黃河下游河岸坡面產流產沙特征及其與匯流路徑長度關系*

曹梓豪 趙清賀 左憲禹 丁圣彥 張祎帆 徐珊珊任嘉衍

（1 河南大學環境與規劃學院，河南開封 475004）

（2 河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室，河南開封 475004）

（3 北京師范大學地理科學學部，北京 100875）

（4 河南大學數據與知識工程研究所，河南開封 475004）

作為一種特定的、受多種因素相互作用的水土流失形式，坡面侵蝕受植被蓋度和坡度影響顯著［1］。大量研究表明，植被蓋度與徑流量、土壤流失量之間存在強相關性，徑流量和產沙量均隨植被蓋度增加呈不同程度減小趨勢［2-6］；坡度對坡面侵蝕的演變發展過程和侵蝕強度起著重要作用，其大小在一定程度上決定了徑流的沖刷與搬運能力［7-9］。然而，現有研究大多局限于分析單因子在產流和產沙過程中的影響［4-6,8-9］，缺乏對植被和地形的共同作用及其對產流、產沙和匯流特性影響的深入研究［10-11］。坡面水文連通性，反映水文循環各要素之間物質、能量以及生物的水介導運輸［12］，是理解流域或坡面匯流機制的有效途徑［13-14］。由植被斑塊及其間隙的裸土在空間上形成的具有特定生態系統功能的源匯斑塊鑲嵌結構所引發的水文連通性，直接影響著坡面的侵蝕產沙狀況。如，Ludwig等［15］采用徑流和泥沙源匯間的連通性反映小區或坡面植被覆蓋阻滯水土的能力；Liu等［16］通過觀測試驗，分析了黃土高原羊圈溝小流域不同坡面植被空間配置下水文連通性產生的土壤侵蝕效應；Mayor等［17］綜合考慮植被空間分布和地形，探討了干旱區徑流在源匯間的連通性對土壤侵蝕的影響。

河岸帶是河流-陸地生態系統之間重要的生態過渡區，具有獨特的生態系統結構和服務功能，尤其是河岸帶的地形和植被，在攔截、過濾、沉積上坡地表徑流與泥沙、穩固河岸、防止河岸沖刷等方面具有重要作用［18］。因此，開展河岸帶水土保持效應研究對區域的水沙調控具有重要意義。然而，河岸坡面植被蓋度以及源匯斑塊鑲嵌格局變化所引發的匯流路徑長度、侵蝕產流產沙特征變化以及兩者關系的研究有待深入，如何從植被和地形交互作用產生的匯流路徑長度變化分析河岸帶水土流失效應有待探討［14］。黃河下游地區作為我國重要糧食產地之一，受經濟發展和農耕活動影響，河岸帶開發利用程度較高，區域內植被斑塊破碎化嚴重，河岸帶水土保持功能面臨嚴峻挑戰。因此，本文通過在黃河下游河岸帶坡面上開展野外模擬降雨試驗，分析不同坡度和植被蓋度下河岸坡面產流產沙特征的同時，引入水文連通性模型，基于匯流路徑長度指數探究其與產流產沙之間的關系，以期為黃河下游河岸帶水土保持功能評估和退化河岸帶的恢復提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究以黃河下游中牟段河岸帶為對象，試驗設置于中牟縣九堡村（34°55′52′′N，114°1′21′′E）附近的黃河南側河岸坡面（圖1）。黃河中牟河段上界與鄭州市相連，下界與開封市郊相接，區內堤長31.37 km，河道寬窄不定，河勢游蕩多變；河岸帶平均寬度2.07 km，平均高程83.5 m［19］。該區為暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年均氣溫約12～16 ℃，年均降水量約550～650 mm。該區降雨具有年際變化大，空間分布不均的特點，且近年來呈現有雨日減少、特大暴雨頻率增加、旱澇災害加劇的趨勢［20-21］。該區土壤受黃河洪水泛濫影響，多為黃河沖積物和洪積物，土層深厚，土壤質地主要為亞砂土和粉砂土［21］；區內植被主要為楊樹（Populus）、柳樹（Salix babylonica）、混交人工林和河漫灘草地，林下草本植物主要為禾本科（Gramineae）、菊科（Compositae）、豆科（Leguminosae）和十字花科（Brassicaceae）等［20］。

