上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)研究進(jìn)展

王杉杉， 李占斌， 張樂(lè)濤， 馬 波

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，475004，河南開(kāi)封)

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地資源退化的主要原因之一[1]。高均凱[2]依據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位不同，將其分為原位效應(yīng)和移位效應(yīng)。認(rèn)為：原位效應(yīng)是指在土壤侵蝕過(guò)程及侵蝕部位所引起的環(huán)境變化，如土壤退化和可利用土地喪失；移位效應(yīng)指在土壤侵蝕輸移過(guò)程及堆積部位所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，如泥沙淤積、道路破壞、洪水災(zāi)害加劇等[3]。以往研究以小流域泥沙來(lái)源為主[4-5]，研究坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙關(guān)系，多關(guān)注上方水沙在異位的沉積效應(yīng)[6-8]，較少研究上方來(lái)水來(lái)沙在下方的侵蝕效應(yīng)。上方來(lái)水來(lái)沙作為流域不同地貌部位的聯(lián)系媒介，是能量傳遞和泥沙輸移的載體，從根本上改變了輸入至下方的水沙條件，調(diào)節(jié)徑流侵蝕力的分配[9]，改變了侵蝕產(chǎn)沙的發(fā)展過(guò)程，不同的上方來(lái)水來(lái)沙量在下方會(huì)引起不同的“凈侵蝕產(chǎn)沙量”，即不同的上方來(lái)水來(lái)沙具有不同的異位侵蝕能力。如陳浩[10]和肖培青[11]的研究發(fā)現(xiàn)上方來(lái)水來(lái)沙量會(huì)對(duì)下方的侵蝕產(chǎn)沙量產(chǎn)生重要影響。此外，水土保持措施不僅可以較好的保持水土資源[12-14]，還可以改變輸入至下游的徑流量和含沙量，調(diào)節(jié)對(duì)下游的侵蝕過(guò)程[15]，水土保持措施綜合布設(shè)，可起到“1+1>2”的減蝕作用[16]。然而，徑流潛在的異位侵蝕效應(yīng)仍容易被忽視，徑流的異位水沙效應(yīng)定量化計(jì)算還尚未得到充分重視。

1 概念

陳浩[17]和肖培青等[18]分別提出的“凈產(chǎn)沙增量”和“凈侵蝕產(chǎn)沙量”的概念，表征上方來(lái)水來(lái)沙在其下方的增沙效應(yīng)，其為“異位效應(yīng)”的具體表現(xiàn)之一。在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合上方來(lái)水來(lái)沙在下方引起的徑流特征改變，筆者提出“異位侵蝕”的概念——一定空間形成的徑流在形成徑流區(qū)域之外的徑流路徑區(qū)域所引起的徑流特征改變及侵蝕產(chǎn)沙。它是一個(gè)相對(duì)空間的概念，原位和異位范圍的合理選取，則視研究目標(biāo)而定。

2 研究方法

目前研究方法主要有以下4方面：1)雙土槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚18]，由供沙土槽和試驗(yàn)土槽組成，可通過(guò)控制雙槽的分/合觀測(cè)接受/不接受上方來(lái)水來(lái)沙的土槽侵蝕量。通過(guò)改變降雨強(qiáng)度及供沙土槽塑料膜覆蓋情況改變輸入至下游的水沙情況。2)徑流沖刷與人工降雨復(fù)合試驗(yàn)[19]，以放水沖刷模擬上方來(lái)水量，人工降雨模擬本坡位降雨條件，以有/無(wú)放水沖刷來(lái)模擬接受/不接受上方來(lái)水來(lái)沙時(shí)的侵蝕產(chǎn)沙情況，通過(guò)改變放水流量改變輸入至下游的徑流特征。3)基于在相同試驗(yàn)條件(降雨強(qiáng)度、坡度、土壤性質(zhì)等條件)下，相同坡長(zhǎng)的土槽產(chǎn)生相同侵蝕量的基本假設(shè)，孔亞平等[20]進(jìn)行不同坡長(zhǎng)土槽的室內(nèi)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，研究上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)，通過(guò)不同坡長(zhǎng)的組合，研究不同來(lái)水來(lái)沙量對(duì)下方的影響。4)利用水文站觀測(cè)數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)法[21]、成因分析法[10]考慮坡面水下溝時(shí)對(duì)溝道侵蝕產(chǎn)沙的影響，即坡面徑流的異位侵蝕效應(yīng)。

