高海拔寒區(qū)融水侵蝕研究進展

馮君園，蔡強國，李朝霞，孫莉英

（1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，北京100101；2.華中農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，武漢430070）

我國凍土面積巨大，融水侵蝕是高海拔凍土區(qū)主要侵蝕類型。中國發(fā)生融水侵蝕的區(qū)域主要包括東北、內蒙古東部和北部、新疆北部和西部、青藏高原等穩(wěn)定積雪區(qū)和冰川區(qū)，都屬于凍融作用強烈區(qū)域，據(jù)第2次全國土壤侵蝕遙感調查資料統(tǒng)計，全國凍土面積約215萬km2，占國土總面積的22.3%左右。景國臣［1］研究表明高海拔凍土區(qū)最主要的侵蝕類型就是融水徑流侵蝕。

融水徑流對下游河道流量的貢獻很大，融水侵蝕造成的水土流失對下游河道流量、輸沙有直接影響，危害嚴重。孫輝等［2］研究表明，青藏高原幾乎所有河流和湖泊在4—6月份解凍期間都比較渾濁。Swift等［3］分析了烏魯木齊河的英雄橋站水文資料，結果顯示：年徑流量的增加會使河流的平均含沙量、輸沙量明顯增加。河流泥沙直接影響河床變化，對河流水情及河流變遷有重大影響，河流輸沙增多引起水庫、渠道淤積，給防洪、灌溉、供水帶來困難。高寒區(qū)嚴重的融水侵蝕也給青藏鐵路、公路、輸油、輸氣管線的安全運行帶來威脅［3－5］。

目前國內外融水侵蝕研究較少，對融水侵蝕缺乏足夠的認識，應該重視融水侵蝕研究，包括侵蝕機理的研究和預報模型的開發(fā)。

1 融水侵蝕概念

融水侵蝕是季節(jié)性凍土在低溫環(huán)境反復的凍融作用下破碎、崩解，表層土壤隨著氣溫上升解凍后，在冰川和積雪融化形成的地表徑流沖刷作用下被剝離、搬運和堆積的土壤侵蝕過程。

融水侵蝕是區(qū)別于融雪侵蝕和凍融侵蝕的典型侵蝕類型：（1）融雪侵蝕是融雪徑流作用下的侵蝕過程，主要是對土壤顆粒進行沖刷和搬運，同時凍融過程導致土壤性狀改變，進而影響土壤抗蝕能力［6］。融雪侵蝕是融水侵蝕的一種形式，融雪侵蝕側重于融雪徑流，已有研究割裂了冰川、積雪的聯(lián)系，片面地針對高緯度地區(qū)融雪徑流作用而定義融雪侵蝕有失偏頗；融水侵蝕的定義包括冰川和積雪融水徑流，考慮我國高海拔寒區(qū)冰川積雪交錯分布的情況，融水侵蝕的定義更為全面、合理。（2）目前，國內外學者對于凍融侵蝕的定義與研究范疇的界定越來越清晰，大部分學者趨向于將由于溫度的頻繁變化造成的凍融交替所引起的土體或巖石機械破壞并在重力等作用下被搬運、遷移、堆積的過程定義為凍融侵蝕［7］。凍融侵蝕與融水侵蝕關系緊密但區(qū)別明顯，二者都因前期凍融作用導致土壤破碎，為侵蝕提供豐富的物質來源，但是融水侵蝕后期動力源自冰川積雪融化后的坡面徑流沖刷，與凍融侵蝕的重力侵蝕力不同。融水侵蝕與凍融侵蝕時間上同時發(fā)生、空間上交錯分布，兩種侵蝕類型都集中發(fā)生在溫度上升后的春季解凍期，隨著溫度的繼續(xù)升高，夏季仍是融水侵蝕的高發(fā)期；凍融侵蝕高發(fā)區(qū)也是融水侵蝕高發(fā)區(qū)，無法嚴格區(qū)分兩種侵蝕類型。

