徑流場監測結果在武漢黃陂區水土流失預測中的應用

周耀華，張 濤，郭國先，王天巍

（1武漢市水土保持監測站，武漢430010；2華中農業大學資源與環境學院，武漢430070；3武漢市黃陂區蔡店水保站，武漢430323）

水土流失預測是生產建設項目水土保持方案中的重要內容之一，是水土保持措施布局和設計的基礎，也是項目區水土保持動態監測與分析評價的一項重要內容［1］。目前，大部分水土流失預測主要依據RULSE模型來估算。野外對于水土流失背景值的測定多采用徑流小區法，但是由于地形條件的限制，常常找不到合適的位置布設徑流小區，因此，水土流失背景值的數據很難監測到。所以，在一個特定的區域內，水土流失監測徑流場的設立變得至關重要。徑流場監測數據的合理利用成為快速、準確預測某區域土壤流失量的有效途徑。同時該預測方法的研究將有利于探索區域水土流失規律，尋求水土流失防治途徑和方法［2］。

水土流失監測設立的坡面徑流場是建立在自然坡面上的小集水區域。一般面積在1hm2左右，比自然徑流小區大［3］。大型坡面徑流場由于坡面寬闊，徑流易于集中，降雨產流后，坡面徑流形態除少部分為薄層片流外，大多為股流，侵蝕形態既有片蝕和細溝侵蝕，也有淺溝侵蝕、谷坡侵蝕及重力侵蝕，其測定的土壤流失量代表了自然坡面的實際土壤流失量［4］。這類小區反映了下墊面異質性相互作用后產生的土壤侵蝕狀況。坡面徑流場更貼近自然狀態，監測結果可以直接用于實際工作需要。鄭粉莉、唐克麗等也研究得出大型徑流場所監測的泥沙數據和小流域的監測數據基本一致，而徑流數據卻相差較大［4］。所以徑流場所監測的數據可以作為特定區域生產建設項目水土保持方案編制中非耕地水土流失背景值預測的類比依據，預測該區域的土壤流失量。生產建設項目水土保持監測中計算的水土流失背景值是土壤流失量，指土壤及其母質在侵蝕營力作用下，產生位移并通過某一觀察斷面的泥沙數量。用土壤流失量推演侵蝕量時，一般只需要除以泥沙輸移比，就能求得流域的土壤侵蝕量［5］。

本文以武漢市黃陂區為研究區域，該區于1986年在北部低山區建立野佛溝徑流場，1987年開始開展降雨、徑流泥沙監測試驗。通過對該徑流場多年來的監測結果進行分析，模擬出預測土壤流失量的模型，以期為該區水土流失及生產建設項目背景值的預測提供依據。

1 數據與方法

1．1 研究區概況

武漢市黃陂區位于武漢市中心城區北部，地理坐標為東經114°09′—114°37′，北緯30°41′—31°22′。東臨新洲區和紅安縣，北與大悟縣為界，西與孝感市和孝昌縣接壤。土地總面積2 257．20km2，總人口110萬，是武漢市面積最大和人口最多的一個區。全區境內地勢北高南低，以丘陵平原為主，兼有低山、洼地等地貌類型。屬濕潤的亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16．3℃，年降雨量1 100～1 200mm，是武漢市水土流失重點治理區。

野佛溝徑流場位于黃陂區蔡店鄉，以花崗巖、片麻巖發育的土壤為主，試驗區垂直投影長度277m，寬64．1m，封閉徑流場總面積1．775hm2，平均坡度25°。監測開始時林草覆蓋率31．7%，目前林草覆蓋率上升為71．5%。該區建有巴歇爾槽監測站，巴歇爾槽長5m，高1m，喉導寬0．5m，下設60°三角量水堰，堰口海拔高程147．4m。

1．2 數據應用范圍

野佛溝徑流場共進行了23a的徑流和泥沙監測，根據《水利水電工程水文計算規范》SL278－2002，“徑流頻率計算依據的資料系列應在30a以上”，所以降雨徑流需要繼續監測8a以上或插補延長，才能作為設計依據。懸移質泥沙“統計系列長度定為20a”，推移質泥沙統計系列長度“不宜少于10a”，野佛溝徑流場監測站泥沙監測資料超過20a，可將統計泥沙特征值作為黃陂北部低山區河流、水庫、塘堰泥沙淤積預測，土壤流失量可以作為生產建設項目水土保持方案編制中非耕地水土流失背景值預測的類比依據。

1．3 研究方法

黃陂區北部低山區非耕地水土流失背景值預測時運用了我國相關學者改進后的、適用于我國水土流失評價的RUSLE模型［6］，其表達式如下：

式中：A——土壤年流失量；f——使A代表我國單位量綱［t／（km2·a）］的綜合轉換常數；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可侵蝕性因子；LS——坡長坡度因子的乘積；CP——植被與經營管理因子、水土保持措施因子的乘積；LS、CP為無量量綱單位。

在各參數計算過程中，降雨侵蝕力因子R、土壤可侵蝕性因子K的確定非常困難，所以在同一個水土流失類型區內，近似認為R、K不變，僅考慮坡長、坡度、植被與經營管理因子的變化。本文根據生產建設項目水土流失預測和通用土壤流失方程RUSLE的特點，利用類比法［7］推導土壤流失預測模型。

