2022年黃土高原典型暴雨侵蝕及洪水災害調查分析

楊 波,焦菊英,,馬曉武,趙文婷,凌 麒,張昕晗,王 飛2,,韓劍橋2,,杜鵬飛,叢佩娟,劉政鴻,陳 昊,戈文艷

〔1.中國科學院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,陜西 楊凌712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌712100;3.中國科學院大學,北京100049;4.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌712100;5.中國水利水電科學研究院 國際泥沙研究培訓中心,北京100038;6.水利部水土保持監(jiān)測中心,北京100053;7.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心),陜西 西安710004〕

根據聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第6次報告顯示,近年來,全球氣候變化的影響和風險愈發(fā)復雜,氣象災害頻發(fā),極端氣候事件發(fā)生的頻率和強度呈增加態(tài)勢。研究[1-2]表明,歐亞旱地是最易受到氣候變化影響的地區(qū),極端氣候事件發(fā)生的可能性更大。資料[3-5]顯示,黃土高原近些年暴雨事件呈多發(fā)的態(tài)勢。因此,開展該區(qū)暴雨侵蝕災害調查,研究暴雨過后的侵蝕和洪水災害顯得十分重要。

2022年7—8月,黃土高原多省區(qū)遭受大暴雨的襲擊。根據官方新聞消息和中國氣象數(shù)據網(http:∥data.cma.cn)數(shù)據顯示,7月10—11日,陜西省榆林市定邊縣暴雨中心累積最大降雨量為114.3 mm,1 h最大雨強為56.3 mm,該次降雨已超全年總降雨量的1/4,暴雨導致大量的農田被沖毀和淹沒。7月15日,陜甘寧3地分別暴發(fā)大暴雨,陜西省延安市安塞區(qū)、甘肅省慶陽市慶城縣、寧夏回族自治區(qū)西吉縣暴雨中心當日累積降雨量分別高達144,370,140.6 mm。8月10—11日,山西省呂梁市中陽縣遭遇歷史罕見特大暴雨,暴雨從10日晚22時下至11日上午11時,累積降雨高達205.8 mm。8月17日15時,青海省大通縣突發(fā)瞬間強降雨,最大1 h雨強為40.6 mm,暴雨引發(fā)山洪,形成泥石流災害,致使河流改道,2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)6個村1 517戶6 245人受災,并造成多人傷亡和失蹤(來源央視新聞客戶端);同日,位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗突發(fā)強降雨,最大累積降雨量為248.8 mm。8月21日晚,呂梁市臨縣暴雨中心最大1 h雨強達69.5 mm,暴雨導致李家坡低村受災嚴重,降雨發(fā)生后的1 h內洪水便漫過河道并高出路面3 m高,使得居民房屋淹沒,人員和財產遭受巨大損失。

由于受疫情影響,本研究團隊分別于2022年7月14日至8月8日和8月19日至9月3日對陜西省榆林市定邊縣、延安市安塞區(qū)和山西省呂梁市中陽縣和臨縣暴雨中心進行了實地踏勘,通過對小流域進行無人機航攝,結合人工對現(xiàn)場發(fā)生的各種侵蝕現(xiàn)象及下游洪水災害的實地調查,以期摸清場次暴雨下小流域土壤侵蝕災害特征,為今后該區(qū)暴雨侵蝕災害的預防和治理以及黃土高原地區(qū)生態(tài)保護高質量發(fā)展提供參考。

調查區(qū)定邊縣、安塞區(qū)、中陽縣和臨縣均處于黃土高原腹地,區(qū)內主要地貌類型為丘陵溝壑區(qū),海拔673.6～1 907 m。氣候類型為溫帶大陸性氣候,年均降雨量在316.9～518.6 mm,冬春干旱,夏秋濕潤多雨,降雨主要集中在夏季,多以暴雨形式發(fā)生,時空分布不均,轄區(qū)內全年平均氣溫3～18℃,土壤類型主要有黃綿土、沙黃土和灰褐土,轄區(qū)溝壑縱橫,粱峁遍布,川道狹長、在暴雨條件下極易侵蝕,4縣暴雨調查流域詳見表1。

