自然降雨條件下砒砂巖坡面細溝微形態(tài)及其侵蝕特征

李 龍, 張 鵬, 郭 躍, 余 英

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院， 內蒙古 呼和浩特 100018; 2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護與修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 100018; 3.鄂爾多斯市林業(yè)和草原局， 內蒙古 鄂爾多斯 017010; 4.宜賓林竹產業(yè)研究院, 四川 宜賓 644000)

砒砂巖區(qū)作為黃河流域多沙粗沙主要策源地，該地區(qū)土壤侵蝕極其強烈，土壤侵蝕模數(shù)達3.00×104～4.00×104t/(km2·a)。雖然其面積僅占黃河流域的2%，但產生的粗泥沙占黃河下游河道淤積量的1/4，對黃河中下游的生態(tài)安全構成巨大威脅[1]。坡面是土壤侵蝕研究與治理的基本單元，對于侵蝕十分劇烈的裸露砒砂巖區(qū)，地表的微小起伏都會影響坡面侵蝕量，特別是坡面細溝的發(fā)育，對徑流泥沙的影響更加顯著[2-3]。在徑流的沖刷下，坡面土壤發(fā)生侵蝕、搬運、堆積的同時也迅速形成各類形態(tài)各異的細溝地貌，侵蝕細溝出現(xiàn)后，細溝水流不同于坡面漫流，侵蝕能力顯著增強，流道左右擺動，初步形成淺溝，加劇了侵蝕的發(fā)展[4-5]。鑒于此，國內外眾多專家紛紛致力于坡面細溝形態(tài)變化及其產流產沙特征研究，并涌現(xiàn)出眾多有價值的研究結果[6-7]。然而近年來，人們多關注于砒砂巖區(qū)土壤復配[8]、植被恢復[9]、治理模式等[10]領域的研究，側重于溝蝕的水動力學特征、影響因素以及匯流網絡特征[11-12]，就坡面細溝變化的研究也多集中于室內的人工降雨[13]和放水沖刷等[14]模擬試驗，難以真實反映自然降雨狀態(tài)下坡面細溝的發(fā)育過程及其與產流產沙的關系。其中，錢秋穎等[15]通過野外原位監(jiān)測試驗揭示了砒砂巖坡面自然降雨過程坡面粗糙度的變化的時空差異，提出了坡面粗糙度和土壤顆?？臻g運移的相互關系；楊振奇等[16]也通過野外徑流小區(qū)監(jiān)測試驗指出，降雨類型對砒砂巖坡面細溝形態(tài)和產流產沙量有著直接的影響。因此，探究砒砂巖區(qū)坡面細溝微形態(tài)變化及其侵蝕機制，自然降雨條件下的野外原位監(jiān)測試驗仍然具有不可替代的作用。本文以內蒙古鄂爾多斯砒砂巖坡面為研究對象，采用野外徑流小區(qū)結合利用三維激光掃描技術，分析自然降雨條件下砒砂巖坡面水力侵蝕作用下細溝微形態(tài)演變及其產流產沙特征，揭示坡面細溝發(fā)生發(fā)展的動態(tài)過程與土壤侵蝕的內在規(guī)律，研究結果旨在為區(qū)域土壤侵蝕機制研究提供理論參考，為黃河流域高質量發(fā)展貢獻力量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗西部暖水鄉(xiāng)鮑家溝流域，地理坐標為39°42′—39°50′N，110°25′—110°48′E。鮑家溝流域屬于典型裸露砒砂巖區(qū)，巖層上風化后覆土較薄，坡面植被蓋度極低，是十分典型的裸露砒砂巖區(qū)(表1)。該流域屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷且漫長，夏季炎熱且短促，春秋變化最為明顯，年平均氣溫6.5 ℃，多年平均降水量400 mm，年最大降水量為640.2 mm，雨季主要集中在6—9月，多年日照時數(shù)在2 900～3 200 h之間，無霜期148 d，年平均風速3.4 m/s。土壤大部分以黃土為主，伴隨砒砂巖景觀有覆土砒砂巖、覆沙砒砂巖出現(xiàn)，表土較薄，土壤結構疏松，富含石灰，地勢起伏較大，溝壑縱橫，水土流失嚴重。自然植被稀疏，退耕還林，主要以人工植被為主，主要用于防風固沙和水土保持，主要樹種有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabuliformis)、山杏(Armeniacasibirica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等。

