黃土坡面侵蝕過程與侵蝕-沉積空間分布特征

徐振劍，權(quán) 鑫，史紅偉，和繼軍*，蔡強國，孫莉英

(1 首都師范大學 城市環(huán)境過程和數(shù)字模擬國家重點試驗室培育基地，北京資源環(huán)境與GIS重點試驗室， 北京 100048；2 水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，水利工程管理處，北京 100038；3 中國科學院 地理科學與資源研究所，中國科學院大學 資源與環(huán)境學院，北京 100101)

土壤侵蝕是導(dǎo)致坡耕地耕層土壤質(zhì)量退化和土壤生產(chǎn)力不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[1]，其作為嚴重的環(huán)境問題已經(jīng)阻礙了中國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。水力侵蝕作為土壤侵蝕的一種，已被廣大學者深入研究探討，取得了豐碩的成果[2-3]。影響土壤水蝕的因素眾多，降雨是土壤水蝕的主要動力，作為地形因子之一的坡度也與坡面侵蝕有著密切的關(guān)系，坡度會影響徑流入滲以及土壤穩(wěn)定性等。在同樣的降雨條件下，坡度不同形成的坡面流也有很大的不同[4]，使得坡面侵蝕的空間分布產(chǎn)生差異，如閻百興等[5]、王禹[6]的研究顯示黑土坡面的坡頂侵蝕狀況較輕，坡中較重，而坡底會發(fā)生泥沙沉積；王占禮等[7]的研究表明黃土區(qū)耕作侵蝕強度的空間大小取決于坡度及地形曲率的變化；譚貞學等[8]研究發(fā)現(xiàn)坡面上坡和下坡的侵蝕模數(shù)隨雨強和坡度變化具有明顯的差異。以上研究結(jié)果表明，坡面侵蝕的空間分布存在差異，但對于坡面侵蝕空間分布特征與降雨和地形變化的關(guān)系仍需做進一步研究。

坡面侵蝕強度的空間分布特征一直是土壤侵蝕領(lǐng)域研究的熱點和難點。土壤侵蝕過程包括土壤分離、泥沙輸移和沉積3個子過程，3個子過程間存在相互依存關(guān)系，且往往同時發(fā)生，難以區(qū)分。與土壤分離過程相比，泥沙輸移和泥沙沉積兩個過程更難監(jiān)測與分離，因此泥沙輸移與沉積的研究成果還很薄弱[9]。坡面侵蝕與沉積的空間分布特征可以為理解泥沙輸移與沉積間依存關(guān)系提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐，且具有很好的指示作用。一直以來，學者們不斷探索和改進能夠定量確定坡面侵蝕與沉積空間分布的方法和技術(shù)，如測針法、核示蹤法、磁示蹤法、模型法等，但這些方法或費時費力、精度較低，或操作流程復(fù)雜、周期較長、花費高、不適用于較大的空間尺度，使得這些技術(shù)在快速獲取坡面土壤侵蝕信息方面均表現(xiàn)出很大的局限性[10-14]。

三維激光掃描技術(shù)在土壤侵蝕中的應(yīng)用已成為近年來的研究熱點，該技術(shù)出現(xiàn)于20世紀90年代中期，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”[15]。與傳統(tǒng)的測量方法相比，它具有高精度、高密度和測量速度快等優(yōu)點，可以在其有效射程內(nèi)基于一定采樣間距的采樣點坐標，形成一個基于3D數(shù)據(jù)點的離散三維對象模型，精度能夠達到毫米級；對于坡面尺度，三維激光掃描技術(shù)可以在不破壞地表狀態(tài)的情況下快速采集坡面信息，并監(jiān)測地表微地形的變化[15-17]。此外，在室內(nèi)次降雨條件下，降雨前后土體不會發(fā)生明顯沉降現(xiàn)象[18]，因此應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時可以忽略土地沉降的影響。