表1 調查流域基本信息

1 研究方法

1.1 調查內容

此次調查,對4縣區(qū)的暴雨中心共計9個大小不同的小流域(表1)。通過實地調查和無人機影像提取,主要分析流域內在場次暴雨條件下發(fā)生的坡面溝蝕、重力侵蝕、道路侵蝕、梯田損毀的量、淤地壩的淤積損毀情況以及流域下游村莊、農田等洪水淹沒情況。

1.2 調查方法

本次調查主要通過現(xiàn)場人工實測和無人機航拍相結合的方式。現(xiàn)場調查采用樣帶法,沿小流域從上游往下游調查,對所經過的范圍內所有的侵蝕現(xiàn)象均進行詳細的調查和記錄。主要包括:坡面侵蝕溝需測量其長、寬、深,記錄其坡度、土地利用類型、植被蓋度等數(shù)據,其中細溝測量采用樣方法從坡頂至坡腳用等間距斷面法測量;梯田調查需測量田面的寬度,田埂寬度、高度,田坎的高度、損毀處的長寬深等數(shù)據;測量淤地壩淹沒高度和淤積厚度,對損毀的淤地壩測量損毀處的長寬深等數(shù)據;下游村莊淹沒調查,主要通過測量其淹沒和淤積高度,并通過現(xiàn)場詢問的方法進行淹沒災害調查。流域實測調查點均需通過奧維軟件定位打點,容重通過環(huán)刀取樣。無人機航攝主要采用仿地飛行的方式,型號為DJI大疆精靈4RTK智能航拍無人機,飛行高度控制在200 m以內。對飛行完成的航拍照片進行影像拼接處理,可得到小流域現(xiàn)場高清影像圖和DEM高程等不同格式文件,室內進行數(shù)據分析整理。

1.3 調查區(qū)暴雨資料的收集與分析

各地降雨資料來源于中國氣象數(shù)據網(http:∥data.cma.cn)、地方氣象局和官方發(fā)布的新聞消息。按照王萬忠、焦菊英等人[6-7]對黃土高原暴雨的劃分標準,當60 min和24 h降雨量達到60 mm和200 mm時該次降雨為特大暴雨。定邊1 h最大雨強為56.3 mm,24 h累積降雨總量為114.3 mm,安塞24 h累積降雨量為144 mm,均位于100.1～200 mm范圍,兩地均屬于大暴雨標準;而中陽和臨縣降雨總量均達到特大暴雨60 min或者24 h累積降雨量大于60 mm和200 mm的標準,調查發(fā)現(xiàn)中陽縣暴雨歷時13 h,累積降雨量就已經達到了205.8 mm,遠高于24 h累積降雨量達200 mm的特大暴雨標準。

2 土壤侵蝕與洪水災害特征

2.1 土壤侵蝕特征

2.1.1 細溝侵蝕 細溝侵蝕是坡面主要發(fā)生的侵蝕類型之一[8-9]。通過對4個縣區(qū)暴雨中心的9個小流域調查發(fā)現(xiàn),細溝侵蝕多發(fā)生于坡耕地上,4縣中存在有坡耕地較多的是定邊縣,其他3縣流域內以梯田耕地和林草地為主,因此細溝侵蝕較少。對定邊縣小流域坡耕地調查發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地主要種植作物為玉米、蕎麥和苴麻,坡度主要集中在5°～15°,坡耕地侵蝕溝發(fā)育較多,其中細溝侵蝕多發(fā)生于蕎麥地和休閑地上。坡耕地侵蝕量隨坡度和上方匯水面積的增大而增大,與作物蓋度大小成反比。在次暴雨條件下坡耕地細溝侵蝕模數(shù)平均高達33 227 t/km2,侵蝕溝平均寬、深分別為0.35和0.25 m,其中裸露的休閑地細溝侵蝕模數(shù)高達35 338～46 244 t/(km2·a),種植蕎麥的坡耕地侵蝕模數(shù)為22 588～36 988 t/(km2·a),休閑地平均侵蝕模數(shù)是蕎麥地1.44倍,細溝密度分別為0.6～0.68 m/m2,0.27～0.46 m/m2,休閑地細溝密度高于蕎麥地(表2)。