模擬試驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，并能直接計(jì)算上方來(lái)水來(lái)沙在下方引起的異位效應(yīng)；但是模擬試驗(yàn)中上方來(lái)水來(lái)沙的模擬，以及下方下墊面微地形等因素的變化可能與實(shí)際情況有所不同，尤其是徑流沖刷與人工降雨復(fù)合試驗(yàn)，僅考慮上方來(lái)水量，清水與渾水的異位侵蝕特征存在差異。水文站觀測(cè)范圍大，采用水文站數(shù)據(jù)反演坡面的貢獻(xiàn)，可研究較大范圍內(nèi)的異位侵蝕效應(yīng)；但由于野外觀測(cè)難度大，數(shù)據(jù)精確度不高，對(duì)異位侵蝕效應(yīng)估算的準(zhǔn)確性有待提高，因此，如何實(shí)現(xiàn)更大尺度上的研究分析，仍是目前局限之一。

3 裸露坡面上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)

3.1 對(duì)異位徑流特征的影響

上方來(lái)水來(lái)沙改變了下方的徑流量和流速，顯著影響了異位的徑流特征和動(dòng)力學(xué)特性。在同一坡度條件下，上方來(lái)水來(lái)沙匯入到下坡位，以含沙水流為載體，攜帶能量進(jìn)入下方，增加了下坡位的徑流能量，使下坡位水流流速、水力半徑、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)增大，而細(xì)溝水流阻力系數(shù)相對(duì)減少[22]。車(chē)小力等[23]采用野外放水沖刷試驗(yàn)，得出在試驗(yàn)條件下，上方來(lái)水來(lái)沙的匯入使淺溝雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、水流功率和剪切力分別增大33%～76%、21%～47%、29%～72%和18%～42%，阻力系數(shù)減少11%～13%。肖培青等[24]建立坡溝系統(tǒng)概化模型，發(fā)現(xiàn)上方匯水在坡溝系統(tǒng)也存在水流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)明顯增大，水流流態(tài)由緩流演變?yōu)榧绷鳎旅嫠髯枇ο禂?shù)明顯減小的現(xiàn)象。

目前的研究多側(cè)重于上方來(lái)水來(lái)沙對(duì)徑流水動(dòng)力學(xué)特征的影響，對(duì)異位徑流特征影響因素及量化表達(dá)等方面的研究關(guān)注不足，異位徑流特征對(duì)上方來(lái)水來(lái)沙的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 對(duì)異位侵蝕產(chǎn)沙的影響

上方來(lái)水來(lái)沙通過(guò)改變輸入至下方的徑流特征，對(duì)異位侵蝕產(chǎn)生深刻的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)資料整理分析，當(dāng)接受上方來(lái)水來(lái)沙時(shí)，董莊溝沖刷模數(shù)增加1.26～1.4倍[25]；羊道溝溝谷地徑流、泥沙分別增加1.4和3.5倍[15]；黃土丘陵區(qū)溝間地徑流下溝使溝谷地侵蝕量增加1倍以上[21]。研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)在流域尺度溝間地水沙下溝會(huì)大大增加溝谷地的侵蝕量，增加的比例略有不同，這與其降雨、地形、土壤等條件有關(guān)。

