(遼寧禹盛生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

流域控制斷面上游土壤流失總量和輸沙量之比即為泥沙輸移比，它是表征流域侵蝕產(chǎn)沙和土壤流失變化特征的關(guān)鍵性參數(shù)指標(biāo)，是建立河流產(chǎn)沙量與侵蝕量相互作用關(guān)系的定量評(píng)價(jià)因子[1]。流域輸沙量可由水文站或堰水口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料提取，土壤流失量作為關(guān)鍵性因子，其數(shù)據(jù)直接影響到泥沙輸移比的精度[2]。

根據(jù)土壤流失量基本特征可將其計(jì)算方法劃分為遙感調(diào)查、模型計(jì)算和實(shí)地測(cè)量調(diào)查等3個(gè)主類(lèi)型。然而，采用土壤侵蝕模型對(duì)較大面積的流域進(jìn)行計(jì)算工作量較大，因此，土壤流失量計(jì)算可根據(jù)遙感圖像信息技術(shù)采用土壤侵蝕模型進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)便的計(jì)算分析[3]。統(tǒng)計(jì)分析和因果分析是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)和前提條件，可通過(guò)對(duì)影響土壤侵蝕的關(guān)鍵性因素進(jìn)行分析構(gòu)建土壤流失量計(jì)算方程。

東北黑土地區(qū)域作為我國(guó)商品糧食重要的生產(chǎn)基地，多年來(lái)，由于長(zhǎng)期不合理的開(kāi)采利用，造成該區(qū)域的水土流失現(xiàn)象日趨嚴(yán)峻并嚴(yán)重威脅著該流域的農(nóng)業(yè)健康發(fā)展[4]。研究表明：河道輸沙量少、坡面侵蝕面積大為東北黑土區(qū)侵蝕產(chǎn)沙的顯著特征，然而由于對(duì)侵蝕物質(zhì)在不同尺度流域內(nèi)發(fā)生堆積的條件和區(qū)域尚不能明確，因此，目前還不能對(duì)流域產(chǎn)沙和坡面侵蝕的定量關(guān)聯(lián)進(jìn)行有效的構(gòu)建。因此，在不同空間尺度上開(kāi)展東北黑土區(qū)泥沙輸移比研究，對(duì)于建立侵蝕產(chǎn)沙的宏觀認(rèn)識(shí)、提高水土流失關(guān)鍵性技術(shù)措施的治理效應(yīng)和水土保持綜合治理效益具有重要意義[5]。本文以東北地區(qū)大凌河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在詳細(xì)分析了徑流小區(qū)產(chǎn)流泥沙資料、地形地貌特征與土地利用類(lèi)型以及降水?dāng)?shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)泥沙輸移比進(jìn)行求解，并對(duì)不同區(qū)域的變化規(guī)律進(jìn)行探討，進(jìn)而建立了不同空間尺度流域的土壤侵蝕和產(chǎn)沙之間的相互作用關(guān)系[6]。

1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于我國(guó)遼寧省西部，大凌河全長(zhǎng)398km，占地面積約為2.35萬(wàn)km2，受降雨量和人類(lèi)活動(dòng)影響較為顯著，流域泥沙含量較大，約為57kg/m3。流域內(nèi)冬季寒冷、夏季炎熱干燥，屬于溫帶季風(fēng)氣候，資料顯示，9月和10月是該流域的降雨旺季，降水量占年總降水量的75%以上，年降水量約450～600mm且時(shí)空分布極不均衡，徑流量約為16.67億m3。流域總體植被覆蓋率較低，由東南向西北主要流經(jīng)漫川漫崗區(qū)、低山丘陵區(qū)和山間河谷平原區(qū)。流域大小支流縱橫交錯(cuò)。