表2 定邊縣調查坡耕地細溝侵蝕特征

2.1.2 淺溝侵蝕 淺溝主要發(fā)育在呈瓦背狀地形的坡面[10-11],淺溝侵蝕在黃土高原坡耕地侵蝕中占有較大比例。

在該次暴雨條件下,定邊縣退耕后的草地淺溝溝槽無明顯侵蝕現(xiàn)象(圖1),表明草地植被具有良好的抵抗暴雨侵蝕的作用。

圖1 草地淺溝溝槽無侵蝕(左)與坡耕地(蕎麥地)淺溝侵蝕(右)對比(焦菊英拍攝于20220731)

調查發(fā)現(xiàn),坡耕地在次暴雨條件下可一次性形成淺溝侵蝕,由細溝匯流而形成的淺溝侵蝕在該地較為常見(圖2),且淺溝侵蝕特征多為寬淺型,侵蝕寬度多集中分布于0.96～3.11 m,深度集中分布于0.2～0.4 m之間,淺溝侵蝕深度與細溝侵蝕深度相似,這與該地耕層深度有關,該縣位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)和毛烏素沙地交界處,土壤類型多為沙黃土,通過對當?shù)剞r民詢問發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地耕作多采用機械翻土和耕種,耕層深度多為0.3 m,耕層以內的土質較為疏松,耕層以下質地較為堅硬,加之沙黃土沙粒含量較多,黏粒含量少,因此耕作層易被侵蝕。調查小流域內坡耕地淺溝侵蝕強度達到了4 799.11～9 122.95 t/km2。

圖2 陜西省定邊縣小流域內種植蕎麥的坡耕地次暴雨下形成的寬淺型淺溝侵蝕

2.1.3 切溝侵蝕 調查發(fā)現(xiàn),定邊、中陽和臨縣在暴雨條件下溝道和坡面均有切溝形成,其中定邊切溝侵蝕發(fā)育較多,在各土地利用類型下均有新形成的切溝侵蝕;而中陽、臨縣由于以梯田為主,切溝多發(fā)育在溝道部分,表現(xiàn)為溝道下切侵蝕。在暴雨條件下,坡耕地從分水嶺由上至下,侵蝕溝經歷了由細溝—淺溝—切溝的發(fā)育階段(圖3a),切溝的形成表示徑流已經高度集中,徑流剪切力顯著增大,不僅導致休閑的裸地侵蝕嚴重,也使得有較好植被覆蓋的草地被侵蝕,形成了無法被橫跨耕作的永久性侵蝕溝[12-13]。定邊縣小流域在次暴雨條件下坡耕地新形成的切溝侵蝕長度最長可達111.5 m,寬度最高可達6.4 m,最深處達到了5 m,寬深比為1.28,表明侵蝕拓寬作用大于下切作用,單條切溝侵蝕量可達527.63 t,該匯水單元內切溝侵蝕強度為6 595.39 t/km2。山西中陽縣和臨縣在特大暴雨條件下溝道下切嚴重,下切最深可達2.14～5.23 m,長寬分別為20.4～41 m和4.7～18 m,下切侵蝕量為270.84～6 819.12 t(圖3b)。

圖3 次暴雨條件下新形成的切溝侵蝕(楊波拍攝于20220731,20220829)

2.1.4 重力侵蝕 在暴雨條件下,發(fā)現(xiàn)流域易發(fā)生的重力侵蝕主要是崩塌和滑坡這兩類,其中定邊縣小流域土地利用類型主要以耕地和草地為主,流域整體植被蓋度較低,攔蓄降雨的能力較差,且該地的沙黃土水分入滲能力強,易在短時間內達到飽和。調查發(fā)現(xiàn)該區(qū)重力侵蝕多發(fā)生于溝道兩側,主要是由于溝道徑流匯集較多,易造成溝底下切,導致兩側坡體底部失穩(wěn)而發(fā)生整體下滑的現(xiàn)象,通過無人機影像解譯,發(fā)現(xiàn)定邊縣在2～3 km2的小流域內范圍內,發(fā)生重力侵蝕的地方達到了21～29處,最大滑坡體面積達到了3 583 m2。山西中陽縣和臨縣在特大暴雨條件下重力侵蝕易發(fā)生在道路兩側(圖4a),該區(qū)土地利用類型主要為梯田耕地和林地,整體植被蓋度較好,侵蝕主要以重力侵蝕為主,單處重力侵蝕面積集中分布于5.52～64.66 m2。