表1 研究區(qū)土壤基本理化性質

1.2 小區(qū)的布設及測定方法

在全面調查研究立地條件的基礎上，根據研究區(qū)地形實際情況，砒砂巖裸坡坡度多在30°左右，因此，2019年6月于研究區(qū)全面開展試驗，選取坡度為30°且坡面基本裸露的坡地為研究對象，在坡面上設置規(guī)格為2 m×5 m的徑流小區(qū)，清除小區(qū)內部零星分布的石塊、雜草。徑流小區(qū)采用寬0.5 m厚2.5 mm的鋼板圍建，用皮錘將鋼板打入地下30 cm作為隔水墻，地上出露20 cm，用于分隔小區(qū)內外徑流，夯實過程中應盡量減少對土壤的擾動影響試驗結果。小區(qū)長邊界垂直于等高線，小區(qū)低端設出水口，并配備集流桶以便收集每次降雨后的水沙樣品。徑流小區(qū)旁設立一臺美國HOBO公司生產的型號為U30的氣象站，用于實時監(jiān)測研究坡面降雨歷時、降雨量、溫度、土壤水分等指標。每次降雨產流結束后，對集流池、分流池內水位和泥沙進行測量記錄并取樣，收集到的徑流和泥沙立即稱量，并采用烘箱105 ℃恒溫烘干，稱量泥沙干重。

1.3 坡面細溝形態(tài)掃描與分析

試驗使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀測量每次降雨前后坡面細溝微形態(tài)特征。試驗所使用的三維激光掃描儀精度為2 mm(100 m距離)，掃描距離為600 m(反射率90%)，掃描范圍為100°(垂直)×360°(水平)。此外，該三維激光掃描儀應用波形數(shù)字化和在線波形分析技術，每秒可發(fā)出多達300 000束精細激光束，從而提供高達0.000 5°的角分辨率。在徑流小區(qū)底端、頂端和左右兩側各布設1個固定水泥樁作為掃描站點，并選取5～8個固定參考點作為每一站掃描數(shù)據后的拼接參考點，最后架設三維激光掃描儀，使用三腳架將掃描儀固定在距離徑流小區(qū)底部的2 m處，并對三腳架擺放位置進行標記，三腳架距離地面高度為105 cm，保證每次掃描位置的一致性，固定掃描位置與高度不變對小區(qū)進行全面掃描，于每次降雨前對徑流小區(qū)進行全面掃描，降雨停止15 min后(以保證坡面徑流入滲結束，坡面達到完全穩(wěn)定)對雨后的徑流小區(qū)坡面進行掃描，最終共獲取到14次降雨前后坡面上微地貌點云數(shù)據。掃描后數(shù)據在所配套的RiCAN PRO軟件中導出，對掃描點云數(shù)據進行去噪并生成矢量數(shù)據，使用ArcGIS軟件對掃描后的三維數(shù)據構建精度為1 cm的地表微數(shù)字高度模型(M-DEM)。經過水文模塊的處理，在ArcGIS軟件中建立坡面細溝形態(tài)數(shù)字高度模型，運用河網矢量化描述細溝的發(fā)育過程，并用正負地形計算細溝的深度，在AutoCAD軟件中對細溝的長度和寬度進行測量，并計算其形態(tài)特征指標。

1.4 細溝形態(tài)特征指標的計算

本文的計算參數(shù)及計算公式都是經驗公式，計算方法[2]為：

(1) 細溝寬深比(RWD)。細溝寬深比是指細溝某斷面處的平均寬度與對應的平均深度的比值，該項指標能夠反映細溝的形狀的寬深整體變化特征，揭示坡面侵蝕細溝的下切深度與水平方向侵蝕速率間的相互關系，計算公式為：

(1)

式中：RWD指細溝寬深比；Wj指第j條細溝監(jiān)測的平均寬度(m)；Dj指第j條細溝監(jiān)測的平均深度(m)。

(2) 溝壑密度(DS)。溝壑密度是指單位面積內細溝的總長度，用來反映細溝的密集程度，該項指標能夠揭示坡面細溝侵蝕的切割破碎程度，一般溝壑密度越大，地形越破碎。計算公式為：

(2)

式中：DS為溝壑密度(m/m2)；A為試驗坡面的表面積(m2)；Ltj是第j條細溝及其分叉的總長度(m)；j為細溝數(shù)目,j=1,2,3,…,m;m為坡面上細溝的總條數(shù)。