肖培青等[26]采用雙土槽的人工模擬降雨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于疏松土和緊實(shí)土處理，上方匯流引起坡下方的凈侵蝕產(chǎn)沙量分別占試驗(yàn)土槽全部產(chǎn)沙量的31.1%～97.3%和45.1%～89.7%。王文龍等[27]采用多坡段人工模擬降雨試驗(yàn)，得出上坡來(lái)水使梁峁坡和谷坡產(chǎn)沙量增大20.2%～63.5%和42.9%～60.5%。鄭粉莉等[28]指出上方來(lái)水來(lái)沙可使細(xì)溝侵蝕帶和淺溝侵蝕帶的侵蝕產(chǎn)沙分別增加30.5%～37.7%和16.7%～80.6%。武敏等[29]采用雙土槽徑流小區(qū)的人工模擬降雨試驗(yàn)，得出坡面淺溝侵蝕過(guò)程以侵蝕-搬運(yùn)過(guò)程為主，當(dāng)降雨強(qiáng)度為64 mm/h和116 mm/h時(shí)，坡面匯水使坡下方淺溝侵蝕產(chǎn)沙量分別增大26.2%～82.5%和23.5%～58.7%，坡面匯水引起坡下方的凈侵蝕產(chǎn)沙量隨坡面匯水含沙量的減少和降雨強(qiáng)度的增加而增大等[30]。模擬試驗(yàn)中上方來(lái)水來(lái)沙在下方引起的增沙效應(yīng)低于野外觀測(cè)，上部徑流的匯入，使得徑流沖刷能力增大，流域侵蝕方式發(fā)生演變，加劇了上方來(lái)水來(lái)沙的增沙效應(yīng)。

肖培青等[31]認(rèn)為上方匯水增加侵蝕產(chǎn)沙量是通過(guò)增加坡下方徑流量及其挾沙能力而實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果表現(xiàn)為增加水流含沙量。ZHENG等[32]研究發(fā)現(xiàn)上方水沙的匯入會(huì)加劇溯源侵蝕，增加泥沙輸送能力。由于研究手段不一，關(guān)注的主要影響因素不同，不同研究所得到的水沙關(guān)系并不一致。孔亞平認(rèn)為產(chǎn)沙量隨上方來(lái)水量的增加呈線性增加[20]；譚貞學(xué)等發(fā)現(xiàn)坡面上坡位匯流、下坡位產(chǎn)流和坡面上坡位輸沙對(duì)坡面下坡位侵蝕模數(shù)的影響可用二元線性方程很好地描述[33]；蔡強(qiáng)國(guó)等[34]根據(jù)野外試驗(yàn)小區(qū)和小流域的實(shí)際觀測(cè)資料分析，得出在黃土丘陵溝壑區(qū)溝坡侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)與上方來(lái)水量和來(lái)沙量呈冪函數(shù)關(guān)系。

土壤侵蝕是一個(gè)做功耗能的過(guò)程，在侵蝕輸沙過(guò)程中，用于侵蝕和輸送泥沙的能量將會(huì)出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的情況，分離過(guò)程受輸沙過(guò)程影響[35]；因此，上方來(lái)水來(lái)沙所能引起的異位侵蝕并不會(huì)單一地呈增加趨勢(shì)，當(dāng)徑流含沙量達(dá)到徑流挾沙力，含沙水流將不再對(duì)土壤進(jìn)行剝蝕，甚至出現(xiàn)沉積現(xiàn)象[31]。ZHENG等[32]認(rèn)為不同土壤條件(干、濕、結(jié)皮)下，上方來(lái)水來(lái)沙的凈侵蝕產(chǎn)沙能力和輸沙能力會(huì)有所不同。HUANG等[36]研究發(fā)現(xiàn)在5%坡度和小降雨強(qiáng)度下，上方來(lái)水來(lái)沙在試驗(yàn)土槽發(fā)生了沉積現(xiàn)象，隨坡度和降雨強(qiáng)度的增大，上方來(lái)水來(lái)沙在試驗(yàn)土槽逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g過(guò)程為主。