一般而言,重力侵蝕產物以泥沙的形式被徑流輸移至下游形成淤積,而本次在定邊縣調查發(fā)現(xiàn),重力侵蝕形成的土塊被含沙徑流運移至下游的過程中經過滾動打磨和泥沙包裹形成了大小不等近似球形的土球(圖4b)。經現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn),土球形態(tài)小的直徑有10～20 cm,大的有2～3 m;與常規(guī)重力侵蝕產物相比,土球造成的侵蝕量要更大,也進一步反映出該區(qū)重力侵蝕的嚴重性,且土球在運移過程比一般泥沙輸移對下游的莊稼、壩體等設施造成的破壞力更強。

圖4 暴雨條件下形成的滑坡重力侵蝕及其產生的土球

2.1.5 道路侵蝕 道路侵蝕在歷次大暴雨中都是不可忽視的一種侵蝕現(xiàn)象,道路侵蝕對流域的產沙貢獻率較大[14-15],因此本文將其單獨作為一節(jié)分析。在降雨產流的情況下,道路在流域中就成了天然的匯流路徑,其顯著增加大了流域的水文連通性,大量的坡面徑流匯入道路,導致侵蝕嚴重。同樣,在此次暴雨調查過程中,發(fā)現(xiàn)定邊、安塞、中陽、臨縣4縣暴雨區(qū)內生產道路均產生了嚴重的侵蝕現(xiàn)象,但不同地區(qū)道路侵蝕具有一定的差異性。定邊縣流域內均為土質生產道路,且該區(qū)存在有較多的坡地,導致在發(fā)生暴雨情況下,道路容易匯聚較多的徑流,造成了嚴重的道路侵蝕,流域內生產道路侵蝕寬度由幾十厘米到幾米不等(如圖5a所示)。一條3 m寬的道路被侵蝕所截斷,侵蝕最深處可達4～5 m(圖5b)。盡管安塞降雨大于定邊縣,但因流域內生產道路大多修建了撥水溝、排水溝,大部分徑流被集中排出,導致道路侵蝕較定邊輕。

圖5 定邊縣小流域道路侵蝕

山西省中陽縣小流域,道路均為不透水面的水泥道路,流域內水泥道路修建已達到了100%,水泥道路已通往各個田塊,不透水路面在暴雨條件下整體不易被侵蝕,但在此次特大暴雨情況下,水泥道路在轉彎處出現(xiàn)較多的損毀,該區(qū)道路損毀大都是徑流從道路外側排出時對道路路基的沖刷和掏蝕導致水泥道路出現(xiàn)眾多的懸空(圖6a),且從道路稍遠處并不易被發(fā)現(xiàn),不僅造成了侵蝕,也存在嚴重的安全隱患,威脅過往的行人和車輛安全。實地調查發(fā)現(xiàn),一條1～2 km水泥道路發(fā)現(xiàn)了11處損毀,損毀寬度為0.72～7.8 m之間。

山西臨縣大部分農田生產道路也為不透水面的水泥道路,但比中陽縣相比,水泥道路占比稍小,流域內還分布有土質道路,但該區(qū)小流域內同樣以梯田耕地為主,坡耕地極少,因此坡面匯流至道路的徑流不及定邊縣,使得該區(qū)道路侵蝕強度相對定邊較輕(圖6b),該區(qū)道路侵蝕寬深分別為0.41～8.6 m和0.13～5.3 m之間。

圖6 小流域道路侵蝕

2.2 水土保持措施損毀特征

2.2.1 梯田損毀 近年來黃土高原地區(qū)梯田面積進一步增大,有新修建的坡改梯,也有對部分老梯田進行的改造,梯田作為水土保持工程措施的一種,不僅有效起到了保持水土、降低坡地土壤侵蝕的作用,也為當?shù)剞r民提供了平整可供機械操作的優(yōu)質農田。但在特大暴雨下,梯田仍會存在部分損毀,調查發(fā)現(xiàn)新修梯田和老式梯田在暴雨條件下?lián)p毀差異明顯(圖7a—7b)。

