基于淤地壩沉積信息的流域土壤侵蝕模數(shù)估算

史學(xué)建 王玲玲 楊吉山 李莉

摘要：準(zhǔn)確客觀評(píng)估土壤侵蝕模數(shù)是評(píng)價(jià)流域水土保持措施效益的基礎(chǔ)。以小理河流域?yàn)檎{(diào)查區(qū)域，利用流域內(nèi)的21座悶葫蘆壩和194座排水不暢淤地壩的泥沙沉積信息，測(cè)算了悶葫蘆壩和排水不暢淤地壩的淤積量，計(jì)算了每個(gè)淤地壩壩控流域的土壤侵蝕模數(shù)，分析了影響土壤侵蝕模數(shù)的因素，建立了土壤侵蝕模數(shù)與暴雨量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：悶葫蘆壩和排水不暢淤地壩攔沙模數(shù)（土壤侵蝕模數(shù)）的空間分布和暴雨空間分布具有顯著的同步性，土壤侵蝕模數(shù)與暴雨量之間呈顯著的線性關(guān)系。利用土壤侵蝕模數(shù)與暴雨量之間的關(guān)系式，推算2017年“7·26”暴雨下小理河流域平均侵蝕模數(shù)為16 503 t/km。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕模數(shù);沉積信息;降雨一侵蝕關(guān)系;淤地壩;小理河流域

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.021

土壤侵蝕模數(shù)是指單位時(shí)間、單位面積土地上的土壤侵蝕量，是表征土壤侵蝕強(qiáng)度的指標(biāo)，用于反映某一區(qū)域侵蝕強(qiáng)度的大小?？茖W(xué)估算流域土壤侵蝕模數(shù)，是準(zhǔn)確評(píng)估流域水土保持措施效益的重要基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)地觀測(cè)[1-2]、模型預(yù)測(cè)[3-6]和元素示蹤[7-9]等方法開展土壤侵蝕模數(shù)的研究和推算。但對(duì)于實(shí)地觀測(cè)，整個(gè)黃土高原地區(qū)僅有極少數(shù)小流域開展過土壤侵蝕監(jiān)測(cè)工作，且所獲資料極為有限，目前通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的土壤侵蝕模數(shù)多是基于流域出口水文站的泥沙監(jiān)測(cè)資料，不能反映泥沙的傳輸過程，而且對(duì)于絕大多數(shù)流域，水文泥沙的觀測(cè)資料有限。對(duì)于模型預(yù)測(cè)法和示蹤法，大多估算的是多年平均時(shí)間尺度下的土壤侵蝕模數(shù)，對(duì)于次暴雨條件下流域土壤侵蝕模數(shù)的估算研究仍然較為缺乏。黃土高原建設(shè)有5.81萬余座淤地壩，淤地壩在攔蓄大量泥沙的同時(shí)，記載了每座壩控制流域的侵蝕產(chǎn)沙特征。鑒于此，筆者利用次暴雨條件下小理河流域淤地壩的沉積泥沙信息，估算了次暴雨條件下淤地壩壩控流域的土壤侵蝕模數(shù)，并利用降雨一侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系，推算無淤地壩控制區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)，以期為流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

2017年7月25日20時(shí)-26日8時(shí)，陜北榆林地區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)特大暴雨，暴雨中心位于子洲、綏德和米脂3縣境內(nèi)，暴雨中心降雨量為252.3 mm。選擇位于暴雨中心的小理河流域開展了淤地壩調(diào)查。小理河是大理河的一級(jí)支流、無定河的二級(jí)支流，發(fā)源于陜西省橫山縣艾好峁村，在陜西省子洲縣殿市鎮(zhèn)李家河村匯人大理河，流域出口水文站為李家河水文站，控制流域面積807 km。

2 研究技術(shù)路線和數(shù)據(jù)處理

2.1 游地壩調(diào)查

調(diào)查內(nèi)容包括：每座淤地壩完好程度、壩體高、壩體長(zhǎng)、放水建筑物（排洪渠、豎井、臥管）的有無和完好程度，對(duì)目前為水面或稀泥而無法測(cè)量的壩庫進(jìn)行詳細(xì)記載，對(duì)全攔全蓄的悶葫蘆壩進(jìn)行特別標(biāo)注，并對(duì)每座壩、放水建筑物的淤積與水毀情況進(jìn)行拍照，逐壩建立實(shí)地調(diào)查表和影像檔案。本次調(diào)查小理河流域大、中、小型淤地壩646座（其中：骨干壩76座，中型壩199座，小型壩371座），根據(jù)淤地壩工程完好情況、有無放水工程、放水工程類型以及淤地壩分布在溝道的位置等，將調(diào)查的淤地壩分為以下4類。