4 水土保持措施的異位減蝕作用

坡面水土保持措施，可使徑流就地入滲，防止梁坡徑流下溝[37]，從而減少輸入至下方的徑流侵蝕能量。陳浩等[38]發(fā)現(xiàn)楊家溝坡面植被率平均達(dá)70%以上可以使流域和溝道侵蝕產(chǎn)沙分別減少92%和75%以上，即坡面水土保持措施可在溝坡起到異位減蝕的作用，但也有學(xué)者提出不同的觀點(diǎn)，丁文峰等[39]采用坡溝系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)坡面植被蓋度為90%時(shí)溝坡侵蝕量大于坡面無(wú)植被覆蓋時(shí)的溝坡侵蝕量。鄭明國(guó)等[40]發(fā)現(xiàn)，坡面布設(shè)植被措施并沒(méi)有改變流域水沙關(guān)系，在坡面減少的含沙量會(huì)在溝道部分獲得補(bǔ)充，即上方布設(shè)的水土保持措施，可能會(huì)加劇溝道的侵蝕。

淤地壩可減少地表徑流[41]，削峰滯洪，減緩放水流速[42]，即會(huì)改變輸入至下游徑流特征，從而改變對(duì)下游的異位侵蝕能力。冉大川等[43]認(rèn)為淤地壩減沙量包括淤地壩的攔泥量、減輕溝蝕量以及由于壩地滯洪及流速減小對(duì)壩下游溝道侵蝕量的影響減少量，而其削峰滯洪對(duì)下游溝道的影響減少量還無(wú)法計(jì)算，即淤地壩具有異位減蝕作用，但目前其量化研究仍稍顯薄弱，仍有待進(jìn)一步的研究。

水土保持措施除在布設(shè)區(qū)域具有減水減沙作用外[44-46]，還可改變輸入至下方的徑流特征和含沙量，對(duì)下方有潛在的影響，而在目前水土保持措施的異位減蝕作用及其異位侵蝕阻控機(jī)制并未受到足夠的重視，研究較為零散，異位減沙效應(yīng)機(jī)理未形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，缺乏水土保持措施異位減沙效應(yīng)的有效計(jì)算方法，影響了水土保持措施的減沙效益評(píng)估。

5 存在問(wèn)題及展望

坡面下坡位侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度、坡度的變化較上坡位更為復(fù)雜[33]，如何界定上方下方更為合理，仍未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。且來(lái)水來(lái)沙、侵蝕方式演變與侵蝕過(guò)程互相影響[47-48]，上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)還與降雨強(qiáng)度、下墊面、來(lái)水含沙量、徑流挾沙力等動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)[26,49]，而挾沙力研究多在河道上進(jìn)行，適用于坡面的挾沙力公式仍在探索階段，加大了上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)的研究難度。

水土保持措施的異位減蝕作用仍缺少定量化研究，如何正確認(rèn)識(shí)，以及量化水土保持措施的異位減蝕作用，還需要更加深入的研究。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，學(xué)者們對(duì)上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)，以及水土保持措施的異位減蝕作用進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性研究。但由于上方來(lái)水來(lái)沙的異位侵蝕效應(yīng)復(fù)雜程度高，許多問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。今后的研究工作可從以下幾方面開(kāi)展：1)明確異位侵蝕效應(yīng)概念，篩選影響異位侵蝕的參數(shù)，構(gòu)建異位侵蝕估算模型；2)開(kāi)展模擬試驗(yàn)，探索異位侵蝕影響因素及其機(jī)理；3)研究上方來(lái)水來(lái)沙異位侵蝕過(guò)程中水沙和能量傳遞特征；4)從水土保持措施分散削減徑流侵蝕能量角度出發(fā)，量化水土保持措施，尤其是工程措施的異位減蝕作用。