江鑌斌

(五華縣水利水電建設中心，廣東 梅州 514400)

桂田水庫在保證縣城水源供水的基礎上兼顧農田灌溉和發(fā)電需求，是一座綜合性水庫。PujiUtomo(2017年)的主題研究是Mrica水庫泥沙淤積：現狀和未來必要管理[1]。其研究結果表明，在2017年的過去十年中，沉積物的流入速度約為每年5.869×106m3，而從水庫中釋放的沉積物為每年4.097×106m3。因此，為了維持水庫的容量，每年應以沖洗或挖沙的方式從水庫釋放最少1.772×106m3的庫容。此外，研究表明沉積管理可有效延長水庫使用壽命。如果不進行沉積物管理，水庫壽命將在2016年結束；相反，如果管理得當，壽命將可能延長到2025年。Tundu[2]運用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模型計算Mazowe流域的土壤侵蝕，結果表明，侵蝕和沉積會極大影響津巴布韋Mazowe流域的水質。

我國根據土壤侵蝕類型將全國分為三大土壤侵蝕區(qū)，分別為以水力侵蝕為主的類型區(qū)、以風力侵蝕為主的類型區(qū)、以凍融侵蝕為主的類型區(qū)。其中以水力侵蝕為主的類型區(qū)占國內侵蝕區(qū)重要比例。土壤侵蝕造成的水庫淤積成為水庫運行管理中的一大難題。庫容-水位關系曲線是水庫安全調度的重要依據，庫容計算的準確度直接關系到水庫和發(fā)電機組的安全運行[3]。研究表明，各類水庫病害中，水庫泥沙淤積最為嚴重，特別是水庫尾部的淤積，其導致庫容減小，降低了水庫的可利用率[4-5]。因此對水庫的泥沙進行管理，將直接影響水庫的使用壽命[6-8]。所以，對水庫泥沙淤積問題的研究具有重要意義。本文通過使用預測流域侵蝕速率的方法對桂田水庫泥沙淤積問題做定量定性分析研究。

1 研究方法

將降雨侵蝕因子、土壤可侵蝕性因子、地形因子、土地覆蓋與作物管理因子等方面綜合考慮，將每項繪制成圖，并運用預測流域平均侵蝕速率的方法對目標流域研究分析。本文研究計算采用USLE方程(通用土壤流失方程)。為了確定對侵蝕速率的預測，需要在進行分析之前收集一些必要的數據。數據包括:地球影像圖、降雨數據、土地類型圖、土地利用數據、野外回聲測深結果等配套文獻。

1.1 降雨侵蝕因子(Rm因子)

降雨量數據被處理成平均年降雨量，降雨侵蝕力根據對目標流域有影響的雨量站計算，如式(1)。

Rm= 2.21×Pm×1.36

(1)

式中：Rm為雨水侵蝕系數；Pm為年平均降雨量，cm。

1.2 土壤可侵蝕因子(K因子)

土壤可侵蝕性因子(K因子)的計算方法為:根據研究場地土壤類型的條件，從目標水庫當地省份的流域和當地林業(yè)管理局獲得2019年實測數據，如表1所示。

表1 土壤類型與土壤可蝕性因子(K)

1.3 地形因子(LS因子)

更陡的斜坡將產生更高的坡面流速，而LS因子的確定遵循由林業(yè)部門發(fā)布的坡度評估等級，如表2所示。

表2 地形因子(LS)

1.4 土地覆蓋與作物管理因子(CP因子)

作物管理因子(C)和土地覆蓋(P)的值由基于土地利用圖的C因子表得到。土地利用圖從數字高程模型DEM (Digital Elevation Model)獲得，并結合了目標水庫當地省份河流和當地林業(yè)管理局發(fā)行的土地利用圖。

1.5 集水區(qū)流域侵蝕

目前仍然流行和常用地對某一流域平均侵蝕速率的預測是由Wischmeier和Smith(1965, 1978)提出的通用土壤流失方程(USLE)，經過各種修改和發(fā)展，其結果如式(2):

A=Rm×K×LS×C×P

(2)

式中：A為土壤流失量,t/(hm2·a)；根據USLE方法的預測，侵蝕過程中的土壤流失總量將確定流域的侵蝕危險等級，如表3所示。

表3 侵蝕危險等級分類

1.6 集水區(qū)泥沙產量

泥沙輸送率即輸沙率代表沖刷入河流的總土壤流失的比例，可由式(3)計算得出。

SDR= 0.5656CA-0.11

(3)

式中:SDR為輸沙率；CA為流域面積，km2。

輸沙率確定后，平均輸沙量由Wischmeier和Smith(1978)的式(4)確定。

SR=SDR×A

(4)

式中:SR為產沙量， t/(hm2·a)。

2 結果分析

2.1 水庫淤積量

通過分析處理后的GPS測量數據的輪廓圖結果和回聲測深遙感，與計算機軟件(軟件)MapInfo和ArcView GIS一起使用后，得到集水區(qū)、水庫深度、水庫容量、表面積等水庫特征量。測量結果如圖1所示。根據圖1分析結果顯示，桂田水庫的深度為19.2 m，水表面積為135 800 m2。

圖1 桂田水庫的特征表面積和深度

桂田水庫的變化趨勢線估算結果與回歸分析如圖2所示。

圖2 高程關系曲線與水庫面積和水庫體積的關系

水庫容積計算見式(5)：

V= 0.1104x3+0.1283x2+2.5474x-0.9714

(5)