（1）敞口壩（380座）：即在暴雨前已經(jīng)損毀，有敞開的出口，或者已經(jīng)淤滿的淤地壩。對(duì)這一類淤地壩不再深入壩地之中進(jìn)行淤積量的調(diào)查與測(cè)量。

（2）有水壩（含水庫）（51座）：在調(diào)查時(shí)仍然有積水的淤地壩，其淤積量無法測(cè)量。

（3）悶葫蘆壩（21座）：沒有放水工程的淤地壩，對(duì)流域來水來沙全攔全蓄：也包括一部分雖然有放水工程，但暴雨洪水過程中并未排沙，如豎井或臥管出水口被堵塞，或者放水工程（如溢洪道或者壩路一體工程的涵洞）的出水口底板高程高于蓄水面，淤地壩基本沒有排水排沙。對(duì)這一類淤地壩淤積量詳細(xì)測(cè)量。

（4）排水不暢壩（194座）：淤地壩工程完好，而且有放水工程，排水不太通暢，有明顯淤積，在暴雨洪水過程中有排水排沙情況，最終只攔截流域來沙的一部分。

2.2 研究的技術(shù)路線

（1）在高分辨率的衛(wèi)星影像上查找淤地壩，并進(jìn)行標(biāo)注。根據(jù)衛(wèi)星影像上淤地壩的分布，制定野外調(diào)查路線。對(duì)于較大的流域，按照支溝進(jìn)行分組分工協(xié)作，保證野外調(diào)查區(qū)域全覆蓋，沒有遺漏和重復(fù)。

（2）按照衛(wèi)星影像上標(biāo)記的淤地壩，逐溝逐壩進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)。對(duì)于發(fā)生明顯淤積的淤地壩，從壩前到淤積末端，根據(jù)壩地地形變化和淤積發(fā)生的區(qū)塊，以控制淤積體平面變化為原則，設(shè)若干個(gè)斷面，將淤地壩壩地分為若干個(gè)區(qū)塊，采用激光測(cè)距儀測(cè)量并記錄斷面的長(zhǎng)度。每個(gè)斷面人工開挖3個(gè)探坑，探坑的大小根據(jù)淤積厚度而定，以可準(zhǔn)確判斷暴雨洪水形成的沉積旋回為準(zhǔn)，測(cè)量并記錄“7·26”洪水形成的沉積地層厚度。淤地壩淤積泥沙體積計(jì)算公式為

（3）調(diào)查本次暴雨壩體水毀情況，測(cè)量淤積體水毀體積（輸沙量），并對(duì)每座壩壩體與防水建筑物淤積、水毀情況進(jìn)行拍照，建立每座壩的實(shí)地調(diào)查表和影像檔案，以便核實(shí)。

（4）壩控流域面積計(jì)算。借助ArcGIS軟件，將淤地壩壩址的GPS地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到具有大地坐標(biāo)系的地圖上，作為傾瀉點(diǎn)，利用ArcGIS空間分析方法，計(jì)算每座淤地壩控制的流域面積。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

（1）單壩攔沙模數(shù)計(jì)算。將每座淤地壩泥沙淤積量平攤到該淤地壩的壩控面積上，稱為單壩攔沙模數(shù)。計(jì)算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 單壩攔沙模數(shù)空間分布

根據(jù)式（3）計(jì)算小理河流域215座單壩（悶葫蘆壩有排水不暢壩）的攔沙模數(shù)。215座淤地壩單壩攔沙模數(shù)差異很大，最大的在100 000t/km2以上，最小的僅為185.2 t/km2。以淤地壩控制流域攔沙模數(shù)分段統(tǒng)計(jì)表明，攔沙模數(shù)為2 500 t/km2以下的淤地壩有32座.2 500～5 000t/krri2的淤地壩有32座.5 000～8 000 t/km的淤地壩有23座.8 000～15 000 t/km2的淤地壩有53座，大于15 000 t/km的淤地壩有75座。215座淤地壩攔沙模數(shù)平均值為16 663.6t/km。由于每座淤地壩壩控面積不同，單壩攔沙模數(shù)空間分布零碎圖斑過多，因此對(duì)于同一溝道內(nèi)串壩的情況，采用式（4）對(duì)單壩攔沙模數(shù)進(jìn)行均化，均化后的淤地壩攔沙模數(shù)分布見圖2。