①在定邊縣,小流域梯田田面平整,接近0°。老梯田田坎及田埂基本完好,梯田田坎坡度均值為35.8°,蓋度約為10%;除上方坡地匯水聚集的梯田地塊存在部分田埂受損和田坎崩塌現(xiàn)象以外,基本無明顯侵蝕。田埂損毀的平均長、寬、深分別為0.85,0.4 m和0.5 m,侵蝕體積均值為0.17 m3。但新修梯田由于土質疏松,且基本無作物,田塊裸露,在徑流匯集下容易被侵蝕損毀,易發(fā)生侵蝕的地方主要有連接各級梯田的道路、田面和田坎(圖7c—7d);梯田道路侵蝕長度最高達20～180 m,溝寬0.23～1.9 m,溝深0.15～2 m;田坎崩塌長、寬、深分別為10～30,0.35～2.3 m和0.1～1.9 m,單塊梯田侵蝕量新梯田顯著高于老梯田。②在安塞縣坊塌流域分別于雨季前后(2022年4月和2021年11月)修建了兩次梯田,現(xiàn)有梯田面積約占流域總面積的27.11%,經過調查發(fā)現(xiàn),雨季前所修梯田田面裸露,雨季后所修梯田種植有玉米、土豆、高粱、大豆等作物。在該次暴雨中,雨季前新修梯田田面出現(xiàn)多條侵蝕溝,平均長度為7.20 m,寬度為1.00 m,深度為1.11 m,平均侵蝕量為9.91 m3;而雨季后新修梯田平均侵蝕量為4.68 m3,為雨季前新修梯田的0.47倍。部分梯田在田面匯水處的田坎發(fā)生損毀,平均損毀長度為5.03 m。作為田面匯水出口,梯田與道路的連接處溝蝕嚴重,溝長多為12 m,溝寬介于0.15～1.60 m,平均寬度為0.76 m,溝深介于0.09～1.80 m,平均深度為0.84 m。且雨季前新修梯田田面疏松,低洼處多存有陷穴,平均長1.21 m、寬1.09 m、深3.82 m。③在中陽縣金羅流域,梯田因年久失修,多已變成無埂梯田。流域內梯田利用率高,可大致分為農作物梯田和經濟林梯田兩類。種植玉米、土豆等農作物的梯田多為順坡耕作,坡度約為19°,經此暴雨,田面細溝開始發(fā)育,細溝長度范圍在1.03～7.80 m之間,差異較大,寬度和深度則分別介于0.11～1.40 m和0.09～1.10 m之間,均值分別為0.49 m和0.37 m。以核桃等經濟林為主的梯田平均坡度為8°,多發(fā)生梯田田坎損毀,損毀田坎最長可達7.7 m,厚度則為0.29 m。④臨縣的梯田由于修建時間較為久遠,且缺乏維護,梯田田埂均不復存在。由于缺乏田埂的保護作用,雨水在田面邊緣低洼處匯集,在水分飽和后,造成梯田田坎滑塌,滑塌的平均長度、寬度和厚度分別為5.13,3.69,0.56 m。梯田田面多種植核桃等經濟作物和玉米、土豆等農作物。

圖7 陜西省定邊縣新老梯田侵蝕對比

2.2.2 淤地壩損毀 淤地壩是黃土高原地區(qū)防治水土流失,淤積良田的重要水保工程措施[16-17]。作者團隊對4縣暴雨中心流域,共調查淤地壩27個(表3),定邊、安塞、中陽和臨縣調查淤地壩分別為20,3,3個和1個。在以上27個壩體中,其中同時擁有壩體、溢洪道、放水建筑物三大件的淤地壩為0,25個壩有壩體和溢洪道兩大件,僅兩個淤地壩只有壩體。在定邊調查發(fā)現(xiàn),該地區(qū)淤地壩有6個壩體被損毀,4個出現(xiàn)了漫壩,占該區(qū)調查淤地壩總量的30%和20%。調查發(fā)現(xiàn)該區(qū)淤地壩壩體多為村鎮(zhèn)道路的一部分,上方為水泥交通道路的均修建有較高標準的溢洪道,基本能滿足大暴雨洪水排放標準。該區(qū)淤地壩淹沒和淤積高度分別為1.53～4.30 m和0.24～1.00 m范圍內。損毀處寬度和深度分別為1.5～15.1 m和11～18.2 m。

