海河流域土石山區(qū)與黃土丘陵區(qū)降雨前后坡面微地貌變化分析

張 博，付貴增，凌 峰，齊建懷，程曉云

（1.水利部海河水利委員會，天津 300170；2.懷來縣水務(wù)局，河北懷來 075400）

海河流域是我國水土流失嚴重的地區(qū)之一，包括黃土丘陵區(qū)、土石山區(qū)、石質(zhì)山區(qū)、壩上風(fēng)沙區(qū)和平原風(fēng)沙區(qū)5種下墊面類型。其中，黃土丘陵區(qū)是水土流失最嚴重地區(qū)，土石山區(qū)不僅土壤侵蝕嚴重、而且是山洪、泥石流等自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)。為降低水土流失程度、減輕災(zāi)害損失及避免災(zāi)害發(fā)生，需對水土流失原理及規(guī)律有更明確的認識。

土壤侵蝕受氣候、土壤性質(zhì)、土壤表面條件（微地貌）、地形及人為活動五大因素影響。地表微地貌會受降雨、土壤性質(zhì)及人類活動影響變化。在降雨因素影響下，坡面不同位置土壤微地貌、土壤侵蝕強度有不同變化。目前，已有很多學(xué)者研究降雨對土壤侵蝕的影響，高素絹[1]等利用人工降雨方法及統(tǒng)計方法研究黃土坡面土壤侵蝕動態(tài)變化，琚彤軍[2]等利用同位素示蹤法研究土壤侵蝕的垂直規(guī)律，劉青泉[3]等研究了坡度對坡面土壤侵蝕的影響，但少有微觀上對土壤侵蝕變化及形成機理的研究。

為更好地研究海河流域降雨對水土流失的影響，海河流域水土保持監(jiān)測中心站通過水利部“948”項目引進了3D激光地貌分析儀設(shè)備和技術(shù)，對自然降雨條件下海河流域黃土丘陵區(qū)及土石山區(qū)微地貌變化進行觀測與分析。

1 試驗區(qū)概況

項目選擇位于河北省懷來縣的天龍山徑流小區(qū)和辛川徑流小區(qū)作為觀測實驗區(qū)。懷來縣，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量398.9 mm，且降水時空分布不均——山區(qū)降水多于平原區(qū)，夏季集中了約占全年70%的降水量。降雨是懷來地區(qū)水土流失主要影響因素，每年官廳水庫入庫泥沙量約在百萬噸左右。

天龍山項目區(qū)屬淺山黃土丘陵區(qū)，觀測區(qū)選擇面積為5×20 m2、坡度為15°的自然裸土地徑流小區(qū)。辛川項目區(qū)屬土石山區(qū)，觀測試驗區(qū)選擇面積為5×20 m2、坡度為18°的自然裸土地徑流小區(qū)。徑流小區(qū)周圍由40 cm高磚砌圍欄與周圍環(huán)境隔開。

2 研究方法及技術(shù)路線

2.1 研究方法

本研究旨在通過對不同土壤質(zhì)地、坡面不同位置的試驗小區(qū)經(jīng)歷多次小強度自然降雨雨前雨后地表微地貌進行觀測，總結(jié)其變化趨勢，并試圖分析其成因。

在天龍山及辛川觀測試驗區(qū)中軸線上均勻選取坡上、坡中、坡下3個位置，確定3個1 000×1 000 mm2大小的觀測區(qū)。利用3D激光地貌掃描儀，觀測多次降雨坡面不同位置雨前雨后微地貌變化數(shù)據(jù)。

地表微地貌數(shù)據(jù)由土壤表面起伏程度表示。土壤表面起伏程度可由土壤表面高度變化和地表粗糙度表征。項目選用彎曲度指數(shù)法對地表粗糙度進行量算。彎曲度指數(shù)法將地表輪廓長度同它投影成的直線長度之間的比值作為糙度指數(shù)。

式中：T為變曲性指數(shù)；L為地表輪廓長度；L0為地表輪廓長度的水平投影長度。

在多次小強度降雨條件下，分析坡面不同位置土壤高度變化、地表粗糙度及坡度變化規(guī)律。

2.2 技術(shù)路線

本研究采用室外實驗與室內(nèi)計算機模擬分析相結(jié)合的技術(shù)路線，具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

8月6日至9月10日期間，試驗區(qū)共經(jīng)歷了4次降雨，其中單日最大降雨量為28mm，共獲得5組地表微地貌數(shù)據(jù)。

地表微地貌利用土壤表面高程表示。利用3D激光測距儀測量1 m2范圍內(nèi)土壤表面高度（誤差2 mm），采樣間隔為5 mm×5 mm。采樣數(shù)據(jù)以橫縱坐標(biāo)及高程表示，輸出格式為文本文件。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS空間數(shù)據(jù)，校正同一觀測區(qū)多次觀測數(shù)據(jù)，并建立數(shù)字高程模型，計算雨前雨后土壤表面高度差，并進行統(tǒng)計分析，對比不同降雨量條件下坡面不同位置土壤高度變化及地表粗糙度變化。