淤地壩的攔沙模數(shù)空間差異大有以下原因：①受暴雨空間分布差異大的影響（見圖3），淤地壩攔沙模數(shù)與暴雨量空間分布有很好的一致性：②淤地壩工程情況差別很大，壩體完好的淤地壩攔沙多，損毀的壩攔沙少，同樣完好的壩，放水工程淤堵或人為堵塞蓄水的壩攔沙多，排水通暢的壩排走的泥沙多：③當(dāng)若干淤地壩串聯(lián)分布于同一溝道時(shí)，淤地壩在溝道中的位置不同以及溝道比降、寬窄等幾何特征差異，造成淤地壩攔截泥沙的巨大差異，一般上壩攔截較少、下壩攔截較多：④處于溝道小流域上游或溝道源頭的淤地壩，其控制流域的地貌、植被覆蓋、土地利用等情況同樣影響來水來沙和淤積量。

3.2 降雨一侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系

小理河流域21座悶葫蘆壩的攔沙模數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。由式（7）可知，悶葫蘆壩的攔沙模數(shù)就是其壩控區(qū)的侵蝕模數(shù)。

由表1和圖4可以看出，小理河流域悶葫蘆壩壩控流域侵蝕模數(shù)與暴雨量具有明顯的線性關(guān)系，暴雨量越大，侵蝕模數(shù)越大，結(jié)合小理河暴雨空間變化特征（見圖3），由流域東南向西和西北方向遞減。東南部暴雨中心一帶，土壤侵蝕模數(shù)為30 000～ 40 000t/km，少數(shù)地區(qū)為60 000～80 000 t/km：向北隨著暴雨量的減小，侵蝕模數(shù)逐漸減小，北部地區(qū)邊緣侵蝕模數(shù)減小到1 000t/km以下。流域西部地區(qū)淤地壩較少，黃土物質(zhì)較為松散，與北部相比，相同的暴雨量下產(chǎn)沙量明顯增多。壩控流域侵蝕模數(shù)M與該壩控區(qū)域暴雨量r之間的關(guān)系式為

M=158.32r -4 851.9

（8）

3.3 小理河流域侵蝕模數(shù)估算

式（8）反映了在同一流域影響土壤侵蝕的其他因素變化不大的情況下土壤侵蝕模數(shù)與暴雨量之間的關(guān)系。根據(jù)式（8）和小理河流域暴雨量空間插值結(jié)果，推算流域面上每一個(gè)柵格（30 mx30 m）的土壤侵蝕模數(shù)（見圖5）。結(jié)果顯示，小理河流域平均土壤侵蝕模數(shù)為16 503 t/km。

由表1可得，小理河流域21座悶葫蘆淤地壩攔沙模數(shù)平均值為19 232 t/km，壩控區(qū)暴雨量平均值為152.1 mm。小理河流域面暴雨量為128.0 mm，可見采樣的21座悶葫蘆淤地壩分布在暴雨量較大的地區(qū)。為了使其算術(shù)平均值具有代表性，將小理河流域的實(shí)測(cè)侵蝕模數(shù)修正為式中：M_Y，為修正后的侵蝕模數(shù)，t/km;M為修正前的侵蝕模數(shù)，t/km;P流域?yàn)榱饔蛎嫫骄炅?，mm; P悶葫蘆為悶葫蘆壩控制面積面平均雨量，mm。

修正計(jì)算結(jié)果顯示，小理河流域平均侵蝕模數(shù)為16 185t/km.與上述采用式（8）推算結(jié)果16 503 t/km十分接近。

4 結(jié)語

（1）實(shí)地調(diào)查小理河流域悶葫蘆壩21座，排水不暢淤地壩194座，計(jì)算得到淤地壩壩控區(qū)攔沙模數(shù)（侵蝕模數(shù)）在200～100 000 t/km之間，攔沙模數(shù)（侵蝕模數(shù)）空間分布差異顯著。

（2）流域侵蝕模數(shù)空間分布與暴雨量空間分布具有顯著的同步性，即暴雨量越大侵蝕模數(shù)越大，兩者之間呈顯著的線性關(guān)系。

（3）基于悶葫蘆壩計(jì)算其控制流域的土壤侵蝕模數(shù)，采用降雨一侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系估算流域土壤侵蝕模數(shù)，方法簡(jiǎn)單可行，是開展土壤侵蝕監(jiān)測(cè)工作的重要手段。

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