北方土石山區(qū)坡長對水土流失的影響研究
——以長治市山區(qū)為例

（長治市水土保持試驗(yàn)站）

水土流失是一個全球性的生態(tài)問題，現(xiàn)已成為危及人類生存與發(fā)展的主要環(huán)境問題之一[1]。水土流失的加劇，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下，干旱、水災(zāi)頻繁發(fā)生，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化[2]。盡管中國土壤退化類型較多，但最主要且分布最廣的還是水土流失嚴(yán)重地區(qū)。水土流失量的大小，除了與土壤自身性質(zhì)有關(guān)外，還與降雨、坡度、坡長、植被覆蓋等因子密切相關(guān)[3]。

山西省是我國水土流失嚴(yán)重的省份之一，絕大部分地域被黃土覆蓋，植被稀少，黃土裸露。據(jù)研究資料，20世紀(jì)50年代，全省年均輸入黃河、海河的泥沙量達(dá)4.56億t，相當(dāng)于每年侵蝕地表深度2.2 mm。水土流失的主要危害為：一是沖毀土地，破壞農(nóng)田，表土大量喪失，導(dǎo)致肥力減退，威脅糧食安全；二是淤積水庫，堵塞河道，惡化水環(huán)境，影響防洪安全與飲水安全；三是加劇旱澇災(zāi)害，破壞生態(tài)平衡與穩(wěn)定，影響生態(tài)安全；四是破壞交通設(shè)施與居民住宅，危及交通安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全；五是水土流失損失的是取之不盡的潛在財(cái)富，留下的是世世代代的貧窮，嚴(yán)重影響全面建成小康社會目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。為此，加強(qiáng)對水土流失及其影響因素的深入研究十分必要。

山西省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量少且高度集中，雨型多屬短歷時高強(qiáng)度暴雨，極易造成嚴(yán)重的水土流失[4]。影響水土流失的自然因素較多，其中坡度、坡長為主要的地形因子?，F(xiàn)以地處北方土石山區(qū)的長治市平順縣白馬小流域綜合監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，對坡長與徑流量和土壤流失量之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究。

1 監(jiān)測區(qū)概況

監(jiān)測區(qū)位于平順縣白馬小流域，地處太行山西南部山地丘陵保土水源涵養(yǎng)區(qū)，行政區(qū)劃屬青羊鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°20′30″，北緯36°07′19″。流域地貌為典型的北方土石山區(qū)，屬海河流域濁漳河水系。暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.1℃，年≥10℃積溫3 177.5℃；年均降水量628.9 mm，主要集中于5-9月份；年均蒸發(fā)量1 631.6 mm，相當(dāng)于年降水量的2.6倍；年均風(fēng)速2.3 m/s；無霜期125 d。地質(zhì)構(gòu)造主要為奧陶系，基巖為石灰?guī)r，土壤類型為石灰性褐土，土層厚度0-50 cm，坡面植被主要為天然灌草。土壤侵蝕類型主要為水蝕。監(jiān)測區(qū)依據(jù)流域的地形地貌特點(diǎn)，選擇自然坡面中部的半陽坡坡段為監(jiān)測地點(diǎn)，設(shè)置徑流小區(qū)，進(jìn)行連續(xù)觀測。

2 小區(qū)設(shè)置與觀測方法

結(jié)合流域坡面的實(shí)地條件，共設(shè)立不同坡長徑流觀測小區(qū)4個，小區(qū)寬度均為5 m。其中，坡長10 m小區(qū)，編號為1；坡長20 m小區(qū)（標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)），編號為2；坡長30 m小區(qū)，編號為3；坡長40 m小區(qū)，編號為4。地面坡度均為15°，坡面為自然荒坡狀態(tài)，植被蓋度約為55%。小區(qū)上部設(shè)截水溝，以防外來水進(jìn)入；小區(qū)下部設(shè)集流槽和輸水管，收集降水徑流與泥沙。小區(qū)邊界采用50 cm×50 cm×5 cm規(guī)格預(yù)制水泥板材阻隔，基礎(chǔ)埋深25 cm，地面出露25 cm；小區(qū)兩側(cè)設(shè)1.0-5.0 m隔離帶。徑流監(jiān)測小區(qū)按50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)集流槽、輸水管、分水筒斷面。二級分水筒量水設(shè)施，筒體為1.0 mm厚的鐵皮卷制而成的Φ800 mm圓柱結(jié)構(gòu)，筒高900 mm，筒體內(nèi)設(shè)有平波消能活動鐵絲網(wǎng)，筒體布設(shè)有13個Φ50 mm分流孔，分流高度700 mm。集流槽及分水筒頂部加蓋處理，小區(qū)外圍布設(shè)鐵絲圍欄。筒體依次編號，坡長小區(qū)分流桶和集流桶的編號依次為11、12，21、22，31、32和41、42。試驗(yàn)觀測以徑流量、土壤流失量兩項(xiàng)指標(biāo)為主。

徑流量觀測方法：每次降雨產(chǎn)流后，對各徑流小區(qū)分流桶和集流桶中的集水水位進(jìn)行量測，計(jì)算小區(qū)次降雨下徑流量；土壤流失量觀測方法：每次降雨產(chǎn)流后，將集流槽內(nèi)泥沙全部清理至分流桶，對各徑流小區(qū)分流桶和集流桶內(nèi)的渾水進(jìn)行泥沙取樣。采集泥沙樣品時，將分（集）流桶內(nèi)的渾水充分?jǐn)噭颍鶕?jù)徑流量的多少，每桶取1-3個樣，并對所采樣品進(jìn)行編號、測量、靜置、烘干和稱重，然后計(jì)算平均含沙量。