1.2 試驗設計

本研究關注降雨在河岸坡面上的產流及匯流過程造成的土壤侵蝕效應。因此，在不考慮縱向上河道流水沖刷和下切影響的前提下，按中牟地區多年觀測降雨量進行模擬降雨試驗。根據中牟段河岸帶坡度和植被覆蓋情況，結合前期考察與研究［11,22-23］，本研究設置4個坡度（5o、10o、15o和20o）和3種蓋度（0%、15%和30%）。根據坡度設置，在河岸帶選擇4個受人為破壞小且下墊面狀況基本一致（表1）的自然坡面進行模擬降雨試驗（各坡面間土壤含水量、土壤容重等均在一定范圍內波動，無明顯差異）。試驗前先提取坡面植被蓋度以保證與試驗方案基本一致；有植被覆蓋的試驗結束后剪除植被，采用三維激光掃描系統（LRIS-3D）掃描坡面，提取地表微地形，之后進行裸坡面試驗；最后將提取的植被蓋度與地形數據在Matlab中進行用于評估水文連通性的匯流路徑長度指數計算。

1.3 人工降雨模擬試驗

首先，在河岸帶上測量選取與試驗預設坡度一致的坡面；其次，布設試驗小區（1 m×3 m），四周用鋼板圍合，小區底端安置與小區等寬、底面緊貼地面集流槽，在集流槽下方出口挖取直徑與小區等寬的圓坑用以放置收集泥沙樣品的集流桶；最后，在小區正上方架設降雨模擬器。為減少風對降雨影響，在降雨模擬器四周的三側用防風布圍合，只保留下風向或垂直風向一側進行觀察（圖1a）。本研究采用下噴式人工降雨模擬器（JLC-RY1）模擬降雨，設備有效降雨面積1.5 m×3 m，降雨高度2 m，降雨均勻程度在85%以上。根據中牟地區降雨量，經儀器校正、雨強大小和均勻度率定，分別設置大（90 mm·h-1）、小（54 mm·h-1）兩個降雨強度，依次進行不同坡度和植被蓋度的試驗。

圖1 研究區位置和試驗小區Fig. 1 Location of the study area and experiment plots

表1 下墊面狀況Table 1 Conditions of the underlying layer

為保證初始條件一致性，試驗前先用撒水器在試驗小區內均勻撒水，撒水量控制在土壤表面達到充分飽和但又未發生產流的程度。降雨過程中接入穩壓器（SY-3000VA）穩定電壓至220 V使水泵輸出功率穩定以保證試驗穩定、測量數據可靠；水箱始終處于滿蓄狀態以保證供水充足。試驗過程中，從產流開始計時，歷時30 min，前5 min每隔1 min取1次徑流泥沙樣，后25 min每隔5 min取1次徑流泥沙樣，每場試驗共收集10次樣品；坡面流速測定采用高錳酸鉀染色劑法，以相同時間間隔進行測量。

1.4 坡面植被、微地形提取

植被蓋度提取：首先，在不擾動小區下墊面土壤情況下，對植物進行簡單修理，小區植物主要是河岸帶自然生長的狗尾草（Setariaviridis）；其次，借助相機（Canon SX60 HS）在小區正上方沿坡對小區進行拍照，利用Photoshop CS4軟件處理照片，獲取植被蓋度（為保證提取精準，此過程重復多次直至獲取的蓋度與實際設定的蓋度相比誤差在0.5%之內）；最后，在ArcGIS 10.2中對提取的植被蓋度圖像進行柵格化處理（分辨率0.01 m），如圖1b所示。

地表微地形提取：首先，在不擾動表層土壤和破壞微地形的前提下剪除坡面植被；之后，將三維激光掃描系統放置在坡面正前方1.5 m處，采集坡面地形點云數據（精度達毫米級），依次完成對4個小區微地形的采集（圖1c）。最后，基于ArcGIS 10.2將采集的點云集群按小區邊界進行裁剪，提取內部有效點云數據生成高分辨率的DEM（分辨率0.01 m），如圖1d所示。