4 地表微地貌變化分析

地表微地貌變化可以用坡面土壤侵蝕程度及地表粗糙度兩個參數(shù)表征。坡面土壤侵蝕程度利用觀測小區(qū)土壤表面高度變化計算，地表粗糙度利用監(jiān)測小區(qū)表面積與其投影面積比計算。

4.1 坡面土壤侵蝕程度變化分析

分別計算天龍山及辛川小區(qū)坡上坡下雨前雨后土壤表面高度差，并求出均值，見表1。同時，分析其高差變化頻度，如圖2所示。

由圖2可見，土壤質(zhì)地不同，土壤表面高度變化幅度不同；坡面位置不同，土壤表面高度變化趨勢不同。

表1 監(jiān)測小區(qū)土壤侵蝕程度變化 mm

圖2 監(jiān)測小區(qū)土壤表面高度變化

（1）土石山區(qū)土壤表面高度變化幅度小于黃土丘陵區(qū)。這表明黃土丘陵區(qū)較土石山區(qū)易被侵蝕，其原因可能是黃土質(zhì)地松散，更易受雨滴擊濺侵蝕影響。

（2）坡上土壤表面高度逐漸減少，而坡下土壤表面高度逐漸增加。其原因可能是坡上以侵蝕作用為主，坡下堆積作用大于侵蝕作用。

（3）隨降雨次數(shù)增加，坡上土壤表面高度減少幅度降低，坡下土壤表面高度由增加向減小轉(zhuǎn)變。其原因可能是坡上的侵蝕效應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，坡下的侵蝕效應(yīng)逐漸大于堆積效應(yīng)。

4.2 地表粗糙度變化分析

地表粗糙度是表征地表起伏程度的一個指標(biāo)，項目通過計算地表表面積與其投影面積之比獲得。各監(jiān)測小區(qū)地表粗糙度數(shù)據(jù)，見表2。多次降雨后不同小區(qū)地表粗糙度變化趨勢對比狀況，如圖3所示。

表2 多次降雨后監(jiān)測小區(qū)地表粗糙度變化

圖3 多次降雨后不同小區(qū)地表粗糙度變化趨勢對比

不同土壤質(zhì)地地表粗糙度不同。土石山區(qū)地表粗糙度明顯大于黃土丘陵區(qū)地表粗糙度。黃土丘陵區(qū)不同坡面位置地表粗糙度差異不大，土石山區(qū)坡下地表粗糙度明顯大于坡上。

經(jīng)歷多次降雨后，黃土丘陵區(qū)坡上地表粗糙度變化幅度不大，坡下地表粗糙度有增加趨勢；土石山區(qū)地表粗糙度變化不明顯。這表明，在多次小強度降雨條件下，黃土丘陵區(qū)更易被侵蝕。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

在小強度降雨影響下，海河流域土石山區(qū)與黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕程度及變化趨勢不同；坡面不同位置土壤侵蝕方式不同。

（1）黃土丘陵區(qū)較土石山區(qū)易被侵蝕。表現(xiàn)為黃土丘陵區(qū)土壤表面高度變化幅度及地表粗糙度變化幅度較土石山區(qū)大，其原因可能是黃土團粒較松散，更易受到降雨侵蝕。

（2）小強度降雨條件下，坡上以侵蝕作用為主，隨降雨次數(shù)增加侵蝕強度逐漸減??；坡下堆積作用大于侵蝕作用，隨降雨次數(shù)增加侵蝕作用逐漸增強。表現(xiàn)為每次雨后，坡上土壤表面高度均有所減少，減少程度逐漸減低；坡下土壤表面高度均有所增加，增加程度逐漸減小，并有表面高度減小趨向。其原因可能是坡上經(jīng)歷多次降雨后，侵蝕形態(tài)趨于穩(wěn)定；坡下則由堆積作用為主向侵蝕作用為主轉(zhuǎn)化。

5.2 建議

受時間及自然條件所限，數(shù)據(jù)采集頻度及類型嚴重不足。研究者可從如下兩方面繼續(xù)深入探討。

（1）懷來縣降雨稀少，爭取采集10次以上小強度降雨前后土壤表面高度變化數(shù)據(jù)，并對其變化趨勢進行細致分析，研究其地表微地貌變化的空間分布。

（2）研究中等強度降雨甚至暴雨對地表微地貌變化的影響，降雨對土壤侵蝕方式及土壤侵蝕量的影響。

[1]高素絹，王占禮，黃明斌，等.黃土坡面土壤侵蝕動態(tài)變化過程試驗研究[J].水土保持通報，2010（2）：63-68.

[2]琚彤軍，田均良，劉普靈，等.REE示蹤條帶施放法研究坡面土壤侵蝕垂直分布規(guī)律[J].核農(nóng)學(xué)報，1999，13（6）：347-352.

[3]劉青泉，陳力，李家春.坡度對坡面土壤侵蝕的影響分析[J].應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)，2001（5）：449-457.