3 觀測結(jié)果與分析

3.1 坡長與徑流量的關(guān)系

3.1.1 平均雨強(qiáng)＞15 mm/h的次降雨

2018-2019年，共觀測到平均雨強(qiáng)＞15 mm/h降雨3次，不同坡長小區(qū)的徑流量見表1。

表1 坡長與徑流量的關(guān)系（之一）

從表1可以看出，3次平均雨強(qiáng)大于15 mm/h的天然降雨，在相同坡度條件下，徑流量、徑流深、徑流系數(shù)與坡長呈正相關(guān)。以2018年07月08日00∶18至02∶05次降雨為例，20 m坡長較10 m坡長徑流量增加15.22%，30 m坡長較10 m坡長徑流量增加47.09%，40 m坡長較10 m坡長徑流量增加70.40%。觀測結(jié)果表明，坡長越長徑流量越大。

3.1.2 平均雨強(qiáng)＜15 mm/h的次降雨

2019年共觀測到平均雨強(qiáng)＜15 mm/h的降雨3次，不同坡長小區(qū)的徑流量見表2。

從表2可以看出，3次平均雨強(qiáng)小于15 mm/h的天然降雨，在相同坡度條件下，徑流量、徑流深、徑流系數(shù)與坡長呈負(fù)相關(guān)。以2019年07月11日15∶57至20∶22次降雨為例，20 m坡長較10 m坡長減少徑流量89.77%，30 m坡長較10 m坡長減少徑流量93.27%，40 m坡長較10 m坡長減少徑流量97.08%。觀測結(jié)果表明，在土石山區(qū)的特殊地質(zhì)條件下，也可能出現(xiàn)坡長越長徑流量越少的情況。

3.1.3 綜合分析

出現(xiàn)上述情況，將其原因分析如下：在雨強(qiáng)較大時，地表產(chǎn)流速率明顯大于土壤入滲速率，徑流系數(shù)較大，因此，坡長越長徑流量就越大；但在雨強(qiáng)較小時，土壤吸附力較強(qiáng)，徑流系數(shù)較小，坡長增加徑流量反而出現(xiàn)減小。但也不排除人為因素造成的偶然誤差。

表2 坡長與徑流量的關(guān)系（之二）

3.2 坡長與土壤侵蝕量的關(guān)系

3.2.1 平均雨強(qiáng)＞15 mm/h的次降雨

根據(jù)表1徑流量資料，將3次平均雨強(qiáng)大于15 mm/h降雨情況下的產(chǎn)沙量，分析結(jié)果點(diǎn)繪如圖1。

圖1 次降雨雨強(qiáng)＞15 mm/h 時坡長與土壤侵蝕量的相關(guān)性

圖1表明，3次平均雨強(qiáng)大于15 mm/h的天然降雨，在相同坡度條件下，土壤侵蝕量與坡長呈正相關(guān)。仍以2018年07月08日00∶18至02∶05次降雨為例，20 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量增加87.71%，30 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量增加271.81%，40 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量增加357.38%。觀測結(jié)果表明，坡長越長土壤侵蝕量越大。

3.2.2 平均雨強(qiáng)＜15 mm/h的次降雨

根據(jù)表2徑流量資料，將3次平均雨強(qiáng)小于15 mm/h降雨情況下的產(chǎn)沙量，分析結(jié)果點(diǎn)繪如圖2。

圖2表明，3次平均雨強(qiáng)小于15 mm/h的天然降雨，在相同坡度條件下，土壤侵蝕量與坡長呈負(fù)相關(guān)。以2019年08月14日13∶19至18∶41次降雨為例，20 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量減少70.14%，30 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量減少84.45%，40 m坡長較10 m坡長土壤侵蝕量減少96.88%。觀測結(jié)果表明，在土石山區(qū)的特殊地質(zhì)條件下，也可能出現(xiàn)坡長越長土壤侵蝕量越小的情況。

圖2 次降雨雨強(qiáng)＜15 mm/h 時坡長與土壤侵蝕量的相關(guān)性

3.2.3 綜合分析

出現(xiàn)上述情況，將其可能原因分析如下：在雨強(qiáng)較大時，坡長越長徑流量就越大，因而產(chǎn)生的土壤侵蝕量也越大；但在雨強(qiáng)較小時，坡長增加則水體中的含沙量就會增加，水流能量多消耗于泥沙搬運(yùn)，結(jié)果導(dǎo)致水流侵蝕趨于減弱。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過選擇2018-2019年共6次的監(jiān)測資料進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：在大雨強(qiáng)降雨時，坡長越長，坡面徑流量越大，土壤侵蝕量也越大，坡長與徑流量和土壤侵蝕量呈正相關(guān)；但在小雨強(qiáng)降雨時，也可能出現(xiàn)坡長越長，徑流量和土壤侵蝕量反而減小的負(fù)相關(guān)情況。

4.2 建議

影響坡面水土流失的因子諸多，包括坡度、雨強(qiáng)、植被覆蓋率、土壤質(zhì)地與土壤容重等。一般認(rèn)為，坡長越長，徑流量和土壤侵蝕量就越大，反之則反。但通過對2018-2019年共6次監(jiān)測資料的分析，出現(xiàn)了坡長越長，徑流量和土壤侵蝕量反而越小的反常情況，其原理與機(jī)制為何，建議今后持續(xù)進(jìn)行深入研究分析。