本文研究在大凌河流域老虎山河、西河、牤中河三條主要支流上分別選取了不同級(jí)別支流的28個(gè)流域。其中，以山地為主海拔大于300m且河道比降為2‰～5‰的流域13個(gè)；以丘陵漫川漫崗為主海拔在100～300m之間且河道比降為1‰～2‰的流域15個(gè)。將流域按照空間尺度差異可以劃分為大、中、小3個(gè)類(lèi)型。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)流域尺度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，定義小尺度流域?yàn)槊娣e小于100km2的流域、中尺度流域面積為100～1500hm2的流域、大尺度流域面積為大于1500km2的流域。選取凌源河小流域?yàn)榈湫偷难芯苛饔?，流域以丘陵漫崗為主，其坡降較為平緩并以耕地為主要土地利用類(lèi)型，耕地面積占90%以上。

2 資料及方法

2.1 收集資料

選取徑流小區(qū)產(chǎn)流泥沙資料、地形地貌特征圖與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及降水資料作為本研究的主要資料來(lái)源，其中降水資料包括1970—2015年22個(gè)雨量站和25個(gè)氣象站的逐年日降雨資料，并用于降雨-徑流侵蝕力的計(jì)算分析。地形圖與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括分辨率為25m×25m的土地利用類(lèi)型和地表坡長(zhǎng)、坡度等，用于小尺度流域的土地利用信息、地表坡度和坡長(zhǎng)等數(shù)據(jù)的提??；拓?fù)錅y(cè)繪數(shù)據(jù)和土地利用圖(分辨率 1∶100萬(wàn))用于大中尺度流域的土地利用信息和地表坡度的提??；東北地區(qū)土壤類(lèi)型圖用于土壤可蝕性計(jì)算分析，進(jìn)而可對(duì)不同尺度流域的坡度、坡長(zhǎng)以及水土保持措施因子進(jìn)行計(jì)算分析。水文資料主要包括1970—2015年大凌河流域25個(gè)水文站點(diǎn)的徑流量、逐日降水量和泥沙含量資料，2005—2014年凌源河小流域的徑流泥沙資料，并選取凌源河小流域逐次產(chǎn)流的泥沙量和徑流量作為徑流小區(qū)產(chǎn)沙資料并進(jìn)行小尺度流域的土壤流失計(jì)算[7]。

2.2 土壤流失量計(jì)算

采用中國(guó)土壤流失預(yù)報(bào)方程可對(duì)大中尺度流域的多年平均土壤流失量進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

AE=RKLSBET

(1)

式中AE——多年平均年土壤流失量，t/(hm2·a);

R——降雨-徑流侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)，可利用多年平均降水量求解；

K——土壤可侵蝕性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)，可利用三次樣條法進(jìn)行求解；

L、S、B、E、T——坡長(zhǎng)、坡度、生物措施、工程措施和耕作措施因子。

本文選取的耕地和其他土地利用類(lèi)型的地表坡長(zhǎng)分別為200m、100m，并利用坡長(zhǎng)因子相關(guān)參數(shù)和公式對(duì)該區(qū)域L因子進(jìn)行求解分析；利用Liu B.Y.和RUSLE等提出的理論方法對(duì)坡度因子S進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(2)

采用玉米和大豆的措施因子平均值作為耕地措施因子，采用荒山灌木梗觀測(cè)值作為草地、園地和疏林地的措施因子，其值為0.052；交通用地、建設(shè)用地、水域和居民點(diǎn)的生物措施因子值為0。結(jié)合研究區(qū)域林地植被覆蓋率基本狀況和水土流失抽樣調(diào)查結(jié)果，用經(jīng)驗(yàn)公式求得該區(qū)域林地植物措施因子值為0.025。順坡和橫坡種植的耕作措施因子均值為0.442，其他耕作類(lèi)型的措施因子以及工程措施因子值均為1。通過(guò)對(duì)上述各因子土層進(jìn)行疊加可獲取多年平均土壤流失量，并利用80m×80m網(wǎng)格尺寸進(jìn)行插值計(jì)算。