2 結果與分析

2．1 野佛溝徑流場監測結果及分析

野佛溝徑流場主要監測了降雨、徑流、泥沙和土壤流失量。其中1997年因進水喉道嚴重下沉，只監測了降雨量，未監測土壤流失量。監測結果詳見表1。

表1 野佛溝徑流場水土流失監測結果

根據以上數據通過計算得出徑流場內多年平均徑流系數μ1＝0．402，平均徑流系數標準差σ1＝0．114，變異系數Cv1＝σ1／μ1＝0．283。多年平均土壤流失量μ2＝186t／（km2·a），土壤流失量標準差σ2＝391，變異系數Cv2＝σ2／μ2＝2．10。土壤流失量標準差、變異系數大，這可能是由于土壤流失量受影響因子的影響后波動較大，所以變化比較明顯。

隨著年降雨量的增大，徑流深度也在增大，而降雨量與土壤流失量的相關性不明顯（圖1），這是因為土壤流失量受環境因素的影響遠比徑流深度的影響復雜［8］，同時也說明土壤流失量與降雨強度密切相關。1987年土壤流失量明顯高于其他年份，經調查，主要原因是1986年建設巴歇爾槽監測站時，在徑流場內采用魚鱗坑植樹擾動地表，導致1987年流失量明顯提高，該年監測受人為活動的影響，理論上說應該剔除該年監測結果，但是考慮到該類型區其他小流域都可能會受到不同程度的人為活動影響，為了保持應用該結果的一致性所以不剔除該年監測結果。但是2001年、2006年、2009年的土壤流失量明顯偏低，為了保證與實際侵蝕情況的一致性，在計算過程中剔除了這三年監測的土壤流失量。

圖1 降雨、徑流和土壤流失量變化規律

2．2 水土流失預測模型的建立

以徑流場多年平均土壤流失量為類比依據，采用比例估算法預測黃陂區北部低山區土壤流失背景值，即：

項目區土壤流失量＝186×LS×CP／L0S0×

2．2．1 模型參數的計算

（1）坡長坡度因子LS的確定。坡長坡度因子反映的是地形地貌特征對土壤侵蝕的影響［9］，LS的確定根據《水土保持監測技術》推薦的適用于南方紅壤區的公式：

式中：h——相對高差；β——地面平均坡度角（°）。

野佛溝徑流場的相對高差：

野佛溝徑流場的坡長坡度因子：

（2）植被與經營管理因子、水土保持措施因子的確定。植被與經營管理因子、水土保持因子CP表征自然植被和人為水保措施通過截留、改良土壤結構、改變地表粗糙度等對土壤侵蝕產生的抑制作用［10］。C、P取值范圍為0～1。地面完全裸露時C值為1，當地面保護良好時C值為0．001；未采取任何水保措施的地區P值為1，水土保持很好、無侵蝕風險的地區P值為0．001。C值的確定綜合參考植被覆蓋度（表2）與土地利用類型數據（表3），P值的確定綜合參考耕地類型數據和地形坡度數據（表4）。

表2 不同植被覆蓋條件下的C值

表3 不同土地利用條件下的C值

表4 不同坡度和水保條件下的P值

通過計算得出監測期野佛溝徑流場平均林草覆蓋率為51．6%，所以其植被與經營管理因子取有林地C0＝0．11，水土保持措施因子取等高壟作P0＝0．3。

將以野佛溝徑流場計算出的各個參數值代入，即得出黃陂區北部低山區水土流失背景值的預測模型：

項目區土壤流失量

2．2．2 預測模型應用范圍 不同區域地形地貌、氣象、植被類型、土壤、擾動地表組成物質及形態、侵蝕類型等各個方面都會有所不同。所以在類比法選擇時，要充分考慮水土流失主要因子的相似性、可比性［11］。該預測模型只適用于武漢黃陂區北部低山區，同一個水土流失類型區內，近似認為R、K不變，所以在該區域內依據上述方法，合理確定預測小流域的坡長坡度因子LS，植被與經營管理因子、水土保持因子CP就能估算出項目區水土流失背景值。

2．3 水土流失預測模型的驗證

根據建立的預測模型，在武漢黃陂區北部低山區選取不同土地利用狀況下的片區進行對比，對比情況如表5所示。

表5 不同土地利用方式下土壤流失量預測值與實測值比較 t／（km2·a）

表5表明，在不同的土地利用條件下，應用建立的土壤流失預測模型得出的土壤流失預測值與實測值十分接近，由此可見由小區觀測數據研究得出的土壤流失預測模型在武漢黃陂區北部低山區是適用的。

3 結 論

在水土流失重點治理區建立的大型坡面徑流場不僅可以研究流域內不同地形部位的泥沙來源和產沙部位，而且可以研究整個坡面土壤侵蝕過程及土壤侵蝕與泥沙搬運的關系，建立坡面土壤流失預報方程［4］。野佛溝徑流場23a實測土壤流失量特征值即可用于黃陂北部低山區河流、水庫、塘堰泥沙淤積預測，同時建立的武漢市黃陂北部低山區水土流失背景值預測模型可以預測該區非耕地水土流失背景值，需要強調的是，預測得出的土壤流失量是土壤侵蝕量的一部分。該區降雨、土壤抗蝕性基本相同，僅需考慮坡長坡度因子、植被與經營管理因子、水土保持因子的變化對土壤流失量的影響，建立的模型計算方法科學，是從土壤流失監測到土壤流失預測研究的重大突破，為區域水土流失背景值的預測提供了一種新的思路。

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