1.5 數據處理

試驗結束后，將收集的10次樣本進行稱量獲取徑流泥沙總重，之后靜止24 h待泥沙沉淀后分離上層清液與泥沙，分別稱取濕泥沙重量和上清液重量，最后在烘箱中（105 ℃）將泥沙烘干（24 h）至恒重，稱取泥沙干重，以此計算各時段總徑流量和泥沙量。

在試驗過程中，為減少人為操作對降雨和坡面的影響，徑流深（h）根據徑流量計算，公式如下：

式中，q為單寬流量（m3· min-1· m-1）；Q為t時間內徑流量（m3）；t為徑流取樣間隔時間（min）；U為斷面平均流速（m·min-1）；B為過水斷面寬度（m）。

流速的測量包含3個斷面流速（順坡向下，位于1、2和3 m）和全程流速，最后將斷面流速和全程流速取平均值乘以修正系數0.67［24］作為坡面平均流速。

連通性指標匯流路徑長度的計算過程見文獻［17］。該指數假設裸土斑塊作為徑流和泥沙的“源”，植被斑塊和地表洼地作為徑流和泥沙的“匯”［25］。根據坡面DEM，水流從坡面高處向低處匯流過程中，選用單一流向算法定義流道［26］。其中，水流從一個柵格到另一柵格的流動只選擇相鄰最大落差方向，直至水流到達植被斑塊或地表洼地，若最大落差方向存在多個，水流方向隨機分配［17］。此外，水流過程中地形的“匯”不同于植被斑塊，其確定方法為：如果某一柵格的高程低于相鄰所有柵格的高程，則此柵格就成為徑流的“匯”。根據以上準則，在Matlab程序中完成對每個柵格匯流路徑長度的計算。匯流路徑長度指數作為所有柵格匯流路徑長度的平均值，其值越高表明水文連通性發展越好，越有利于徑流泥沙輸移［27］。

2 結 果

2.1 坡面產流特征

圖2表明，徑流平均流速隨雨強和坡度增大而增大，隨植被蓋度增加而減小；徑流深受雨強和植被蓋度影響與平均流速相同，而受坡度的影響則相反，隨坡度增大而減小。隨雨強增大，同一坡面裸坡和15%植被蓋度間平均流速差異較小，15%和30%蓋度間差異較大，植被覆蓋坡面的徑流深隨坡度增加其呈線性下降的趨勢逐漸明顯。這與梁志權等［28］的研究結果一致，即降雨強度的增加會使單位時間內進入坡面的水量增加，產生較大的坡面徑流量，導致坡面徑流流速隨之增大；隨坡度增加，較多的徑流重力勢能轉化為沿坡面方向的動能，亦會導致徑流流速增大，由此引發的較快徑流流速減弱了坡面徑流深。此外，雨強的增加減小了隨坡度變化中裸坡和15%植被蓋度間的徑流流速差異，增加了15%和30%蓋度間的差異。

徑流深在54 mm·h-1雨強下隨坡度變化表現的曲線下降趨勢以及在90 mm·h-1雨強表現的線性下降趨勢，說明小雨強下坡度對徑流深影響不明顯，只有在近似平地（5°）向有一定傾角坡度（10°）變化中表現出坡度對徑流深的影響，在之后有較大傾角的不同坡度間，徑流深保持平緩，維持在5 mm左右；在大雨強下徑流深隨坡度增加逐漸減小，受坡度影響明顯。坡度對徑流的影響主要通過增大水體重力來加速徑流、減少入滲實現［29］，而已有研究發現兩者存在負相關［6］，表明坡面植被狀況較差可導致徑流流速加快、流量增加。

徑流總量隨坡度和植被蓋度增加呈下降趨勢，隨雨強增加呈增加趨勢。同一坡面不同植被蓋度間徑流總量差異隨雨強增加逐漸增大。這與梁志權等［28］、余長洪等［30］的研究結果相一致。隨雨強的變化表明，小雨強下坡度對徑流量影響不明顯；大雨強下徑流總量隨坡度增加逐漸下降的同時在各坡度間存在較大差異，受坡度影響明顯。此外，裸坡產生的徑流總量在10°坡面偏低，這與10°坡面存在較多徑流和泥沙容易匯集的洼地有關，與有植被覆蓋（15%）時根莖對地表洼地的墊高、填充相比，徑流和泥沙會相對減少；隨植被蓋度持續增加（30%），植被對降雨攔截、徑流阻礙所造成的徑流總量減少作用將明顯大于洼地的匯集作用，結果導致30%植被蓋度下徑流總量最少。