鑒于以上分析，本研究采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗，結(jié)合傳統(tǒng)的水沙觀測和三維激光掃描技術(shù)，通過對不同降雨條件下降雨前后的坡面進行掃描，獲取坡面點云數(shù)據(jù)并進行處理分析，從而對黃土坡面侵蝕過程、侵蝕與沉積的空間分布特征進行研究，以期為黃土區(qū)土壤侵蝕預(yù)報及水土流失防治措施的布設(shè)提供科學依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗在中國科學院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室人工降雨大廳進行，試驗采用下噴式降雨系統(tǒng)，雨強可通過噴嘴大小和壓強進行調(diào)節(jié)，降雨高度為18 m，能夠保證所有雨滴均達到最終速度，降雨覆蓋面積為27 m×18 m。降雨系統(tǒng)將水噴射至空中，受空氣阻力作用水流被破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，產(chǎn)生的雨滴有大有小，與天然降雨下的雨滴比較相似[19]。試驗使用規(guī)格5 m×1.0 m×0.5 m固定式可調(diào)坡鋼制土槽，土槽下端設(shè)集流裝置，用來收集徑流泥沙樣品。試驗用土取自黃土高原延安安塞的黃綿土，為當?shù)馗乇韺樱民R爾文激光粒度儀測定土壤機械組成。按照國際土壤質(zhì)地分類，安塞土屬于沙壤土，其質(zhì)量分數(shù)分別為8.73%(<0.002 mm)、14.35%(≥0.002～0.02 mm)、40.87%(≥0.02～0.05 mm)、36.01%(≥0.05～0.25 mm)、0.05%(≥0.25 mm)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗前將所用土樣自然風干，含水量控制在10%左右，隨后過10 mm篩，以便除去雜草和石塊。裝填試驗土壤之前，先在試驗槽的底部填入約10 cm厚的細沙，細沙上面覆蓋透水的細紗布，保持試驗土層的透水狀況接近于天然坡面。隨后裝填試驗土壤，采用分層填土法裝填，邊填土邊使用工具壓實，每次裝土5 cm，共填6層，每層表面用平尺拉毛，填土厚度總共約為30 cm。根據(jù)土壤采樣點的實地測量以及參考已有的研究結(jié)果，黃土高原丘陵溝壑區(qū)0～20 cm范圍土壤平均容重為1.25～1.40 g/cm3[20]，因此本次試驗中填土容重控制在1.25～1.35 g/cm3。為了保證降雨強度的一致性，每次試驗同時裝填3個土槽，待填土完成后，3個土槽分別調(diào)為試驗要求的3個坡度，并放置12 h，以備試驗。每次降雨前后，分別采用環(huán)刀法測定坡面表層土壤容重，降雨后利用鋁盒和土鉆取表層、中層、底層土壤，采用烘干法測定含水率。每個坡度分別在2個雨強(1.0和1. 5mm/min)下進行降雨試驗，總共3個坡度(5°、10°、20°)，降雨歷時均為60 min。每次試驗過后，重復(fù)上述填土工作，盡量保持每次試驗初始條件一致。本研究試驗設(shè)計情況如表1所示。

表1 試驗設(shè)計方案Tab.1 Test design scheme

1.3 觀測項目

在降雨試驗前，對降雨系統(tǒng)進行率定，使其降雨均勻度達到80%以上，詳細過程及實施方法可以參考文獻[21]。降雨開始后，等坡面開始產(chǎn)流后在出水口進行徑流取樣。取樣間隔為1 min/次，泥沙采樣容器為1 000 mL，用烘干法測定含沙量，坡面徑流量采用自制大量桶測量1 min內(nèi)的徑流體積，加上泥沙樣值，為總徑流量。根據(jù)含沙量及相應(yīng)總徑流量，可以計算試驗中的總侵蝕量。在整個試驗過程中，使用高清晰攝像設(shè)備進行全程監(jiān)測，同時在降雨前后采用Pentax三維激光掃描儀對坡面進行掃描，獲取坡面點云數(shù)據(jù)，用于分析降雨前后坡面的形態(tài)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度下坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

