細(xì)溝作為坡面水土流失紅線監(jiān)測標(biāo)志可行性探討

張平倉，程冬兵

（長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢）

細(xì)溝作為坡面水土流失紅線監(jiān)測標(biāo)志可行性探討

張平倉，程冬兵

（長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢）

水土流失紅線為計入水土流失面積的土壤流失量控制線，容許土壤流失量是水土流失紅線特征值，但缺乏水土流失紅線監(jiān)測的指示標(biāo)志。解決水土流失監(jiān)測對象問題是水土流失紅線研究的首要任務(wù)。細(xì)溝是水力侵蝕作用下在坡面上產(chǎn)生的一種小溝槽地形，細(xì)溝形成是坡面水土流失由輕微轉(zhuǎn)向強(qiáng)烈的最明顯標(biāo)志。根據(jù)細(xì)溝形態(tài)特征、侵蝕特點(diǎn)和發(fā)育條件，論證了細(xì)溝作為坡面水土流失紅線監(jiān)測標(biāo)志的可行性，即細(xì)溝不僅具備坡面水土流失監(jiān)測對象的條件，還可作為坡面容許土壤流失量判別的標(biāo)志，而且可作為坡面水土流失治理效果評估的重要指標(biāo)，更是坡面水系工程布局的依據(jù)。

水土保持；監(jiān)測；細(xì)溝；水土流失紅線；標(biāo)志

一、水土流失紅線及監(jiān)測標(biāo)志研究

“紅線”一詞近年在各行業(yè)逐漸興起，諸如耕地紅線、生態(tài)紅線、水資源利用控制紅線等，表示為控制線、臨界線、警戒線等含義。然而，“紅線”在水土保持領(lǐng)域還未見相關(guān)科學(xué)報道，與之非常相近的一個術(shù)語叫“容許土壤流失量”，意思是當(dāng)土壤流失量超出容許土壤量即要計算水土流失面積，反之則認(rèn)為沒有水土流失。

為此，參照其他行業(yè)紅線的含義，筆者認(rèn)為水土流失紅線可以定義為計入水土流失面積的土壤流失量控制線。容許土壤流失量可以認(rèn)為是水土流失紅線特征值。那容許土壤流失量如何確定？有沒有指示標(biāo)志？土壤流失量如何獲?。?/p>

經(jīng)多年水土保持實踐并結(jié)合專家經(jīng)驗，《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）中確定了全國不同區(qū)域容許土壤流失量值，但一直未能提出相關(guān)指示標(biāo)志。而土壤流失量的獲取是水土流失監(jiān)測的基本內(nèi)容之一。自20世紀(jì)80年代以來，我國以水土流失監(jiān)測為主的水土保持監(jiān)測工作蓬勃發(fā)展，初步建成了全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)，全面開展了重點(diǎn)地區(qū)、流域和項目的監(jiān)測工作，不斷完善和規(guī)范水土保持監(jiān)測管理工作，完成了大量與水土保持相關(guān)的技術(shù)支撐和服務(wù)工作。然而，限于水土保持理論研究滯后于生產(chǎn)實踐的原因，水土流失監(jiān)測對象不明確導(dǎo)致的水土流失監(jiān)測成果普遍受到質(zhì)疑問題最為突出，也就是說土壤流失量監(jiān)測受到質(zhì)疑，水土流失紅線無從談起。因此，解決水土流失監(jiān)測對象問題是水土流失紅線研究的首要任務(wù)。

水土流失監(jiān)測對象是什么？看似簡單的問題，但又不易回答。這一方面反映了水土流失監(jiān)測的復(fù)雜性，監(jiān)測對象不明確；另一方面也反映了對水土流失監(jiān)測理解還未有共識，這也許就是造成監(jiān)測成果受到各方質(zhì)疑的根本原因。