圖2 不同坡度和植被蓋度下產流特征Fig. 2 Runoff characteristic related to slope gradient and vegetation coverage

2.2 坡面產沙特征

圖3表明，不同雨強下侵蝕產沙量隨植被蓋度增加而減少，隨坡度變化略有不同。54 mm·h-1雨強下，侵蝕產沙量隨坡度增加而增加，當坡度＜15°時，其隨坡度增加的增幅較小，當坡度＞15°后增幅逐漸變大。90 mm·h-1雨強下，侵蝕產沙量隨坡度呈先增加后降低趨勢，其中當坡度＜15°時，侵蝕產沙量隨坡度增加而增加，當坡度＞15°后其隨坡度增加而逐漸減少。縱比來看，隨雨強增加，同一坡面不同植被蓋度間侵蝕產沙量差異增大。

圖3 不同坡度和植被蓋度下侵蝕產沙特征Fig. 3 Sediment yielding characteristic related to slope gradient and vegetation coverage

坡面產沙量受降雨侵蝕力和徑流搬運能力影響［28,30］。隨坡度增加，泥沙顆粒除受雨滴濺蝕、水流侵蝕影響外，受自身重力侵蝕影響逐漸增大，導致坡面泥沙穩定性降低，不穩定的坡面泥沙和流速較快的徑流增加了植被的減流攔沙難度［23］，造成了不同植被蓋度的侵蝕產沙量隨坡度增加呈現增加趨勢。在隨坡度變化中，54 mm·h-1雨強下的產沙量在＜15°坡面上增幅較小，在＞15°的坡面上增幅較大，可以看出當坡度＜15°時，產沙量受坡度影響較小，當坡度＞15°后受坡度影響增加，這與先前在黃河下游河岸緩沖帶模擬徑流沖刷試驗所得結果基本一致［23］。90 mm·h-1雨強下，從產沙量隨坡度增加呈現的較大變幅可以看出其受坡度影響明顯增強。54和90 mm·h-1雨強下侵蝕產沙量受坡度影響與徑流相似，基本都表現出大雨強下受坡度影響較為明顯特的征。此外，河岸坡面在大坡度大雨強下出現雨滴擊濺形成的洼地，洼地的存在截留了上坡來水來沙，減弱了坡面水文連通性，因而出現90 mm·h-1雨強20°坡侵蝕產沙量減小的情況。

在本研究中，當坡度＞15°后，兩雨強下15%和30%植被蓋度間產沙量差異隨坡度增加逐漸減小，裸坡與植被覆蓋坡面的差異逐漸增大，這與先前的研究結果“當坡面＜15°時，侵蝕產沙主要受植被蓋度影響，當坡面＞15°后，侵蝕產沙受植被蓋度影響明顯減弱，受坡度影響增加”［23］相契合。對于植被蓋度，盡管坡面＞15°后不同植被蓋度抑制侵蝕產沙的作用逐漸減弱，但仍有一定效果，產沙量隨著植被蓋度增加逐漸減少。

2.3 坡面產流產沙特征與坡度和植被蓋度的關系

坡度、植被蓋度與產流產沙特征的相關性表明（表2），不同雨強下坡度對產沙量（P＜0.001）、產流量（P＜0.01）、徑流深（P＜0.01）和平均流速（P＜0.05）均有顯著影響，而植被蓋度僅對平均流速有影響（小雨強和大雨強下顯著性分別為P＜0.05和P＜0.01）。總體而言，坡度對產流產沙特征的影響大于植被蓋度的影響，這可能與本研究中植被蓋度對產流產沙的抑制作用未達到最優有關。根據韓鵬和李秀霞［22］在黃河流域的研究，當植被蓋度超過45%時，再繼續增加植被蓋度以提升水土保持效益的作用并不明顯，因此在小于45%植被蓋度的黃河河岸坡面上，坡度對產流產沙的促進作用可能稍強于植被對產流產沙的抑制作用。