小尺度流域土壤流失量為切溝侵蝕量、淺溝侵蝕量和片蝕量的總量，可采用式(1)對(duì)片蝕量進(jìn)行求解，采用徑流小區(qū)雨季產(chǎn)流泥沙數(shù)據(jù)資料對(duì)其他各因子值進(jìn)行計(jì)算，各尺度流域的土壤流失量按分辨率為20m×20m的精度進(jìn)行計(jì)算。利用張永光[8]等提出的相關(guān)公式進(jìn)行淺溝侵蝕量計(jì)算，利用Wu Yangqiu[9]等提出的推導(dǎo)公式可求得研究流域的切溝侵蝕量為淺溝的2.4倍。

2.3 流域泥沙輸移比計(jì)算

流域控制斷面的輸沙量與模型計(jì)算求得的土壤流失總量的比值即為各尺度流域的泥沙輸移比SDR，可根據(jù)流域泥沙徑流量和含沙量變化關(guān)系對(duì)斷面出口處的輸沙量進(jìn)行求解。本研究探討了SDR值受主河道比降SLP和流域面積A等河道下墊面地質(zhì)特征因素的作用影響，并對(duì)小尺度流域的不同季節(jié)SDR變化情況進(jìn)行分析。考慮到水文監(jiān)測(cè)站推移質(zhì)數(shù)據(jù)資料相對(duì)匱乏，本文采用懸移質(zhì)泥沙輸移比作為SDR值進(jìn)行求解計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 小尺度流域的泥沙輸移比

流域全年和雨季侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的泥沙輸移比均值分別為0.32和0.35，在雨季的變化范圍為0.05～0.78，流域地表坡度為2°左右，較為平緩，致使降雨匯流速度較慢，徑流極易滲入地下。夏季由于氣溫較高蒸散發(fā)強(qiáng)烈，因此降水在蒸發(fā)和地表徑流入滲的同時(shí)，所攜帶的侵蝕性物質(zhì)可在地表阻力較大或草甸、坡腳等地勢(shì)較為平緩處沉積。春季融雪侵蝕期凌源河小流域的泥沙輸移比為0.18。流域被輸送的泥沙質(zhì)地隨季節(jié)的變化而存在較大的差異，其中重力侵蝕和溝蝕是融雪侵蝕期泥沙的主要來(lái)源并以粗沙為主要侵蝕物質(zhì)；而降雨侵蝕期主要來(lái)源于地表坡面的面蝕和細(xì)溝侵蝕，并以細(xì)沙作為主要的侵蝕物質(zhì)。粗沙由于重力、粒徑顆粒較大等因素在輸移過(guò)程中更易發(fā)生沉積，而細(xì)沙往往被傳送至下游區(qū)域[10]。

3.2 大中尺度流域的泥沙輸移比

該區(qū)泥沙輸移比在大中尺度流域的變化區(qū)間為0.04～0.372，均值為0.048，整體處于較低水平，說(shuō)明在到達(dá)流域出口之前大部分侵蝕物質(zhì)就已經(jīng)產(chǎn)生了沉積。遷移距離和地形地貌特征是引起研究流域SDR值產(chǎn)生變化的主要因素。侵蝕物質(zhì)產(chǎn)生沉積的可能隨著遷移距離的增大或流域面積A的增大而逐漸提高，然而SDR和A并未表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，而是存在一定的冪函數(shù)遞減關(guān)系，見(jiàn)圖1和下式。

SDR=1.26A-0.42;R2=0.35,n=28,P<0.01

圖1 大凌河流域泥沙輸移比SDR與流域面積A的關(guān)系

泥沙輸移比與流域面積的變化關(guān)系在丘陵漫崗的緩坡坡長(zhǎng)區(qū)特征更為明顯,見(jiàn)如圖2和下述公式。

SDR=4.05A-0.51;R2=0.56,n=15,P<0.01

圖2 丘陵漫崗區(qū)泥沙輸移比SDR與流域面積A的關(guān)系

泥沙輸移比在山區(qū)流域隨主河道坡降SLP的增大而表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，說(shuō)明坡面侵蝕產(chǎn)生的泥沙在坡度相對(duì)較陡、地表起伏較為顯著的流域更容易被運(yùn)送至流域的控制出口，見(jiàn)圖3和下式。