我們嘗試從水土流失監(jiān)測內(nèi)涵進(jìn)行探討。顧名思義，“監(jiān)測”為“監(jiān)視量測”之意，水土流失監(jiān)測即為對水土流失進(jìn)行監(jiān)視量測。除科學(xué)家為研究水土流失機(jī)理及相關(guān)理論，相對比較關(guān)注水土流失過程和成因外，政府或主管部門所指的水土流失監(jiān)測主要是水土流失結(jié)果監(jiān)測，關(guān)注的是水土流失面積、強(qiáng)度、分布等。因此，圍繞政府或主管部門需求，水土流失監(jiān)測對象應(yīng)該滿足幾個條件：其一，監(jiān)測對象的合理性，監(jiān)測結(jié)果能回答水土流失面積、強(qiáng)度、分布等要求；其二，監(jiān)測對象可監(jiān)視量測，看得見摸得著；其三，監(jiān)測對象的普適性，沒有專業(yè)門檻，普通百姓均能理解，一看就知，一說就懂。

以水蝕監(jiān)測為例，當(dāng)前坡面尺度主要通過小區(qū)監(jiān)測土壤流失量，小流域尺度主要通過卡口站監(jiān)測泥沙量，區(qū)域尺度主要通過模型計算土壤流失量或地類、坡度、植被覆蓋度三要素判斷法，進(jìn)而統(tǒng)計水土流失面積、強(qiáng)度及分布?？梢钥闯?，目前土壤流失量是水土流失監(jiān)測的直接監(jiān)測對象，然而對照水土流失監(jiān)測對象的條件，我們可以發(fā)現(xiàn)土壤流失量不宜作為直接監(jiān)測對象，尤其是坡面尺度上，其原因有：其一，土壤流失量在小區(qū)之外，土壤流失量看不見摸不著，不可監(jiān)視量測；其二，普通百姓難以理解，沒有感性認(rèn)識；其三，坡面小區(qū)本是用于研究水土流失機(jī)理的實驗，而非水土流失監(jiān)測之用，局限性明顯，一方面封閉的小區(qū)設(shè)置無法反映自然條件下水土流失結(jié)果，另一方面小區(qū)的代表性也無法滿足山丘區(qū)破碎的地形和下墊面的變異性。

綜上所述，當(dāng)前水土流失監(jiān)測對象不明確，亟須尋找并確定水土流失監(jiān)測對象和紅線監(jiān)測標(biāo)志。

二、細(xì)溝及其特點(diǎn)

1.細(xì)溝侵蝕

細(xì)溝侵蝕是指細(xì)溝小股流對細(xì)溝溝壁、溝底、溝頭土壤的分散、沖刷和搬運(yùn)過程。細(xì)溝侵蝕屬于水力坡面侵蝕的一種類型，反映的是一種侵蝕過程方式。

細(xì)溝是指在坡面徑流差異性侵蝕條件下，坡面上產(chǎn)生的一種小溝槽地形，其縱剖面與所在斜坡縱剖面一致，并能為當(dāng)年犁耕所平復(fù)，其橫剖面呈V形或箱形。細(xì)溝表征的是可能的土壤侵蝕結(jié)果之一。

2.侵蝕特點(diǎn)

朱顯謨研究指出黃土高原坡耕地上細(xì)溝侵蝕量占坡面侵蝕量的70%。鄭粉莉等通過定位觀測、實地調(diào)查和人工模擬降雨試驗，得出黃土丘陵溝壑區(qū)細(xì)溝侵蝕量平均占坡面侵蝕量的74.2%。Mutchler et al.研究發(fā)現(xiàn)通過細(xì)溝溝道輸移出去的坡面上的泥沙流失超過80%。Meyer et al.也觀測到細(xì)溝產(chǎn)生后，坡面土壤流失量增加3倍。Whiting et al.利用不同核素示蹤定量區(qū)分了次暴雨后片蝕和細(xì)溝，通過黃土坡面細(xì)溝發(fā)育與形態(tài)特征研究侵蝕量，得到結(jié)果是細(xì)溝侵蝕占坡面侵蝕量的97%，為片蝕量的29倍之多。嚴(yán)冬春等試驗研究發(fā)現(xiàn)坡面25°時細(xì)溝侵蝕量占坡面侵蝕量的比例達(dá)91.16%。