2.4 匯流路徑長度對坡面產流產沙的影響

圖4表明，裸坡的匯流路徑長度隨坡度增加逐漸降低，當坡度＞10°后降幅較為明顯，而有植被覆蓋坡面的匯流路徑長度隨坡度增加基本保持平穩。匯流路徑長度隨植被蓋度增加逐漸降低，其基本保持裸坡＞15%植被蓋度＞30%植被蓋度的趨勢；其中，裸坡的匯流路徑長度明顯大于植被覆蓋坡面的匯流路徑長度，而有植被覆蓋坡面在不同植被蓋度間（15%和30%）匯流路徑長度差異較小。

根據先前研究，坡度增大有助于坡面匯流路徑長度增加、水文連通性增強［27］，但本研究中，裸坡的匯流路徑長度隨坡度的增加逐漸降低。分析認為，裸坡在一定強度的降雨作用下，雨滴擊濺將增加地表粗糙度、改變微地形，形成不同程度的洼地［27］。隨著坡度增加，洼地受徑流侵蝕明顯，對上坡來水來沙截留作用增強，從而造成坡面匯流受阻、水文連通性減弱。在植被坡面上，植被的存在減弱了降雨對地表的塑造［31］，因此相同植被蓋度下4個坡面匯流路徑長度無明顯變化。隨著植被蓋度增加，匯流路徑長度逐漸降低，坡面水文連通性發展受限。相關性分析進一步表明，植被蓋度對匯流路徑長度影響顯著（P＜0.001），坡面有無植被或植被覆蓋程度是造成水文連通性差異的主要原因，只是這種差異在裸坡和植被坡面間較大，在不同蓋度的植被坡間較小。

表2 坡度和植被蓋度與坡面侵蝕產沙的相關性Table 2 Correlations between sediment yield and slope gradient and vegetation coverage

圖4 不同坡度和植被蓋度下的匯流路徑長度Fig. 4 Flowlengths related to slope gradient and vegetation coverage

根據上述結果，探究不同坡度和植被蓋度所形成的匯流路徑長度對坡面侵蝕產流產沙的影響。從圖5可以看出（y 軸方向的標準差代表同一植被蓋度下4個坡面間產流/產沙量的誤差，x 軸方向的標準差代表同一植被蓋度下4個坡面間匯流路徑長度的誤差），在隨匯流路徑長度增加過程中，產流量增幅逐漸減小并趨于平緩，產沙量增幅雖有所減弱，但仍保持增加趨勢；不同雨強下4個坡面的產流產沙量隨匯流路徑長度的增加基本呈增加趨勢，表現出一定相關性。對比不同植被蓋度發現，當植被蓋度從30%減少至15%時，其產生的匯流路徑長度增加，在此過程中不同雨強下產沙量均增幅明顯，而產流量在大雨強下增幅明顯，小雨強下增幅較小；當植被蓋度從15%減少至0時，其產生的匯流路徑長度明顯增加，此過程中產沙量增幅明顯，而產流量仍保持較小增幅。隨匯流路徑長度的增加，產流量趨于平穩的同時產沙量仍保持增加趨勢，說明地表洼地和植被的存在雖然對水流及泥沙運移有所阻礙，但隨著徑流和泥沙源匯間匯流路徑長度的發展，坡面徑流的潛在攜沙能力逐漸增強。

圖5 匯流路徑長度與產流和產沙之間關系Fig. 5 Relationships between flow length and runoff and sediment yielding

3 討 論

本文以河岸自然坡面為研究對象開展植被覆蓋和地形特征對侵蝕產沙影響研究。從以往研究來看，研究對象大多集中在非河岸自然坡面或人為裝載土槽坡面［6］。人為裝載土槽坡面的研究變量以及試驗中受外界環境的影響均易于控制，可在理想狀態下全面地揭示不同類型土壤的侵蝕過程、機理等規律，研究結果可為各地區的土壤侵蝕防治提供明確的理論指導［28,31］。但是，人為裝載土槽坡面試驗對土壤物理結構的破壞以及對原狀土的復原程度，對試驗結果的影響仍不可忽視。與人為裝載土槽坡面相比，野外自然坡面，雖然在試驗中受所處環境以及不受控自然因素等多種因素的干擾從而導致試驗所得數據可能并非完全理想，但卻是自然情況的真實反映，研究結果可為區域土壤侵蝕調控、治理提供較強現實參考［6,8］。