式中：V為水庫容積，103m3;X為水庫高程，m。

水庫區(qū)域面積計算見式(6)：

L= 0.0061x3+ 0.1682x2+ 1.4471x+ 0.5111

(6)

式中:L為水庫區(qū)域面積，103m2。

測量結果顯示，平均沉積物深度為4.20 m，由此可從等式(5)、式(6)得出2019年桂田水庫的沉積量為20 170.21 m3。

2.2 流域土壤侵蝕量

2.2.1 降雨侵蝕因子分析

降雨量數據被處理為年平均降雨量。降雨侵蝕力是根據氣象站從2009—2018年實測數據計算得出的。由數據分析知，最大的降雨侵蝕力值發(fā)生在3月，為212.96 mm，而最小的降雨侵蝕力則是在9月，為38.89 mm。如圖3。

圖3 降雨侵蝕因子平均值(Rm)

2.2.2K因子、LS因子、CP因子

土壤可蝕性因子(K因子)、土地覆蓋物和作物管理因子(CP因子)的計算使用從廣州市的河流流域和保護森林管理局獲得的數據。如圖4。

圖4 桂田水庫集水區(qū)土地利用特征

桂田水庫庫區(qū)的灌木占地面積為37.52 hm2，K=0.56，LS=1.4，C=0.3，P=1；而種植面積為7.45 hm2，K=0.56，LS=3.1，C=0.4，P=1；對于荒地面積為51.91 hm2，K=0.16，LS=6.8，C=1，P=1；森林土地面積為20.59 hm2，K=0.53，LS=0.4，C=0.001，P=1。

2.3 流域土壤侵蝕量

在計算出從1—12月的總體情況后，每月的表面侵蝕量如表4所示。

表4 年集水區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計結果

從表4的分析計算結果來看，桂田水庫集水區(qū)的表面侵蝕率足夠大，達到53.2 mm/a或957.59 t/(hm2·a)，導致表面侵蝕。由數據分析可知，桂田水庫集水區(qū)發(fā)生的平均侵蝕可歸類為中等侵蝕危險等級(三級)。如此高的侵蝕率其中一個原因可能是由于土地利用功能的轉移與政府確定的土地功能和利用不一致造成的；另一個重要原因可能是人口密度不平衡造成的。土地的擴張將間接破壞土地保護。表5顯示了根據土地利用情況確定的地表侵蝕量。

表5 集水區(qū)地表侵蝕量

從表5的分析結果可以看出，最大的侵蝕量來自荒地，達到90 142.15 t/a。表面侵蝕速率的值53.20 mm/a等于侵蝕量62 491.92 m3/a(通過計算沉積物/地面時間的重度)。侵蝕值為53.20 mm/a，此侵蝕值并非全部直接進入桂田水庫，有些將保留在地表上。

2.4 流域泥沙輸移比

進入水庫的沉積物與被侵蝕的沉積物的比稱為沉積物輸送比(SDR)。SDR的值可以證明現有侵蝕控制系統(tǒng)的有效性，包括土地利用和土壤保持。SDR值越小，侵蝕控制系統(tǒng)越有效，反之亦然。桂田水庫的SDR值是通過將桂田水庫地面發(fā)生的沉積量除以集水區(qū)發(fā)生的地表侵蝕量 (USLE公式計算的結果)得到的。利用研究人員進行的回聲測深測量數據表明，由于侵蝕進入桂田水庫的泥沙量為20 170.21 m3/a。因此，計算可得桂田水庫的SDR值為0.3228，這意味著32.28%的集水區(qū)土壤侵蝕量進入桂田水庫，其余的67.72%在輸移過程中沉積在集水區(qū)內。如圖5。

圖5 各月份侵蝕與沉積對比情況

桂田水庫集水區(qū)具有較大的傾斜坡度。據統(tǒng)計，桂田水庫44.19%的集水區(qū)地形因子(坡度)超過20%，屬于第Ⅲ類。此外，土地利用因子對徑流仍有較大的抑制或減緩作用，因此，根據32.28%的SDR值可以推斷，目前的土地利用因子對現有的侵蝕控制系統(tǒng)的作用是無效的。

假設沉積速率基于2019年20 170.21 m3/a的測量結果，且如果不進行任何處理，由于沉積導致集水區(qū)的侵蝕，水庫死庫容或許將在未來3 a完全充滿，2062年或43 a后，水庫山脊的總體積將充滿泥沙。由以上數據，并且鑒于地表侵蝕屬于中等類別，有必要降低侵蝕率，以及保護環(huán)境。

3 結 論

桂田水庫集水區(qū)發(fā)生的平均侵蝕可歸類為中等侵蝕危險等級(三級)，為957.59 t/(hm2·a)或53.20 mm/a，相當于62 491.92 m3/a。而根據研究人員進行的回聲測深測量數據表明，侵蝕進入桂田水庫的泥沙量為20 170.21 m3/a，可計算得到泥沙輸沙比(SDR)為32.28%。根據2019年測量結果20 170.21 m3/a的沉降速率，在土地利用沒有顯著變化的情況下，水庫的死庫容將在未來3年完全充滿，到2062年或43 a后，水庫山脊將充滿泥沙。為有效延長水庫使用壽命，應及時對水庫進行沉積物管理。