國內(nèi)外研究皆表明細(xì)溝發(fā)生后坡面侵蝕產(chǎn)沙量比未發(fā)生細(xì)溝時增加幾倍至幾十倍，細(xì)溝侵蝕量占坡面侵蝕量的70%~90%，充分反映了細(xì)溝出現(xiàn)是坡面侵蝕轉(zhuǎn)向強(qiáng)烈的顯著節(jié)點(diǎn)。

3.形態(tài)特征

張科利等通過徑流沖刷試驗表明，當(dāng)坡面沖刷形成的侵蝕溝深度大于0.8~1cm時，侵蝕量劇增，可以認(rèn)為此深度是細(xì)溝侵蝕的開始；陸兆熊等也認(rèn)為在降雨條件下，坡面上出現(xiàn)1~2 cm的小溝就標(biāo)志細(xì)溝侵蝕的開始。唐克麗和劉秉正、吳發(fā)啟研究認(rèn)為細(xì)溝的寬度和深度均變化在1~10 cm，長達(dá)數(shù)米至數(shù)十米?？驴吮群湍Ω舱J(rèn)為細(xì)溝是在細(xì)溝水流作用下，土壤顆粒被剝離搬運(yùn)，最終在地表留下深度小于20 cm的線狀小溝。Gómez el al.將細(xì)溝定義為在降雨過程中能夠觀測到徑流匯集的區(qū)域，而在降雨結(jié)束后坡面上又有明顯可見的小切口。

因此，普遍認(rèn)為，細(xì)溝寬度小于30 cm，一般不超過 50 cm；深度小于20 cm，一般不超過30 cm。

4.發(fā)育條件

影響細(xì)溝侵蝕的最直接因素是降雨徑流侵蝕力和土壤抗侵蝕力，其他諸如地形、地表覆蓋、土地利用等因素則是通過削弱或者加強(qiáng)這兩類因素而對細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生影響。20世紀(jì)70年代后期以來，學(xué)者們逐漸開展了細(xì)溝侵蝕臨界條件的研究，主要有臨界水流條件、臨界土壤條件、臨界地形條件。其中細(xì)溝臨界坡長日益受到關(guān)注，為坡面水土流失治理措施布局提供了新的思路。

三、細(xì)溝作為坡面水土流失紅線的可行性

1.細(xì)溝作為坡面容許土壤流失量判別的標(biāo)志

降雨初期，降雨擊濺作用僅完成了祼露地表的土壤破碎過程，從統(tǒng)計學(xué)上理解，此時并沒有土壤流失或者說土壤流失非常有限，當(dāng)?shù)乇碛懈采w保護(hù)或有水流時，降雨擊濺作用影響更小。當(dāng)坡面處于薄層水流且處于層流時，由于流速均勻、沒有加速度，水流沒有沖刷力，坡面土壤不易破壞搬運(yùn)，土壤流失輕微，此情況下發(fā)生面狀侵蝕造成的土壤流失在某種意義上可以認(rèn)為沒有或忽略不計，也就是在坡面容許土壤流失量范圍內(nèi)。當(dāng)坡面層流變紊流、股流時，水力學(xué)特征發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，水流沖刷力破壞地表，在坡面上形成諸如細(xì)溝的痕跡。以往眾多學(xué)者研究已表明，細(xì)溝發(fā)生坡面侵蝕產(chǎn)沙量將增加幾倍至幾十倍，此時土壤流失變化明顯，已超出容許土壤流失量范圍，且細(xì)溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的比例最高可達(dá)90%以上。因此，細(xì)溝形成是坡面水土流失由輕微轉(zhuǎn)向強(qiáng)烈的最明顯標(biāo)志，將細(xì)溝作為坡面容許土壤流失量判別的標(biāo)志不僅具有科學(xué)依據(jù)，而且易操作。

2.細(xì)溝具備坡面水土流失監(jiān)測對象的條件

其一，通過現(xiàn)場量測細(xì)溝的形態(tài)參數(shù)、密度可以確定土壤流失量、水土流失強(qiáng)度，凡有細(xì)溝發(fā)育的坡面可計入水土流失面積和分布范圍。