表3 暴雨調查區(qū)淤地壩淤積損毀情況

安塞縣方塌流域3個淤地壩均未出現(xiàn)損毀和漫壩,且淤積厚度和淹沒高度均較小,分別為0.03～0.04 m和0.24～0.3 m,主要是由于該區(qū)林草等植被蓋度較高,且流域內梯田和排水等水土保持工程措施相對較完善,能有效抵抗暴雨的侵蝕。由于中陽縣調查流域內淤地壩分布較少,外加降雨量和雨強極大,中陽縣調查流域內3個淤地壩均發(fā)生了不同程度的損毀和漫壩(圖8a—8b),損毀寬度和深度達7～12 m和8.5～5.7 m,調查發(fā)現(xiàn)壩地內洪峰高度超過了壩地1～2 m高;此次暴雨不僅導致中陽縣小流域內重力侵蝕嚴重,也使得該流域整體沖刷嚴重(圖8c—8d),調查顯示坡面植被上泥沙淤積厚度可達0.04～0.08 m,由于該區(qū)不透水道路較多,坡面沖刷物在路面形成堆積,厚度約為0.2～0.35 m,致使流域侵蝕現(xiàn)象十分明顯,侵蝕程度十分劇烈。

圖8 山西省中陽縣金羅流域淤地壩調查(楊波拍攝于20220821)

2.3 流域下游洪水淹沒災害

在4個調查區(qū),除安塞方塌流域下游無淹沒災害之外,其余3縣區(qū)暴雨中心流域下游均發(fā)生了十分嚴重的淹沒災害。定邊縣流域下游農田和房屋淤積高度分別為0.09～0.90 m和0.04～0.20 m,受災最嚴重的是王來灘村(圖9),該村房屋淹沒高度0.2～0.34 m。通過詢問當?shù)剞r戶得知,該村2022年種植約有334 hm2畝的農地,在這次洪水淹沒下能收獲的不到800畝,不到總種植面積的20%,農地受災十分嚴重。洪水不僅造成了農地被淹沒,也使得農民的家畜和財產遭受了一定的損失。

圖9 陜西省定邊縣調查流域下游洪水淹沒調查(焦菊英拍攝于20220714)

山西中陽縣和臨縣在此次暴雨情況下淹沒災害相比于定邊更加嚴重,主要受災對象為下游的居民區(qū)。調查發(fā)現(xiàn),該次暴雨使得中陽縣金羅鎮(zhèn)金羅大街洪澇災害嚴重,居民房屋內部淹沒高度達到了1.75～2.1 m不等,根據官方發(fā)布的消息(央視新聞客戶端),此次特大暴雨不僅造成居民財產損失巨大,也造成了離隰高速第一標段5人遇難。臨縣暴雨下游受災最嚴重的在玉坪鄉(xiāng)李家坡底村,該村緊鄰河道,據調查,在暴雨發(fā)生后的1 h內洪水便漫過河道涌入了村莊。李家坡底村主街道淹沒高度為0.9～1.3 m之間,而眾多的農戶房屋位置低于主街道和主河道河堤,使得村莊最低處的農戶房屋淹沒超過了3 m多,受災嚴重。

3 對暴雨侵蝕與洪水災害的認識

3.1 工程建設引發(fā)侵蝕災害問題

定邊縣屬于能源大縣,該區(qū)遍布有眾多的風力發(fā)電場和石油鉆井平臺(如圖10a所示),因修建一座風力發(fā)電場,配套需要修建一條乃至多條工程道路,在此次暴雨條件下,該道路也成為了侵蝕的策源地,另一方面,由于該區(qū)鄉(xiāng)村交通道路未設置排水溝,徑流匯集后隨意排放也易形成強烈的侵蝕,見圖10b所示,一段長下坡的交通道路在暴雨下徑流匯集,在道路轉彎處水流下泄至下游坡面和梯田,盡管坡面有草地所覆蓋,但由于路面匯流集中,沖刷能力較強,草地坡面也可被侵蝕,同時導致下部8階梯田被全部沖毀,侵蝕溝直至溝底,形成了一條長寬深最大分別為150,26 m和3.5 m的巨大侵蝕溝,侵蝕體積約有1.30×104m3。因此該地需注重工程建設與保持水土之間的協(xié)調關系,做到二者共同向好發(fā)展。