在河岸區域和非河岸區域坡面土壤侵蝕研究中，即使其涉及的坡面均屬于自然坡面范疇，但由于兩者屬于不同景觀單元或類型，在流域中發揮著不同的景觀功能，因此，不同因子在坡面土壤侵蝕中的作用、由此產生的坡面產流產沙特征以及相應的水土保持功能可能存在一些異同。如針對黑土區、黃土區自然坡面的相關研究指出，坡度對侵蝕產沙的影響與雨強存在一定關系，雨強增加縮短了產流產沙歷時，增強了坡度在產流產沙中的作用［8,32］；產流產沙整體隨坡度變化復雜，在12°～15°間出現侵蝕效應臨界坡度。這些針對非河岸區域的研究與本研究中針對河岸坡面的結果基本一致。另外，無論河岸還是非河岸自然坡面，地表植被的存在都影響坡面徑流量和流速。朱冰冰等［6］、韓鵬和李秀霞［22］分別在寧夏固原、黃河流域植被對非河岸自然坡面的土壤侵蝕影響研究得出的結果與本研究得出的植被對河岸坡面產流產沙影響的結果基本相符合。但由于河岸坡面和非河岸自然坡面在流域中所處位置不同，致使坡面植被的水土保持功能存在差異。如，雖坡面承雨量相同，但河岸坡面較大的上坡來水量以及徑流中較大的泥沙含量和顆粒大小，導致其與非河岸坡面的侵蝕過程存在明顯差異；河岸坡面植被類型、蓋度、土壤含水量等均與非河岸區域存在明顯差異，亦會導致其土壤侵蝕過程或水土保持效益有別于非河岸區域。另外，植被對不同坡面產流產沙的影響較為復雜，且認知尚未形成統一。如朱冰冰等［6］在自然坡面的研究表明，植被蓋度＜60%時，產流產沙隨植被蓋度增加逐漸降低，當植被蓋度＞80%時，繼續增加植被對產流產沙抑制效果不再明顯；韓鵬和李秀霞［22］在黃河流域坡面的研究表明，當植被蓋度達到45%時，其對水沙調控作用趨于穩定。本研究表明，黃河下游河岸坡面的坡度和植被蓋度對土壤侵蝕的影響存在坡度界限，此界限并非以往的臨界坡度，而是兩個因素（坡度、植被蓋度）兩種作用（產流、匯流）在土壤侵蝕中主導作用的變化，這有別于大多自然坡面土壤侵蝕特征研究，研究結果對自然坡面產流產沙特征起到了一定實證和補充作用。

4 結 論

黃河下游河岸坡面產流特征在54和90 mm·h-1雨強下變化基本一致，其隨坡度和植被蓋度增加逐漸減少，隨雨強增加受坡度影響逐漸增大。坡面不同植被蓋度對兩雨強下徑流流速均有減緩作用，90 mm·h-1雨強下30%蓋度的減緩作用更為明顯。54 mm·h-1雨強下，坡面產沙量在＜15°坡面受坡度影響較小，在＞15°坡面受坡度影響增加；90 mm·h-1雨強下，產沙量隨坡度呈先增加后降低趨勢，受坡度影響明顯增強。在坡度和植被蓋度對河岸坡面產流產沙過程影響中，坡度對兩雨強下產流量、產沙量、徑流深等均有顯著影響，而植被蓋度的影響較小；但在其對坡面匯流過程影響中，植被蓋度對匯流長度的影響顯著，裸坡的匯流路徑長度明顯大于植被覆蓋坡面。在地形和植被交互作用下，產流產沙量隨匯流路徑長度的增加基本呈增加趨勢，坡面產流所引發的土壤侵蝕效應受坡度影響較為明顯，而在匯流過程所引發的土壤侵蝕效應中，植被的影響明顯大于坡度。