。對于同級溝道而言，平均面積、平均溝道長、平均比降都大體相當，使同級別的溝道不僅具有可比性，還存在著遞減的幾何級數(shù)關系。不同的是，3個流域所劃分的溝道等級級別和數(shù)量(特別是Ⅰ級溝道)相差較大，榆林溝可劃分出Ⅴ級溝道，而其他兩個流域只劃分到Ⅳ。流域的各級地貌形態(tài)特征值，均與該流域的級別成一定的相關關系，根據(jù)本次不同壩型不同溝道級別的調查發(fā)現(xiàn)，同一級溝道的土壤侵蝕模數(shù)也比較接近。

表1　小流域溝道基本情況

2.2　土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測

研究區(qū)域內，水蝕為主要的侵蝕類型，侵蝕方式是溝蝕，地貌形態(tài)則溝谷縱橫，地面破碎。侵蝕量為淤地壩控制面積內的土壤侵蝕量，由實測淤積壩高，對應庫容曲線，計算出淤積體積(m3)，乘以土壤干容重(1.35 t/m3)，再除以壩控面積和淤積年限，即可獲得土壤侵蝕模數(shù)。

2.2.12000年以后不同溝道土壤侵蝕模數(shù)本次調查共涉及各類淤地壩54座。其中，小型壩5座，中型壩16座，骨干壩25座，大型壩8座。經計算，Ⅰ級溝道(適宜建小型淤地壩)，土壤侵蝕模數(shù)平均值為10 161.4 t/(km2·a)；Ⅱ級溝道(適宜建中型淤地壩)，土壤侵蝕模數(shù)平均值為6 966.8 t/(km2·a)；Ⅲ級溝道(適宜建骨干壩)，土壤侵蝕模數(shù)平均值為6748.2 t/(km2·a)；Ⅲ—Ⅳ級溝道(適宜建大型壩)，土壤侵蝕模數(shù)平均值為5 718.6 t/(km2·a)(表2)。

表2　不同溝道土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測表

同時，依據(jù)控制面積的大小，將本次調查的54座淤地壩分為4類，并算出不同壩型控制面積的平均值，并與該壩型對應的土壤侵蝕模數(shù)平均值做出趨勢圖(圖1)，由圖1可以看出，不同溝道土壤侵蝕模數(shù)與壩體控制面積(壩型)呈負相關關系。隨著淤地壩控制面積的增加，土壤侵蝕模數(shù)逐步減小，且減幅逐漸降低。同時，間接表明控制面積作為影響土壤侵蝕模數(shù)的一個重要因子，在壩系面積較小的情況下，它對土壤侵蝕模數(shù)的影響更為劇烈，隨著壩系面積的增大，它在所有影響因子中所占的比重下降。

圖1　土壤侵蝕模數(shù)與控制面積趨勢圖

2.2.22000年以后部分支流侵蝕模數(shù)的變化2000年以后，黃河流域各支流不同溝道的土壤侵蝕模數(shù)差異顯著。無定河一級支流蘆河上游靖邊縣的馬場溝大型壩，控制面積9.5 km2，2003年建設，至今已淤積10 a，計算的土壤侵蝕模數(shù)為20 500 t/(km2·a)，是本次土壤侵蝕模數(shù)調查的最高值；侵蝕模數(shù)最低的是無定河下游米脂的馮家溝骨干壩，控制面積3 km2，2007年建設，已淤積年6 a，土壤侵蝕模數(shù)僅為2 700 t/(km2·a)。清澗河支流經計算侵蝕模數(shù)最高僅為6 624 t/(km2·a)，平均值只有3 600 t/(km2·a)(表3)。另外，本次調查中，由于壩系積水較深，以致無法得到土壤侵蝕模數(shù)，皇甫川僅有一座壩可以測量，測得土壤侵蝕模數(shù)為9 200 t/(km2·a)。

2.3　淤地壩攔沙量與減蝕量計算

在小流域淤地壩土壤侵蝕模數(shù)的研究當中，淤地壩的攔沙量與減蝕量是兩個極為重要的指標。

表3　2000年以后部分黃河支流土壤侵蝕模數(shù)

2.3.1攔沙量的計算淤地壩的攔沙量，由攔泥量和減輕溝蝕量(減蝕量)兩部分組成，因此，淤地壩攔沙量必然大于攔泥量。而攔泥量由已淤成壩地和未淤成壩地兩部分組成[15]。

淤地壩攔沙量的計算方法主要有典型推算法和全面調查法。典型推算法的計算公式為:

ΔWsg=Msf(1-A1)(1-A2)

(3)

