三工河小流域泥石流生態—巖土工程調控措施減緩土壤侵蝕的定量研究

吳銘洋,陳寧生,楊 溢,侯儒寧,李 志

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院,昆明 650093;2.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所,成都 610041;3.高原科學與可持續發展研究院,西寧 810016;4.中國科學院大學,北京 100049;5.西藏大學 工學院,拉薩 850013)

土壤侵蝕是一種導致土壤退化的自然現象,它不僅受降水、地形、土地利用和植被變化的影響,還會由于自然災害和人類活動而加劇(Pimentel et al.,1995;張興昌等,2000;劉寶元等,2018;El Assad et al.,2021; 劉顥等,2023)。河流是土壤侵蝕產生的泥沙搬運和輸送的主要載體(關雪,2022),河流中裹挾的泥沙會在河道內反復經歷淤積、沖刷的過程(李華華等,2023),當河流匯入湖泊時,若沉積作用大于構造沉降作用,這些泥沙則沉降在湖盆內控制著湖泊的演化和消亡(魏學利等,2018)。世界上有許多湖泊遭受上游河流流域土壤侵蝕的危害,例如：18世紀,瑞士的圖恩湖受到坎德爾河改道工程的影響,輸入湖泊的泥沙量增加了一倍,導致水下滑坡頻繁發生(Wirth et al.,2011);邛海上游流域由于土地資源的過度開發和森林覆蓋率降低,致使邛海泥沙淤積現象嚴重,導致其預期壽命從1 200年縮短到540年(Chen et al.,2015);九寨溝自20世紀80年代以來受到泥石流等自然災害的侵襲,土壤侵蝕現象加劇,損害了景區內湖泊的美學價值(崔鵬,1991;Zheng et al.,2022)。

很多研究已經表明,以生態功能提升為主的植被調控和工程措施是目前土壤侵蝕防治最有效的方式(史志華等,2018;史志華等,2020),土壤侵蝕量與植被覆蓋度呈顯著負指數關系(肖繼兵等,2017; 劉靖宇等,2023),在黃土高原地區,通過修建淤地壩和梯田有效治理了流域內的土壤侵蝕(高海東等,2012)。定量評估流域土壤侵蝕的方法主要有實地測算和土壤侵蝕模型兩種(陳思旭等,2014)。其中土壤侵蝕模型方面,通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)及其修正后的RUSLE(revised universal soil loss equation)在全球獲得了廣泛的應用(Prasannakumar et al.,2012;Ganasri et al.,2016;張超等,2017),在中國,劉寶元等(Liu et al.,2002)提出的依據USLE模型修正的中國土壤流失預報方程(CLSE)應用較多。但由于這類模型使用的是基于經驗的建模方法,具有明顯的局限性(Alewell et al.,2019;Dinka et al.,2020),需要實測數據進行對照印證。基于實地測量的土壤侵蝕可以為制定治理土壤侵蝕的方針和政策提供合理的、具有實際價值的結果,從而實現更可持續的土地管理(Evans et al.,2010;Evans et al.,2013),但目前通過實地測量得到的泥石流治理措施的水土流失治理定量研究仍較少。

天山天池是中國著名的冰磧堰塞湖之一,它不僅是研究干旱地區高山湖泊形成與演化的重要場所,同時也是聯合國教科文組織確立的博格達人與生物圈自然保護區的重要組成部分,具有重要的生態和旅游價值。該區域土壤侵蝕方面的研究主要集中于自然災害和人類擾動造成的影響(萬金泰等,2008;劉黎等,2010;全婷婷等,2017)。20世紀70年代起,頻繁暴發的泥石流造成的堆積物將天池南岸向湖心推進了216 m(Wei et al.,2012)。2005年起,天池景區內針對這一地質災害與生態災害綜合防治難題采取了一系列生態—巖土工程調控措施,強調了水土流失防治與民生改善、資源開發與生態保護的協調,取得了顯著的成效,也為基于生態調控的泥石流治理措施改善流域水土流失的定量化研究提供了一個合適的場所。

本文通過實地測算的天池上游三工河流域侵蝕產沙量,反演該流域1971～2003年、2008～2020年2期土壤侵蝕模數,通過時間序列上的前后對比討論了受工程、生態相結合的泥石流治理措施所控制的侵蝕模數變化。本文的研究成果不僅為天池的自然生態保護和旅游價值提升提供科學參考,還為泥石流生態—巖土調控措施改善小流域土壤侵蝕效益的定量評估提供了見解和案例支撐。