2 融水侵蝕過程機理

融水侵蝕主要受凍融作用及凍土層的影響。季節(jié)性凍土的凍融作用是高海拔寒區(qū)土壤侵蝕的重要動力之一，凍土層對融水侵蝕有極大的促進作用。

2.1 凍融作用的影響機理

凍融作用破壞土體結構，影響土壤物理性質，降低土壤抗蝕性。凍融作用對土壤物理性質的影響，主要表現(xiàn)在水與冰轉化過程中水分體積脹縮對土壤團聚結構的破壞。當氣溫下降到一定程度，土壤中的水分開始結冰。土壤孔隙中的冰晶增長使土壤團聚體受到擠壓或破裂。凍融交替也影響到土壤抗侵蝕性能，主要通過影響土壤結構、土壤顆粒的粘聚力、水熱分布及其表面粗糙度等物理特性進而影響土壤可蝕性和徑流侵蝕輸沙能力。凍融交替破壞后的土壤抗蝕性降低，極易發(fā)生融水侵蝕。Ferrick和Gatto［8］通過室內試驗驗證凍融過程顯著增加坡地融凍土壤侵蝕的假設。結果表明，凍融循環(huán)顯著增加地表徑流，土壤侵蝕量是未凍土壤的2.4～5.0倍，特別是土壤含水量較高時更為嚴重。

凍融作用對土壤物理性質的破壞程度受多因素影響。室內試驗表明凍融過程降低團聚體穩(wěn)定性，破壞程度主要取決于土壤類型、含水量、團聚體大小、凍結溫度及凍融循環(huán)次數(shù)等因素［9］。Formanek等［10］通過室內測量顯示，粉砂壤土內聚力強度經歷第一次凍融循環(huán)后，比初始值的一半還要小，但是第二次和第三次凍融循環(huán)影響效果很小。Edwards等［11］的室內模擬降雨試驗結果顯示裸土融凍后土壤流失增加了90%，這些土壤流失主要是由于凍融土壤入滲降低引起的地表徑流量增加，融水徑流強烈沖刷所致。

2.2 凍土層作用機理

凍土層對融水侵蝕的影響是全方面的。土體在凍結過程中固結了大量水分，為融水侵蝕的發(fā)生準備條件；土壤表層解凍后，下層的凍結層作為不透水層顯著促進了融水侵蝕的發(fā)生；土壤解凍深度對融水侵蝕過程影響也很大。

凍土在形成過程中提高土壤含水量，為融水侵蝕做好前期準備。凍土在凍結形成過程中貯存了大量固態(tài)水，土壤含水量顯著增大［12］。青藏高原多年凍土區(qū)10m深度以內土層的平均重量含水量為18.1%。估計由于凍土變化平均每年從青藏高原多年凍土中由地下冰轉化成的液態(tài)水資源將達到50～110億 m3［13］，相當于黃河蘭州站年徑流量的1／6～1／3，伴隨著融水徑流的侵蝕作用同樣不可忽視［14］。

不透水凍結層對融水侵蝕的影響在于限制水分入滲，從而使表層解凍土壤含水量增大，飽和條件下的土壤抗剪強度降低［15－16］。另外，凍結層也使融水更容易集流并具有沖刷能力。Sharratt等［17］試驗表明，凍結層限制水的入滲，導致地表徑流和土壤含水量增加，從而增大了侵蝕量。Oygarden［18］通過研究挪威冬季的一次降雨，認為未完全解凍層是導致大范圍片蝕和較小細溝侵蝕發(fā)生的主要原因。

土壤解凍深度對融水侵蝕過程有顯著影響。王榮軍等［19］分析了天山北坡軍墉湖流域春季融雪期季節(jié)性凍土濕度、雪深及流量數(shù)據(jù)，結果顯示表層10 cm以下季節(jié)性凍土的濕度劇烈變化造成融雪水下滲增加，削弱了洪峰峰值。范昊明等［20］有關草甸土融雪侵蝕模擬研究表明，解凍深度越小，前期融雪徑流侵蝕率越大，而后期侵蝕率緩慢增大，解凍深度越大，前期融雪徑流侵蝕率越小，后期細溝侵蝕出現(xiàn)后侵蝕率急劇增大。

綜上所述，筆者認為凍融作用固結土壤水分，破壞土體，是融水侵蝕的準備條件；隨著表層土壤解凍，下層不透水的凍結層限制水分入滲，增大表層土壤含水量，降低土壤抗蝕性，凍結層也使冰川積雪融水更容易集流并加強其沖刷能力，極大地增強了融水侵蝕強度；隨著解凍層深度增加，后期侵蝕率顯著增大。

3 融水侵蝕影響因素分析

考慮融水侵蝕發(fā)生過程，氣溫、輻射、降水、植被、風和地形等是影響融水侵蝕的主要因素，其中氣溫、輻射和降水是影響凍融作用和融水徑流的直接因素，植被、風和地形通過影響雪的分布及輻射而間接影響融水侵蝕過程。