式中:ΔWsg——流域淤地壩攔沙量(t)；Ms——單位面積壩地攔沙量(t/hm2)；f——流域壩地面積；A1——人工填墊面積在壩地總面積中所占比例系數(shù)；A2——推移質在壩地攔沙量中所占比例系數(shù)。其中，Ms與溝道地形、壩高等因素有關，Ms隨流域不同而有所差異；f的確定有兩種方法：新增壩地面積和前期已淤成的壩地面積。對后一種壩地的攔沙量，目前尚無較好的計算方法，一般情況下僅計算第一種壩地的攔沙量。流域不同，A1和A2也不相同，據(jù)對無定河和孤山川流域的調查，A1分別為25%和13%，A2約為10%～20%。由于溝道地形的復雜性，淤地壩的大小高低相差較大，利用該方法推算出的小流域淤地壩攔沙量，難免有或大或小的誤差。

全面調查法則是對流域淤地壩逐個進行調查，將所有淤地壩的攔沙量加起來，得出全流域的攔沙量。這種方法工作量大，但精度高。黃河中游不少支流，特別是陜西省內的一些支流淤地壩的攔沙量，均采用該方法進行調查。

2.3.2減蝕量的計算減蝕量主要包括被壩內泥沙淤積物覆蓋下的原溝谷侵蝕量和波及影響的淤泥面以上溝道侵蝕的減少量[16]。后一部分的數(shù)量較難確定，一般是在前一部分的基礎上乘以一個擴大系數(shù)。減蝕量與溝壑密度、溝道比降及溝谷侵蝕模數(shù)等因素密切相關，其計算公式為：

ΔWsj=F·Wsi·k1·k2

(4)

式中:ΔWsj——計算年淤地壩減蝕量(104t);F——計算年淤地壩的面積；Wsi——計算年內流域的侵蝕模數(shù)(t/km2)，按各控制區(qū)的年輸沙模數(shù)擴大1.15倍而得；k1——溝谷侵蝕量與流域平均侵蝕量之比。根據(jù)以往經驗，黃土高原溝壑區(qū)k1值為2.20；黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)k1取1.75；k2為壩地以上溝谷侵蝕的影響系數(shù)，一般取k2=1.0。

2.4　土壤侵蝕模數(shù)調查值與設計值的對比

本次調查對象為悶葫蘆壩，在調查的74座壩中，有24座因水太深無法調查，有54座已被部分利用，雖有淺水，但可以測量。此次調查的悶葫蘆壩，壩體控制面積大小各異，有的達10 km2，有的僅有0.62 km2，但不論大小，它們都能對一次洪水泥沙全部攔住，所以淤地壩的已淤庫容即為它淤積年限內的攔沙量(表4)。由表4可知，與設計值相比，各流域不同溝道的土壤侵蝕模數(shù)調查值出現(xiàn)了不同程度的下降。其中，降幅最大可達80.0%～96.9%，共涉及有17座壩，占本次調查總數(shù)的31.5%；減幅在12.5%～39.9%的有8座，占調查總數(shù)的14.8%；減幅在40.0%～59.9%的有11座，占20.4%；在60.0%～79.9%的有11座占，20.4%?？偣灿?7座淤地壩土壤侵蝕模數(shù)調查值小于設計值，占調查總數(shù)的87%，說明建壩以來，相對于設計值而言，壩系小流域內土壤侵蝕模數(shù)實際值顯著降低。其中，減幅最明顯的為無定河支流郝家梁和窟野河支流蘇圪臺的兩座中型壩。前者建于2006年4月，控制面積2.69 km2，設計土壤侵蝕模數(shù)1.8×104t/(km2·a)，實測數(shù)值僅有600 t/(km2·a)，減少了17 400 t/(km2·a)，減幅達96.7%；后者建于2007年9月，控制面積2.75 km2，設計值30 000 t/(km2·a)，實測值僅為916 t/(km2·a)，減少了29 084 t/(km2·a)，減幅達96.9%。

表4　不同支流土壤侵蝕模數(shù)實測值比設計值減少比例

由于土壤侵蝕模數(shù)的大幅減少，造成淤地壩空壩率上升，使淤地壩長期保持負效應，這也是黃河中游來沙銳減的主要原因。與此同時，調查中也有7座壩的土壤侵蝕模數(shù)實測值大于設計值，占調查總座數(shù)的13%，最大增幅為70.8%，土壤侵蝕模數(shù)增加量為8 500 t/(km2·a)。其中，大型壩2座，靖邊、橫山各1座；骨干壩4座，橫山3座，榆陽區(qū)1座；小型壩1座，位于清澗縣。土壤侵蝕量實測值比設計值增加了580～8 500 t/(km2·a)，增加了4.4%～70.8%。如無定河支流靖邊縣馬場溝2003年興建的大型壩，控制面積9.5 km2，設計侵蝕模數(shù)12 000 t/(km2·a)，實測侵蝕模數(shù)20 500 t/(km2·a)，增加85 00 t/(km2·a)，增加了70.8%；無定河支流橫山縣龍頭小型壩，2005年興5 770 t/(km2·a)，增加了4.4%(表5)。土壤侵蝕模數(shù)設計值偏小，會導致垮壩現(xiàn)象。例如，韭園溝和王茂溝小流域在1953—1960年期間共建淤地壩42座，其中19座在1961年被淤平，其余2座在1962和1963年被淤平，21座淤地壩被淤平的平均時間只有3.38 a，土壤侵蝕模數(shù)設計值嚴重偏低。另外，靖邊縣設計的土壤侵蝕模數(shù)也只有12 000 t/(km2·a)，對于該地區(qū)來說相對較低。