其二，細(xì)溝痕跡看得見，摸得著，可監(jiān)視量測。

其三，百姓易理解，對坡面上有溝時土壤流失嚴(yán)重具有感性認(rèn)識，由此得出的監(jiān)測成果易讓各方接受。

其四，無須修建相關(guān)監(jiān)測設(shè)施，不需額外建設(shè)成本，也無須長期人力觀測，不受經(jīng)濟(jì)條件限制，無人員技術(shù)要求。

3.細(xì)溝作為坡面水土流失治理效果評估的重要指標(biāo)

以細(xì)溝消滅作為坡面水土流失治理最基本目標(biāo)，通過布置各項綜合治理措施，將土壤流失量控制在容許土壤流失量范圍內(nèi)，從而達(dá)到保持水土的基本要求。待項目實施完成后，檢查驗收時，其一，將細(xì)溝分布與否作為水土流失治理面積和強(qiáng)度的判斷指標(biāo)，坡面無細(xì)溝時不計入水土流失面積，坡面有細(xì)溝時則計入水土流失面積，且根據(jù)細(xì)溝形態(tài)大小和分布密度，將水土流失強(qiáng)度劃分為若干等級。其二，將細(xì)溝發(fā)生與否作為治理措施效果評估重要指標(biāo)，坡面無細(xì)溝時，說明治理措施保持水土資源的效果較好，反之則說明治理措施不得當(dāng)，需要整改。

4.細(xì)溝作為坡面水系工程布局的依據(jù)

為防止細(xì)溝發(fā)生，以細(xì)溝發(fā)育臨界順坡坡長為間隔，沿等高線橫向設(shè)置截水溝（配套田間道路），攔截上坡徑流泥沙及其攜帶的養(yǎng)分，截水溝兩端接沉沙池和過濾帶，泥沙沉淀過濾后，徑流流入蓄水池，蓄水池蓄滿后通過設(shè)置縱向排水溝（配套田間道路）向下坡蓄水池逐級排導(dǎo)，在最后排入附近溪溝前設(shè)置面源污染凈化處理措施，保障下游水質(zhì)安全，實現(xiàn)水土流失與面源污染兼顧治理的雙重目標(biāo)。

四、結(jié) 語

盡管細(xì)溝的形態(tài)特征、侵蝕特點(diǎn)和發(fā)育條件都說明細(xì)溝作為坡面水土流失紅線監(jiān)測標(biāo)志的可行性，但由于細(xì)溝相關(guān)研究成果主要在北方黃土高原地區(qū)，在南方研究較少，在南北方自然地理條件差異顯著的情況下，細(xì)溝發(fā)育機(jī)理和特點(diǎn)是否相似還難下結(jié)論。因此建議深入開展尤其是南方地區(qū)的細(xì)溝發(fā)育過程和啟動條件研究，為進(jìn)一步論證全國乃至全球推廣細(xì)溝作為坡面水土流失紅線監(jiān)測標(biāo)志提供科學(xué)依據(jù)，也為實施開展以細(xì)溝治理為核心的生態(tài)治理工程提供決策依據(jù)。

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Feasibility studies on using rill as monitoring sign of redlines for soil and water loss on slope surface//

Zhang Pingcang,Cheng Dongbing

Redlines of soil and water loss refer to control lines of soil loss calculated in eroded areas.Allowable soil loss refers to characteristic value of soil erosion redlines.However,there is no indication sign for monitoring of soil erosion redlines.The first task of studying soil erosion redlines is to find out the objects of monitoring.Being one of the rill landscapes under the function of hydraulic erosion,the formation of rill may be applied as the clearest sign of slope erosion ranging from slight to intensive.According to its morphological characteristics,erosion feature and development condition,the possibility of using rill as monitoring sign is examined.It is demonstrated that rill can be a monitoring object and sign for judging allowable soil loss of slope and also key indicator for assessment of erosion control and basis for design of slope water system.

soil and water conservation;monitoring;rill;redlines of soil and water loss;sign

S157

B

1000-1123（2017）16-0042-03

2017-05-12

張平倉，教授級高級工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與山洪災(zāi)害防治研究。

長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（CKSF2017050/TB）。