(3) 細溝表面積(S)。該項指標直接反應坡面細溝所占坡面的體積大小，揭示坡面侵蝕負地形的發(fā)育程度。細溝表面積通過ArcGIS 10.2提取正負地形，得到溝沿線并進行修正，計算公式為：

S=N·S柵格

(3)

式中:S為細溝表面積(m2);N為溝沿線內的柵格數(shù)量;S柵格為單元柵格面積，柵格大小為 3 mm×3 mm。

(4) 細溝復雜度(c)。細溝復雜度是指其中一條細溝及其分叉的總長度與它的垂直有效長度的比值，能夠反映坡面細溝網的豐富程度，計算公式為：

(4)

式中：c是細溝復雜度；Lj為第j條細溝的垂直有效長度。

(5) 細溝割裂度(μ)。細溝割裂度是指試驗區(qū)域內所有細溝的平面面積之和與小區(qū)面積的比值，是無量綱參數(shù)，能夠反映坡面的破碎程度和細溝侵蝕強度，計算公式為：

(5)

式中：μ是細溝割裂度；Aj為坡面第j條細溝的表面積。

2 結果與分析

2.1 自然降雨特征分析

研究2019—2020年實際觀測到26場天然降雨，其中2019年觀測到15場降雨，降雨量為399.4 mm，產生地表徑流的有效降雨發(fā)生6場；2020年觀測到11場降雨，降雨量為376.5 mm，產生地表徑流的有效降雨發(fā)生7場。因此，在觀測時段內共發(fā)生13場有效降雨(表2)。

表2 研究區(qū)自然降雨的基本特征

2019—2020年觀測到的有效降雨總降雨量為267.40 mm，總降雨歷時為5 893 min，總徑流量為294.05 L，總泥沙量為111.34 kg。其中2020年7月12日降雨產流產沙量最高，分別為42.90 L和13 kg。根據氣象學對降雨等級的劃分標準，將觀測數(shù)據劃分為小雨(<10.0 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～100.0 mm)和大暴雨(>100.0 mm)5個等級[15]。

由圖1可知，研究區(qū)2 a間共有小雨1場，中雨9場，大雨3場，觀測期內有效降雨雨強(小雨、中雨、大雨)的頻率分布為7.7%，69.2%和23.1%，大雨的平均降雨量是中雨和小雨的2.57和4.75倍；平均降雨量表現(xiàn)為：大雨>中雨>小雨，分別為39.90，15.50，8.40 mm。平均降雨強度和I30(連續(xù)最大30 min降雨強度)都是隨著降雨量和降雨等級的增大而增大，變化范圍在2.01～4.92 mm/h和8.4～15.8 mm/h。大雨、中雨和小雨對徑流的貢獻率為：中雨(55.40%)>大雨(37.67%)>小雨(3.58%)，對泥沙的貢獻率為：中雨(70.18%)>大雨(16.69%)>小雨(12.49%)，這表明對坡面侵蝕影響較大的主要是中雨和大雨。

圖1 研究區(qū)坡面降雨特征

2.2 自然降雨下坡面細溝幾何特征分析

砒砂巖坡面細溝的發(fā)育具有明顯的時空演變的特征(圖2—3)，R前為降雨前坡面形態(tài)，降雨前期坡面較為平整。通過連續(xù)的試驗觀測發(fā)現(xiàn)，第一次降雨坡面侵蝕以濺蝕為主，隨著降雨的持續(xù)，逐步形成薄層水流，開始進入片蝕階段；此時段坡面以片蝕為主，坡面細溝發(fā)育并不明顯，僅有6條細溝形成，累計長度1.69 m，細溝的平均寬度為1.45 cm，平均深度是0.17 cm。隨著坡面薄層水流逐漸匯集成多個小股狀水流，坡面逐步形成了較清晰明顯的細溝(R3)，在股狀水流的流路上，坡面流路兩側薄層水流的侵蝕力小于徑流侵蝕力，導致坡面發(fā)生差異性侵蝕，細溝繼續(xù)發(fā)育，寬度和深度繼續(xù)增加，且能明顯的觀測到細溝雛形，其剖面形態(tài)呈寬淺型。此時(R3)細溝數(shù)目增加為10條，累計長度為4.98 m，平均寬度為2.10 cm，平均深度為0.258 cm。降雨的再次發(fā)生后，坡面出現(xiàn)無規(guī)律且零星的跌坎，同一流路的多條細溝還未連通，在坡面上表現(xiàn)為R4和R5的斷續(xù)細溝，細溝增加5條，并且有大量分支出現(xiàn)；隨著地表徑流的持續(xù)沖刷，同一流路上的多條斷續(xù)細溝連通成連續(xù)細溝，相鄰的細溝合并，演變成錯綜復雜的細溝網，且細溝形狀開始由寬淺型向窄深型過渡，部分溝道合并連通，溝頭不斷分叉形成清晰的細溝網。此時(R7)細溝總長為29.29 m，平均寬度為2.51 cm，平均深度為0.867 cm。隨著細溝內股狀水流的侵蝕，溝道不斷合并連通，相鄰溝壁的坍塌，細溝不斷拓寬加深，細溝總長在R12結束后逐漸趨于穩(wěn)定，此時細溝總長為40.52 m，平均寬度為4.31 cm，平均深度為1.215 cm。因此，砒砂巖雨坡面細溝的發(fā)育全過程可總結為：濺蝕—片蝕—寬淺型細溝—連續(xù)細溝網—溝壁坍塌—溝道穩(wěn)定。