融水徑流量是融水侵蝕的首要影響因素，冰川積雪的消融是一個復雜過程，從宏觀尺度看，季節(jié)變化與海拔高度是影響冰川積雪融化的主要因素。何元慶等［21］對玉龍雪山冰川進行分析研究，認為氣候變暖是玉龍雪山冰川退縮的主要原因。李巧媛［22］研究了升溫情景及降溫情景下青藏高原冰川的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原冰川在氣候變暖情景下表現(xiàn)為不斷退縮并最終可能消亡的變化趨勢，其變化速度與氣溫變化速率直接相關。

在較小尺度上，輻射、地形、降雨、植被等是影響積雪融化的主要因素。李晶等［23］分析了2005年6—9月的野外觀測資料。結果表明，雪面最主要的能量來源是消融期凈輻射，感熱供熱也是積雪融化不可忽視的因素。焦劍等［24］對東北地區(qū)融雪期徑流及產沙特征進行分析，結果表明：地貌對融雪期流域輸沙模數(shù)有顯著影響：丘陵漫崗區(qū)輸沙模數(shù)較大，平均是山區(qū)的29倍，融雪輸沙模數(shù)與流域面積有十分顯著的冪函數(shù)遞減關系。史彥江等［25］對伊犁河谷緩坡地融雪侵蝕特征進行研究，結果表明：坡度與融雪強度呈正相關關系；融雪后，表層土壤含水量表現(xiàn)為：8°坡顯著低于5°，3°坡；日產沙量和泥沙侵蝕量與坡度呈正相關。Danny等［26］對美國俄勒岡州研究表明，在一次同時有降雨發(fā)生的融雪過程中，沒有林草覆蓋區(qū)域積雪融化雪水當量是有較好林草覆蓋區(qū)域的5倍。林草覆蓋減緩了融雪速度，降雨對積雪融化具有重要的加速作用。Pomeroy等［27］對加拿大北部Yukon Territory地區(qū)灌木凍土帶研究發(fā)現(xiàn)，較高灌木區(qū)域冬季積雪數(shù)量雖然高出稀疏灌木區(qū)的147%，但融雪速率也快于稀疏灌木區(qū)47%，研究結果認為是出露的灌木反射率低，灌木吸收太陽總能量高于積雪出露狀態(tài)，并把能量傳遞到地表積雪，從而加速融雪速率。灌木能很好實現(xiàn)這種能量傳遞，但高大喬木的能量傳遞較為有限。

已有研究大多利用一種分析方法對某一區(qū)域進行研究，相似研究很多，結果不盡相同，且研究區(qū)域局限，研究結果缺乏廣泛的適用性。融水侵蝕包括復雜的凍融過程和融水徑流作用，具體影響因素需要開展室內模擬試驗對比研究、分析各影響因素的作用機制。

4 融水侵蝕評價方法探討

融水侵蝕的評價方法比較少，參考已有研究成果，融水侵蝕評價可以借鑒GIS的定性評價方法和評價模型定量評估方法。

4.1 GIS定性評價

GIS評價方法簡便易行，適用于多種侵蝕類型的宏觀評價。朱惇等［28］采用NEFCLASS模型通過地面監(jiān)測調查數(shù)據(jù)建立客觀、全面的評價標準，并結合GIS實現(xiàn)對研究區(qū)域土壤侵蝕的快速評價，經驗證結果具有較高可靠性。李成六［7］基于GIS采用因子比較法對三江源區(qū)的凍融侵蝕強度進行了評價，結果顯示凍融侵蝕強烈的區(qū)域主要分布在地形起伏較大的山區(qū)。倪晉仁等［29］提出基于遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和最小圖斑，建立了土壤侵蝕快速評估模型。張建國［30］選取氣溫年較差等6個因子建立凍融侵蝕分級評價指標體系，用加權加和的方法建立了適合西藏自治區(qū)的凍融侵蝕相對分級評價模型，并在地理信息系統(tǒng)軟件的支持下實現(xiàn)了西藏自治區(qū)凍融侵蝕相對分級。吳萬貞等［31］通過野外調查建立解譯標志分析，結合凍融發(fā)生的條件對三江源地區(qū)凍融侵蝕動力進行分析并對其進行了凍融侵蝕強度的分級，結果表明：三江源地區(qū)凍融侵蝕具有分布范圍廣，不同強度凍融侵蝕空間分布明顯，凍融侵蝕地區(qū)分布差異明顯等特點。張亦超［32］提出基于GIS技術構建土壤風蝕模型軟件的思路和方法，該軟件系統(tǒng)可以從時間和空間尺度上快速得到風蝕模數(shù)及風蝕強度分級結果。