降雨初期，雨水主要消耗于土壤表層浸潤和地表土層大空隙的填充，所以從降雨開始至地表徑流產(chǎn)生有一個明顯的滯后時間，即初始產(chǎn)流時間，也叫初損歷時[22]。坡面產(chǎn)流時間反映了降雨到達坡面后徑流產(chǎn)生的快慢，雨強和地形都會影響坡面開始產(chǎn)流的時間。表2顯示了不同雨強和坡度下坡面的初始產(chǎn)流時間，可以看出，在初始含水量相差不大時，雨強增大會使安塞土初始產(chǎn)流時間明顯縮短，這是因為其他條件相同時，雨強越大，坡面在單位面積單位時間內(nèi)所接受的雨量也越大，在土壤入滲率不變的情況下，產(chǎn)流所需的時間隨著雨強的增加必然縮短[3]?？傮w來看，在兩種雨強下，5°和20°坡面的初始產(chǎn)流時間較長，10°坡面的初始產(chǎn)流時間較短，這與坡度增加會降低土壤的入滲率及增加徑流動能的綜合作用有關(guān)。5°坡面有最大入滲率和最小的徑流動能，20°坡度坡面有最小入滲率和最小的承雨量，而10°坡面的入滲率、徑流動能和承雨量均介于5°和20°坡面之間，因此在上述三種因素綜合作用下10°坡面有最大徑流量，從而導(dǎo)致初始產(chǎn)流時間最短[23-24]。雨強是影響坡面產(chǎn)流的主導(dǎo)因素，坡度通過改變坡面土壤的入滲性能、徑流動能及承雨量也對產(chǎn)流有重要影響。

表2 安塞土產(chǎn)流產(chǎn)沙情況Tab.2 Runoff and sediment yield of Ansai soil

從表2可以看出，1.5 mm/min雨強下徑流總量遠大于1.0 mm/min雨強；且兩種雨強下，坡面徑流總量隨坡度的增加均呈先增大后減小的趨勢，這是因為隨著坡度的增加，坡面承雨量的降低會引起坡面徑流量的減少，同時坡度增加會降低土壤入滲率，從而使坡面徑流增加，因此在坡度對承雨面積及土壤入滲率的綜合影響下，10°坡面的徑流量最大[23-24]。1.0 mm/min雨強時，總侵蝕量隨著坡度的增加而增大[25]；而對于1.5 mm/min雨強，總侵蝕量呈先增大后減小的變化趨勢，這與徑流量隨坡度變化的趨勢相一致，說明侵蝕產(chǎn)沙和徑流量密切相關(guān)，坡度越大土體的不穩(wěn)定性越強，更容易被徑流沖刷攜帶，但隨著坡度的增加承雨量又在減小，從而引起徑流量降低，在這兩方面的共同作用下，使得1.5 mm/min雨強時總侵蝕量最少。

圖1顯示了兩種雨強下，不同坡度坡面產(chǎn)流率和侵蝕率隨時間的變化過程?？梢钥闯?，除1.0 mm/min雨強、5°坡面產(chǎn)流率波動較大(圖1a)以外，產(chǎn)流率隨時間的變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為降雨初期產(chǎn)流率增長較快，然后增速逐漸變緩，主要原因在于前期降雨有土壤結(jié)皮形成，降低了土壤的入滲率，增加了徑流量[26]。1.5 mm/min雨強產(chǎn)流率明顯大于1.0 mm/min雨強，且前者在降雨后期基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而后者這種穩(wěn)定趨勢不明顯，說明在大雨強下，降雨后期土體已經(jīng)達到徑流入滲平衡狀態(tài)，而小雨強情況下徑流入滲還處于活躍期，與前人的研究結(jié)論一致[27]。

圖1 產(chǎn)流率和侵蝕率隨時間的變化趨勢Fig.1 Temporal variation of sediment yield and runoff rate