2.5　2000年以后建設的骨干壩利用情況

本次調查中，共調查2000年以后建設的骨干壩74座，已利用24座，占32.4%；有積水而未利用的50座，占調查總數(shù)的67.6%(表6)。其中，府谷縣共修建骨干壩15座，截止調查時，沒有一座被利用；利用情況較好的為綏德縣，10座壩中，已有7座被利用。已利用的骨干壩，從建壩到調查時，長達11 a，壩內一直存有積水，導致不能被利用，造成淤地壩效益滯后或負效應，這種現(xiàn)象仍在持續(xù)。而中小型淤地壩一般在3~6 a內即可耕種，因此，地方群眾更熱衷于建中小型淤地壩，而不愿建骨干壩。

表5　調查區(qū)2000年以后建設的淤地壩減蝕量

表6　調查區(qū)2000年以后建設的骨干壩利用情況

3結 論

(1) 本次調查中不同級別溝道土壤侵蝕模數(shù)調查結果依次為:Ⅰ級溝道10 161.4 t/(km2·a)；Ⅱ級溝道6 966.8 t/(km2·a)；Ⅲ級溝道6 748.2 t/(km2·a)；Ⅲ—Ⅳ級溝道5 718.6 t/(km2·a)。表明在地形復雜的黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)與不同溝道對應的淤地壩控制面積具有一定的負相關關系，即隨著淤地壩控制面積的增加，土壤侵蝕模數(shù)逐步減小，且減幅逐漸降低。表明控制面積作為影響土壤侵蝕模數(shù)的一個重要因子，在壩系面積較小的情況下，它對土壤侵蝕模數(shù)的影響更為劇烈，隨著壩系面積的增大，它在所有影響因子中所占的比重呈下降趨勢。

(2) 與設計值相比，土壤侵蝕模數(shù)調查值顯著降低。87%的小流域調查值小于設計值，減幅最大可達96.9%，31.5%的流域減幅達到了80.0%～96.9%。土壤侵蝕模數(shù)的大幅減少，造成淤地壩空壩率上升，使淤地壩長期保持負效應，導致黃河中游來沙量銳減。

(3) 在本次調查的74座骨干壩中，因存有積水而未被利用的達50座，占調查總數(shù)的67.6%，說明淤地壩在設計之初對土壤侵蝕模數(shù)數(shù)值的估算明顯偏離實際數(shù)值，間接表明對土壤侵蝕模數(shù)準確計算的重要性和緊迫性。

(4) 利用悶葫蘆壩淤積量推算壩體控制面積的土壤侵蝕量，調查方法簡單合理，考慮因素比較全面。同時，小流域壩系可采用多種方法進行綜合分析計算，相互印證，從而較準確地確定小流域土壤侵蝕模數(shù)，是對土壤侵蝕監(jiān)測工作的是一個重要補充，極具推廣價值。

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Calculation on Soil Erosion Modulus Based on Sedimentation Investigation of Check Dam in First Subdivision of Loess Hilly-gully Region

LIU Lifeng1, DU Fangyan1, MA Ning1, MA Zhue1, WANG Huize2

(1.SoilandWaterConservationStationofSuide,YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Suide,Shaanxi718000,China; 2.ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] The study aimed to find a new method calculating soil erosion modulus in order to provide basic data for planning of check dams and dam system, which could also provide important reference value to soil and water loss prevention. [Methods] Different levels of channel in loess hilly region has been chosen for research. Chose seventy-four different type of dam “check dam”, which could also been seen as an aerated grit chamber. By the sediment information recorded of check dam, the amount of soil erosion of different levels of channel obtained. Meanwhile, combining field investigation and analysis calculation, try to explore a new method, which could get the accurate soil erosion modulus in loess region. [Results] (1) In complex terrain of loess hilly region, there is a negative correlation between soil erosion modulus and controlled area, which is corresponding to different channel silt dam; (2) Compared with the design value, the droop value of soil erosion modulus reduced significantly, which made silt dam can not be used, and makes silt dam holding negative effects in long-term. [Conclusion] Based on sedimentation volume of check dam, calculating the soil erosion modulus of controlled area is simple and reasonable. At the same time, a variety of methods could be used and comprehensive analysis, they confirm each other, so that we could calculate soil erosion modulus accurately.

Keywords:first subdivision of loess hilly-gully region; small watershed; check dam; soil erosion modulus

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)06-0124-06

中圖分類號：P332.5， P334+91

收稿日期：2014-08-27修回日期：2014-10-13

資助項目：黃河水利科學研究院科研業(yè)務費專項“黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩減蝕作用研究”(HKY-JBYW-2013-26)

第一作者：劉立峰(1978—),男(漢族),陜西省榆林市人,工程師,主要從事水土保持方面的研究工作。E-mail:llf_780118@163.com。