SDR=0.006SLP+0.005;

R2=0.46,n=13,P<0.01

圖3 山區(qū)流域泥沙輸移比SDR與主河道比降SLP關(guān)系

3.3 侵蝕泥沙坡面至河道運(yùn)移過(guò)程

黃河流域和長(zhǎng)江流域主要支流泥沙輸移比SDR的變化范圍分別為0.5～1.0和0.3～0.7，與此相比本文所求得的各尺度流域的泥沙輸移比變化相對(duì)較低。泥沙輸移比SDR主要受區(qū)域侵蝕泥沙從坡面運(yùn)送至河道的作用特征因素影響。低山丘陵區(qū)和丘陵漫川漫崗區(qū)為東北典型黑土區(qū)的特征，該區(qū)域以凹形坡和直線坡為主，其坡度通常變化不大，局部地區(qū)可存在不明顯的凹坡和弱變的腐蝕坡。面蝕沿坡頂向下隨攜帶泥沙量、流速和坡面徑流厚度的增大而逐漸增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，由于泥沙負(fù)荷逐漸增大，損耗徑流沖刷力,使面蝕減弱，在坡腳處侵蝕物質(zhì)得以堆積。在谷底和坡面區(qū)域溝蝕均可產(chǎn)生；溝底下切和溝壁崩坍是坡面溝侵蝕的主要來(lái)源；在濕潤(rùn)年份谷底溝溝頭溯源侵蝕發(fā)育較為迅速，在干旱年份基本停滯，而在中等降雨量的年份往往以堆積形式表現(xiàn)出來(lái)[11]。

目前，在侵蝕類(lèi)型特征研究中涉及流域內(nèi)泥沙沉積的研究相對(duì)較少，因此可通過(guò)放射性元素測(cè)年法、泥沙淤積調(diào)查法對(duì)流域侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)流域的泥沙淤積量進(jìn)行推導(dǎo)求解。

4 結(jié) 論

a.凌源河小流域全年和雨季侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的泥沙輸移比均值分別為0.32和0.35，在泥沙輸移過(guò)程中約2/3的侵蝕物質(zhì)發(fā)生沉積；流域被輸送的泥沙質(zhì)地隨季節(jié)的變化而存在較大的差異，其中重力侵蝕和溝蝕是融雪侵蝕期泥沙主要來(lái)源并以粗沙為主要侵蝕物質(zhì)；而降雨侵蝕期主要來(lái)源為地表坡面的面蝕和細(xì)溝侵蝕，并以細(xì)沙作為主要的侵蝕物質(zhì)。

b.大中尺度流域的變化區(qū)間為0.04～0.37，均值為0.048，整體處于較低水平，研究表明在到達(dá)流域出口之前大部分侵蝕物質(zhì)就已經(jīng)產(chǎn)生了沉積，遷移距離和地形特征是影響SDR變化的關(guān)鍵性因素。

c.侵蝕物質(zhì)產(chǎn)生沉積的可能隨著遷移距離的增大或流域面積A的增大而逐漸提高，然而SDR和A并未表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，而是存在一定的冪函數(shù)遞減關(guān)系，此關(guān)系特征在丘陵漫崗的緩坡坡長(zhǎng)區(qū)更為顯著；泥沙輸移比在山區(qū)流域隨主河道坡降SLP的增大而表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，由此說(shuō)明坡面侵蝕產(chǎn)生的泥沙在坡度相對(duì)較陡、地表起伏較為顯著的流域更容易被運(yùn)送至流域的控制出口處。

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