不同坡度條件下，侵蝕率隨時間的變化趨勢總體相似(1.0 mm/min雨強、5°坡面除外)，即侵蝕率隨時間呈先增加后降低的趨勢，尤其1.5 mm/min雨強時尤為明顯。小雨強時，坡度對侵蝕率的影響程度小于大雨強，如1.0 mm/min雨強時的5°坡面，侵蝕率隨著產(chǎn)流率的增加而增加，且波動趨勢一致(圖1a)，而對于1.0 mm/min雨強的10°和15°坡面，侵蝕率均在降雨前期與產(chǎn)流率的變化趨勢一致，而在降雨后期則相反(圖1b、c)；1.5 mm/min雨強時，侵蝕率均表現(xiàn)為在降雨前期與產(chǎn)流率的變化趨勢一致，在降雨后期相反，且隨著坡度的增加侵蝕率與產(chǎn)流率變化趨勢保持一致的時間會快速縮短，即侵蝕率達到峰值的時間會顯著提前(圖1d、e、f)。這充分說明雨強不同，坡度對侵蝕率的作用形式不同，在土壤侵蝕模型構(gòu)建中需要重點考慮該問題，但該試驗結(jié)果與侵蝕率隨產(chǎn)流率的增加而增加的結(jié)論存在較大差異[28-30]，這可能與試驗所用土壤類型不同有關(guān)。同時由圖1可知，20°坡面時，1.0 mm/min雨強的侵蝕率遠大于1.5 mm/min雨強，主要原因在于前者在坡面中下部有大量細溝雛形發(fā)育，加劇了土壤侵蝕[25]。同時，兩種雨強下，侵蝕率隨著時間的變化最后均趨于穩(wěn)定，且侵蝕率的穩(wěn)定狀態(tài)大雨強時比小雨強時明顯，大坡度時侵蝕率穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)的時間明顯早于小坡度，該現(xiàn)象表明大雨強和大坡度更易使徑流對泥沙的剝離-搬運-沉積過程達到平衡狀態(tài)[31]。

2.2 坡面侵蝕與沉積空間分布特征

在本研究中，將每一場降雨前后的坡面點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件Z+F Laser Control V8.5.0中，經(jīng)過濾波、除噪之后，利用標靶將降雨前后數(shù)據(jù)拼接在同一坐標系下，以便后期處理。將拼接好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入PolyWorks 10.1軟件中進行裁剪，得到雨前和雨后的完整坡面，最后導(dǎo)入ArcGIS中，利用反距離權(quán)重法將點云數(shù)據(jù)插值成柵格數(shù)據(jù)，利用柵格計算器將雨后坡面柵格數(shù)據(jù)減去雨前柵格數(shù)據(jù)，可以得到土壤侵蝕-沉積的空間分布數(shù)據(jù)。

圖2是兩種雨強下不同坡度坡面土壤侵蝕-沉積的空間分布圖?？梢钥闯?，1.0 mm/min雨強時，坡度為10°和20°的坡面整體呈侵蝕狀態(tài)，僅在坡底有少量沉積現(xiàn)象，坡度為5°的坡面中下部均有大范圍的泥沙沉積現(xiàn)象發(fā)生?？傮w來看，3個坡度坡面的侵蝕程度由坡頂向坡底依次變?nèi)?，且侵蝕的強弱區(qū)域空間分布十分明顯，沉積現(xiàn)象的發(fā)生隨坡度增加而減弱，與降雨試驗中監(jiān)測侵蝕過程所獲取的實測數(shù)據(jù)結(jié)果一致(表2，圖1)。1.5 mm/min雨強時，坡面土壤侵蝕強度的空間分布與降雨試驗過程中所獲取的實測數(shù)據(jù)結(jié)果同樣一致，即土壤總侵蝕量及侵蝕速率高的坡面，發(fā)生侵蝕的現(xiàn)象越顯著；反之則沉積現(xiàn)象越顯著，坡面侵蝕程度沿坡面下坡方向同樣表現(xiàn)為依次減弱，陡坡時的侵蝕更明顯，特別是對于坡面的中上部，這與1.0 mm/min雨強時相似。對于1.5 mm/min雨強時的20°坡面，在坡面距坡底0～1.0 m范圍內(nèi)為明顯的凈沉積區(qū)域；而在距坡底2.0～5.0 m范圍內(nèi)為凈侵蝕區(qū)域，其沉積程度明顯高于5°和10°坡面的相同部位，這可能與其擁有最低的產(chǎn)流率和侵蝕率有關(guān)[31]。