圖2 研究區(qū)自然降雨下坡面微地貌變化過程

2.3 自然降雨下坡面細溝形態(tài)特征分析

選取細溝寬深比、細溝密度、細溝表面積、細溝復雜度和細溝割裂度指標分析坡面細溝形態(tài)的時空演變過程。

由表3可以看出，細溝寬深比整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其數(shù)值在R4最大，為16.09，這主要是因為在侵蝕初期，尚未形成穩(wěn)定的細溝形態(tài)，坡面仍然以漫流為主，下切能力較弱，溝深較淺；而R4的降雨量較前3次降雨明顯升高，為54.6 mm，降雨量的增大使徑流量隨之增大，徑流的流通路徑變寬；在徑流侵蝕的作用下，細溝寬度增大的同時，徑流攜帶的泥沙會填充溝道的凹陷，深度會減小，導致細溝的初期形態(tài)以寬淺型為主。隨著降雨的反復發(fā)生，形成集中的股流，徑流下切能力增強，坡面細溝逐漸發(fā)育，細溝寬深比在13場降雨過后變?yōu)?.55，細溝發(fā)育的逐漸成熟，重力作用導致徑流對地表的侵蝕不斷加深，寬深比數(shù)值越來越小，形成窄深型細溝。此外，坡面的溝壑密度、細溝表面積、復雜度和割裂度均隨著降雨次數(shù)的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增高的趨勢(表3)。其中，細溝密度和細溝表面積在R6時有較大幅度的增大，細溝密度由1.05變?yōu)?.59，增大了1.51倍，細溝表面積由1.58變?yōu)?.71，增大了2.98倍，結合降雨強度分析，R6的降雨強度最大，侵蝕破壞力較強，對土壤表層剝離和破碎的影響較大；在徑流的不斷沖刷，細溝在縱向溯源侵蝕不斷延伸，橫向細溝分支也不斷增多，導致細溝整體在形態(tài)上趨于復雜化。

圖3 研究區(qū)自然降雨下坡面細溝形態(tài)發(fā)育過程

表3 研究區(qū)自然降雨下坡面細溝形態(tài)特征指標變化

2.4 自然降雨下細溝形態(tài)指標與侵蝕量的關系

由表4可知，細溝各相同指標之間相關性較好，細溝寬深比與溝壑密度、細溝割裂度均呈現(xiàn)顯著負相關，溝壑密度與細溝復雜度、割裂度均呈顯著正相關關系。此外，坡面細溝的各形態(tài)指標與侵蝕量之間存在緊密的相關性。坡面細溝寬深比與泥沙量呈現(xiàn)顯著負相關關系(p<0.05)，相關系數(shù)是-0.595，但與徑流量無顯著相關性，這表明坡面溝道寬深比越小，坡面產沙越強，即溝道越向窄深型發(fā)育，坡面產沙量越高。溝壑密度與泥沙量呈現(xiàn)明顯的正相關關系(p<0.05)，相關系數(shù)為0.566，說明細溝的數(shù)量的增加對坡面產沙量有著直接的影響；細溝割裂度與徑流量呈現(xiàn)顯著負相關關系，相關系數(shù)為-0.583。綜上，細溝形態(tài)的變化直接反映坡面產流產沙的基本情況。