綜上所訴，基于GIS的研究主要是采用因子比較法對侵蝕強度進行分級評價，該方法選取因子主觀性太強，且各因子之間存在效果疊加作用，定性結果可信度不高。同時該方法需要實地調查資料作為結果驗證的對照，需要大量的野外調查工作，耗費大量的時間、人力和物力。

4.2 評價模型定量評估

融水侵蝕評價模型研究較少，沒有針對的預報模型，可以對其他模型進行修訂、校正實現(xiàn)融水侵蝕定量評估，常用的修訂模型有 USLE（Universal Soil Loss Equation）和 WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型。

USLE模型研究較多，高峰等［33］基于GIS和USLE模型對欽江流域土壤侵蝕進行定量評估，并得出欽江流域年均土壤侵蝕模數(shù)為2 608.87t／（km2·a）。國內外有針對USLE模型適用于冬季過程的修訂研究以實現(xiàn)融雪侵蝕的評估［32］，但是由于經驗模型基本不考慮融雪侵蝕的物理過程，經過反復修訂后可能在本地應用較好，但若進行其他區(qū)域應用，則需進行大量修訂、校正，沒有廣泛適用性［1］。

WEPP模型起步較晚，但應用廣泛。代龍華等［34］基于WEPP模型研究紫色土坡面水蝕，結果表明該模型不僅預測較為準確，還可估算土壤侵蝕的時空分布及全坡面或坡面任意一點的凈土壤流失量及隨時間的變化。WEPP模型對融雪侵蝕的預報則通過空氣溫度、太陽輻射、蒸發(fā)傳熱、降水過程幾個方面的能量平衡計算，實現(xiàn)對雪的累積、雪密度、積雪是否融化、融雪徑流發(fā)生、土壤凍結與融化等方面的模擬，進而對融雪侵蝕進行以小時為單位的模擬預報［35］。雖然WEPP模型對融雪侵蝕物理過程的模擬考慮相對完備，但仍有不足之處，如模型中并未考慮凍融作用對土壤水分、熱量遷移而造成的土壤可蝕性變化等問題，而這種變化將直接影響到侵蝕量預測的精度［1］。

綜上所述，筆者認為融水侵蝕評價要參考GIS的定性評價結合我國凍融侵蝕的普查標準，進行流域的坡面和溝道劃分，建立產流匯水模型；利用已建立的坡面和溝道侵蝕產沙模型實現(xiàn)流域侵蝕產沙模擬；實現(xiàn)從坡面到溝道到流域的侵蝕產沙預報。

5 研究展望

高海拔寒區(qū)冰川融水、融雪與土壤融凍交互作用，實際上是一個水熱耦合、多因素綜合作用的復雜侵蝕過程，融水侵蝕機理等各方面研究都需要進一步加強和補充。

（1）融水侵蝕的機理研究較少，也缺乏融水侵蝕模型的開發(fā)研究，參考已有模型的研究，借鑒 WEPP等土壤侵蝕模型方法，以融水坡面侵蝕過程模型為基礎，結合已建立的氣象模型和土壤融凍模型，采取室內模擬試驗的侵蝕參數(shù)，利用有限元計算方法進行數(shù)值計算，進行坡面和溝道侵蝕產沙過程的模擬。以GIS為基礎，進行流域的坡面和溝道劃分，建立產流匯水模型；利用已建立的坡面和溝道侵蝕產沙模型實現(xiàn)流域侵蝕產沙模擬；實現(xiàn)從坡面到溝道到流域的侵蝕產沙預報。

（2）融水侵蝕過程是一個多因素共同影響的過程，了解各因素對融水侵蝕的影響效應和影響機理是對融水侵蝕進行預報和防治的基礎。目前融水侵蝕影響因素缺乏系統(tǒng)的研究，應該加強野外監(jiān)測、室內試驗等，定量地給出各因素對融水侵蝕影響的效應。

（3）在深入分析融水侵蝕過程機理和影響因素的基礎上，合理制定融水侵蝕評價標準，對我國融水侵蝕區(qū)侵蝕強度合理分級，并采取相應的防治措施減輕融水侵蝕的危害。

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