圖2 坡面侵蝕空間分布 Fig.2 Spatial distribution of slope erosion注：坡向由上至下正號代表沉積厚度，負號代表侵蝕深度。網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

利用ArcGIS中的重分類工具，對所得坡面DEM不同的侵蝕與沉積進行分級統(tǒng)計得到表3和表4。據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，1.0 mm/min雨強時，坡面凈侵蝕區(qū)域占比為99.65%～99.99%，3個坡度相差不大，侵蝕占據(jù)坡面絕大部分區(qū)域，沉積現(xiàn)象幾乎可以忽略，這也與侵蝕空間分布圖相對應(yīng)(圖2)，且坡面侵蝕深度主要為—16～0 mm。1.5 mm/min雨強時，凈侵蝕占比為90.58%～99.96%，同樣表現(xiàn)為絕大部分區(qū)域為侵蝕區(qū)，沉積區(qū)的范圍占比為0.04%～9.42%，稍大于1.0 mm/min雨強。該試驗結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)可以用于土壤坡面侵蝕-沉積特征分析。

表3 各級侵蝕深度Tab.3 Erosion depth at all levels

表4 各級沉積厚度Tab.4 Deposition thickness at all levels

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗與三維激光掃描技術(shù)，研究了不同雨強和坡度條件下5 m坡長黃土坡面侵蝕過程與侵蝕-沉積空間分布特征，結(jié)論如下：

(1)雨強增大時安塞土初始產(chǎn)流時間明顯縮短，雨強是影響初始產(chǎn)流時間的主要因素；坡度通過影響土壤入滲率和徑流動能來影響初始產(chǎn)流時間。兩種雨強下，10°坡面初始產(chǎn)流時間最短。

(2)隨著雨強的增大，各個坡度下的坡面總徑流量顯著增大，在兩種雨強下均隨著坡度的增加呈先增大后減小的趨勢?？偳治g量在1.0 mm/min雨強時，隨著坡度的增大而增大；在1.5 mm/min雨強時，隨坡度的增加呈先增大后減少的趨勢，與徑流量達到峰值的坡度相一致，說明侵蝕產(chǎn)沙和徑流量密切相關(guān)。

(3)兩種雨強各個坡度下，坡面產(chǎn)流率大體都表現(xiàn)為降雨初期增速較快、后期增速放緩；侵蝕率隨時間表現(xiàn)為先增大后減小，隨著坡度的增加侵蝕率達到峰值的時間會顯著提前，1.5 mm/min雨強時表現(xiàn)最為明顯。大雨強和大坡度更易使徑流對泥沙的剝離-搬運-沉積過程到平衡狀態(tài)。

(4)兩種雨強下，不同坡度間黃土侵蝕空間的分布有一定差異，大部分坡度下坡面侵蝕情況從坡頂?shù)狡履_逐漸減弱，侵蝕-沉積的強弱分區(qū)較為明顯。對于1.5 mm/min雨強、20°坡面，在坡面距坡底0～1.0 m范圍內(nèi)為明顯的凈沉積區(qū)域，而在距坡底2.0～5.0 m范圍內(nèi)為凈侵蝕區(qū)域。陡坡度條件下的侵蝕作用更明顯，特別是對于坡面的中上部。