圖10 陜西省定邊縣工程建設形成的侵蝕(趙文婷拍攝于20220730)

除未設置排水溝造成侵蝕外,我們也發(fā)現(xiàn)了交通道路因修建有排水溝但不合理排放引發(fā)的侵蝕現(xiàn)象。如圖11所示,該區(qū)村鎮(zhèn)交通道路多修建有長寬分別為1 m×1 m的排水溝,該排水溝尾端均修建在了小流域坡面處(圖11a—11b),由于水泥道路為不透水路面,較容易集中降雨所形成的徑流,特別是大暴雨情況下,排水溝的修建使得徑流速度更快,流量更大,導致流域坡面被沖出了很多的大切溝,切溝長寬深分別為25.8～32.68,16.57～18.31 m和1.5～2.1 m,最大一處侵蝕體積高達897.56 m3;現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn),在一段長度為357 m的路段,就發(fā)現(xiàn)了3處排水溝將水直接排至流域坡面,造成嚴重的人為侵蝕。在山西臨縣道路雖然修建有排水設施,但因缺乏管護和維修,使得排水管道損壞,從而造農作物損毀和農地侵蝕現(xiàn)象(圖11c—11d)。

圖11 道路排水不合理形成的侵蝕

綜上所述,流域內修建交通道路和土質生產道路時應同時修建排水溝,雖需增大一定的費用,但可避免因暴雨損毀而重復修補導致人力物力和財力的多重消耗,排水溝的修建應符合相關規(guī)范,能抵御一定的暴雨洪水,同時對修建的排水溝合理放置排水口所在位置,避免因排水口位置放置不合理而造成人為的二次侵蝕現(xiàn)象。同時對已修建排水設置的道路應定期進行巡護,加大宣傳力度,可對當?shù)剞r戶設置獎勵制度,以增大當?shù)剞r民的積極性,從而可有效降低因人為管護不及時不完善而造成的侵蝕問題。

3.2 坡耕地耕作引發(fā)的侵蝕災害問題

坡耕地侵蝕主要發(fā)生在定邊縣,且存在順坡耕作現(xiàn)象。調查發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地主要以緩坡為主,其緩坡耕地最多可達小流域總面積的20%,侵蝕主要以細溝侵蝕為主,強度較大,加上該地主要種植農作物為玉米和蕎麥兩種,該地區(qū)蕎麥在暴雨調查期間基本為生長初期,植株較小,蕎麥作物本身根系并不發(fā)達,密度小且扎根淺(＜20 cm),抗侵蝕能力很差。而玉米在雨季生長已接近成熟期,地上植被蓋度較高,地下部分扎根較深且穩(wěn)定,調查發(fā)現(xiàn)同樣的地塊,種植玉米的侵蝕要遠小于蕎麥地侵蝕,除部分田邊有少許細溝侵蝕外,田內基本無明顯侵蝕,且鋪設地膜的玉米地抗侵蝕能力要高于未鋪設地膜的田塊(圖12)。因考慮到蕎麥在當?shù)貙儆谔厣r產品且該地會舉辦蕎麥文化旅游節(jié),因此該地可加大坡改梯力度,在梯田上種植蕎麥可達到經濟和生態(tài)效益雙豐收的效果。

圖12 陜西省定邊縣鋪設地膜的玉米地邊侵蝕(楊波拍攝于20220731)

3.3 河道占用引起的下游洪澇災害問題

對山西省中陽縣和臨縣受災最嚴重的下游村鎮(zhèn)調查發(fā)現(xiàn),嚴重的河道占用使得洪澇災害加重。中陽縣金羅大街正上方流域出口河道被居民房屋所占用,原本在出口上方200 m處寬為幾十米的河道突然縮窄至2～3 m寬,嚴重制約了河道的行洪泄洪能力。經調查該河道在平時枯水期被居民當作垃圾堆放場,隨意向河道傾倒垃圾,致使河道堵塞,在暴雨時淤積抬高河床進一步增大洪澇風險。同時發(fā)現(xiàn),在下游河道修建的多處橋梁也顯著降低了河道的泄洪能力。在暴雨發(fā)生時由于上游洪水夾雜有各種樹木枝干以及其他雜物,在經過橋梁時容易被堵塞,尤其是橋梁為多涵洞橋梁時洪水極易堵塞形成雍水對兩岸居民和建筑設施造成嚴重的淹沒損毀現(xiàn)象。建議當?shù)丶哟髮α饔虺隹诤秃拥赖呐挪楣ぷ?對發(fā)現(xiàn)占用河道的現(xiàn)象早發(fā)現(xiàn)早解決。對部分舊橋梁可實施改建,新修建的橋梁其涵洞應少而寬,以利于行洪,降低洪澇災害。