表4 研究區(qū)自然降雨下細溝形態(tài)指標與侵蝕量之間的相關系數(shù)

3 討 論

3.1 自然降雨特征對坡面產流產沙的影響

自然降雨屬于間歇性的降雨，與可控的人工降雨不同，每次降雨間的降雨歷時、降雨強度、降雨量等均存在較大的差異，且單次降雨過程中的變化也十分復雜[17]。降雨量和降雨強度直接影響坡面產流產沙過程，在雨滴的打擊濺蝕和地表徑流沖刷下，為坡面產沙提供了更多的物質來源，降雨量和降雨強度的大小，直接決定于出口斷面徑流泥沙量的多少[18]。本研究中，降雨強度和產流產沙過程有著較強的一致性，圖4清晰地反映了次降雨過程中，徑流和泥沙具有明顯的同步特征，且表4也反映出徑流與泥沙具有顯著正相關關系(0.782，p<0.01)。就降雨量而言，中雨和大雨匯流量增加，加速了徑流向出口斷面的匯集，徑流的紊動性也增強[19]，侵蝕能力和攜沙能力也增強，相較于小雨而言，中雨和大雨的頻率共計92.3%，對徑流和泥沙的貢獻率達93.07%和86.86%，說明徑流和泥沙主要來自于較大的幾場雨，這與前人在坡面和小流域產流產沙的研究結果相似[20-21]，而小雨也會有產流產沙現(xiàn)象是源于研究區(qū)坡面的土壤，裸露砒砂巖的巖性特點，特別是降雨歷時短，降雨強度大的瞬時降雨，且在前期有多次降雨，土壤含水量較高的坡面更容易發(fā)生侵蝕[22]。

圖4 研究區(qū)坡面自然降雨強度與產流率變化特征

3.2 坡面細溝形態(tài)指標間的變化關系

自然降雨具有無規(guī)律性的特點，但對坡面的侵蝕具有明顯的累積作用，隨著次降雨次數(shù)的增多，坡面細溝的形態(tài)由寬淺型向窄深型過渡。細溝的長、寬、深都在侵蝕過程中不斷變化。由圖5可知，細溝的平均寬度、累積長度和平均深度兩兩之間均存在明顯的正相關關系，且其擬合系數(shù)在0.72～0.99之間，說明細溝參數(shù)之間并不是相互獨立的，而是相互關聯(lián)、相互影響的。細溝的發(fā)展發(fā)育過程是多維度的變化，溯源侵蝕、重力侵蝕和徑流剪切侵蝕對坡面的侵蝕發(fā)揮協(xié)同作用，細溝的發(fā)展發(fā)育受各作用力之間的共同作用，能反映出坡面的綜合侵蝕過程[23]。特別是在幾場暴雨過后，細溝形態(tài)變化差異顯著，寬深比、溝壑密度等指標的變化幅度均出現(xiàn)明顯的提升，加之自然降雨對坡面侵蝕的累積作用，隨著次降雨的反復發(fā)生，徑流剪切力增大，對土壤的剝蝕、結構破壞的能力增強，破壞土體穩(wěn)定性，下切侵蝕的作用更為明顯，這與呂剛等[24]的研究結果一致。

圖5 研究區(qū)自然降雨下坡面細溝形態(tài)參數(shù)之間的關系

4 結 論

(1) 研究區(qū)2019—2020年發(fā)生13場有效降雨，總降雨量為267.40 mm，總降雨歷時為5 893 min，總徑流量為294.05 L，總泥沙量為111.34 kg。降雨對徑流和泥沙的貢獻率表現(xiàn)為：中雨>大雨>小雨，對坡面侵蝕影響較大的主要是中雨和大雨。

(2) 在第12次降雨后坡面細溝達到穩(wěn)定，細溝整體在形態(tài)上趨于復雜化，其總長達為40.52 m，平均寬度為4.31 cm，平均深度為1.22 cm。次降雨坡面細溝的發(fā)育過程表現(xiàn)為：濺蝕—片蝕—寬淺型細溝—連續(xù)細溝網—溝壁坍塌—溝道穩(wěn)定。

(3) 自降雨條件下細溝各形態(tài)指標均呈現(xiàn)明顯的二次多項式相關關系，細溝的形態(tài)指標與侵蝕量呈現(xiàn)顯著相關關系，細溝形態(tài)的變化直接反映坡面產流產沙的基本情況。