3.4 加快推進小流域蓄排工程建設

在調查中發(fā)現(xiàn),暴雨調查的各流域中,僅延安市安塞區(qū)方塌流域具有相對完善的小流域蓄排設施。該流域水土保持工程措施主要有水窖、道路排水渠、撥水溝、梯田,加之該流域林草措施生長較好,植被蓋度較大,盡管該區(qū)暴雨降雨量高于定邊縣,但侵蝕程度卻低于定邊縣。其他無蓄排工程的流域,由于“重蓄輕排”,多數(shù)流域沒有整體蓄水與排洪規(guī)劃,流域現(xiàn)有的主要工程措施淤地壩大部分庫容已接近或達到淤滿標準,在大暴雨條件下,極易發(fā)生損毀和漫壩,從而造成了從水沙源頭的坡面—溝坡—溝道—河道的產匯流和產輸沙過程的侵蝕洪水災害鏈。另外,也較少考慮流域地貌單元之間的匯水連通關系,導致抵御暴雨洪水災害的能力有限,同時也無法實現(xiàn)雨洪資源的高效利用,甚至在一些地方出現(xiàn)“不下雨就干旱,一下雨就成災”的尷尬局面。因此,加強暴雨區(qū)損毀淤地壩的修復和病險淤地壩的除險加固工作、積極推行采用新技術、新工藝、新材料和新方法的高標準免管護淤地壩。另外,因地制宜、科學規(guī)范,加強小流域整體規(guī)劃,布設從坡面到溝道乃至河道的蓄水和排水工程,既能對侵蝕災害鏈實施斷鏈,又可實現(xiàn)雨洪資源高效利用目標與極端洪澇災害有效防治目標的“蓄排協(xié)調”,從源頭解決用水安全、防洪安全與生態(tài)安全是當前和未來一段時間該區(qū)急需解決的關鍵科學問題。

4 結論

本文通過野外實地踏勘與無人機影像判別相結合的方法,對典型暴雨條件下黃土高原小流域土壤侵蝕和下游洪水淹沒災害特征進行了調查和分析。

經過多年的退耕還林和水土流失治理,流域生態(tài)恢復明顯,小流域內現(xiàn)行的水保措施能較好地抵御一般暴雨侵蝕,但在大暴雨乃至特大暴雨條件下,流域內侵蝕災害依然嚴重,坡耕地極易發(fā)生侵蝕,且主要以細溝侵蝕為主,侵蝕模數(shù)為22 588～46 244 t/(km2·a);草地無明顯溝蝕現(xiàn)象。重力侵蝕在流域總侵蝕中占比較重。道路侵蝕和損毀嚴重,有排水設施的道路侵蝕明顯小于未設置排水設施的道路。梯田損毀主要發(fā)生在田面、田埂和田坎處,新修梯田損毀顯著大于老梯田,當年雨季前修的梯田損毀也顯著大于上年雨季后修的梯田。流域內各淤地壩攔沙作用明顯,但在暴雨情況下仍存在較多的損毀和漫壩現(xiàn)象,且大部分淤地壩淤積已達到庫容上限。小流域蓄排措施缺乏,不合理的工程建設,隨意放牧,水保設施管護不到位,不合理地占用河道均會加劇流域侵蝕和洪水災害。優(yōu)化設計并布局流域內整體的“蓄排協(xié)調”設施是當前黃土高原地區(qū)水土保持工作高質量發(fā)展亟需解決的問題。

致謝:在此次暴雨調查工作中,得到了水利部水土保持監(jiān)測中心、陜西省水土保持局、定邊縣水利局等單位的大力支持,謹此深表感謝。