1 研究區背景與數據來源

1.1 研究區概況

天池(43°45′—43°59′ N,88°00′—88°20′ E)地處新疆維吾爾族自治區昌吉回族自治州阜康市境內,是天山山脈最大的冰磧堰塞湖。天池地處博格達峰北坡三工河流域內,南北最長處約3.5 km,東西最寬處約1.5 km,湖面海拔1 910 m,最深處達105 m,水面面積4.9 km2,蓄水量約為1.6×108m3。有多條支溝匯入天池,其中以南岸的三工河上游流域面積最大,約為104.7 km2,溝道平均縱比降140.3‰,主溝長22.8 km,流域最高點的海拔高度為4 410 m,流域相對高差達到2 500 m。該流域內孜沿氈和馬路溝匯水后稱三工河,三工河自南向北分別與哈拉木薩克、大冬溝、小冬溝匯水后注入天池(圖1)。

流域上游冰川地貌發育,由于冰川強烈的侵蝕切割作用,溝壑縱橫、群峰林立。孜沿氈和馬路溝溝谷形態呈“U”字形,溝床縱比降在137.9‰～237.2‰之間;兩溝匯口處至大冬溝口段地勢有所緩和,縱比降為134.1‰;大冬溝溝口至天池南岸地勢逐漸平坦,縱比降為40.1‰。逐級遞減的溝道縱比降促進了溝谷中泥石流的運動和泥沙輸移,是導致天池南岸泥沙淤積的潛在因素。

研究區地處中緯度的亞洲中心地帶,遠離海洋,屬溫帶大陸性干旱氣候區內的山地氣候區。冬季漫長寒冷,夏季溫和短促,降水充沛,氣溫日變化大。年平均氣溫2.55 ℃;年平均降水量443.9 mm,多集中在4～9月份。三工河年平均徑流量為1.666 m3/s,7月份平均徑流量最大,為3.803 m3/s,2月份平均徑流量最小,為0.711 m3/s,年平均蒸發量1 439 mm。根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)(中華人民共和國水利部,2008),研究區屬于凍融侵蝕類型區中的北方凍融土侵蝕區。

研究區內發育有多條近東西向的斷層,位于二疊系及石炭系地層中,巖性以輝長巖、輝綠巖、安山巖為主,并含有少量的玄武巖及硅質巖。第四系沉積物廣泛分布于溝谷底部及兩岸谷坡,主要的類型有冰磧物、冰水堆積物、坡崩積物和沖洪積物等。這些碎屑物質是由于構造作用和研究區內特定的氣候環境造成的強烈凍融風化作用(何杰等,2010),導致上游各支溝的火成巖節理和裂隙發育,又經物理風化作用形成的,為泥石流爆發和天池南岸淤積災害提供了大量的物源(表1)。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

表1 天池上游三工河流域各支溝特征參數Table 1 Characteristic parameters of each gully in Sangong River Basin in the upper reaches of Tianchi Lake

1.2 數據來源

本研究數據包括：研究區1987～2021年6～9月份植被主要生長期內的Landsat系列遙感影像圖,來自2021年發布的Landsat Collection2 Level 2數據集,該數據集進行了更精確的正射校正,其中包含使用生態系統干擾自適應處理系統(Landsat ecosystem disturbance adaptive processing system,LEDAPS)算法生產的Landsat 4、Landsat 5、Landsat 7地表反射率產品(surface reflectance,SR),和使用陸地表面反射率代碼(land surface reflectance code,LaSRC)生產的Landsat 8地表反射率產品,用于GEE(Google Earth Engine)平臺調用計算;1971年天池南岸1：100 000地形圖;2003年8月測定的天池南岸1：1 000地形圖;泥石流生態-巖土工程調控措施相關數據來自中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所2003年12月編制的《新疆天山南部淤積天池的山洪泥石流調查研究與防治方案》和2008年3月編制的《新疆天山天池旅游景區地質災害防治工程可行性研究報告》;2008～2020年天池南岸沉沙池淤積量數據為2020年9月、2022年7月作者實地測量所得。

2 植被覆蓋度(FVC)對泥石流生態—巖土工程調控措施的響應

2005年起,為保護天池上游流域生態環境,治理天池泥沙淤積災害,有關部門采取了一系列生態治理措施(表2),如封山育林育草、人工還林還草、古榆樹保護、生態圍欄以及開發人工飼草料基地等生態建設,使天池上游流域60 km2的谷地森林得到了保護,生態移民人數達15 000余人,解決了過度放牧對天池南岸草場的破壞。

表2 水土保持綜合治理工程方案表Table 2 Comprehensive water and soil conservation control project plan

本文使用Google Earth Engine對三工河流域1987～2021年中33期的植被覆蓋度(FVC)進行了計算與對比。其中算法部分參考李紅梅等(2022)的研究。植被覆蓋度分級參考水利部發布的《區域水土流失動態監測技術規定(試行)》(水利部水土保持監測中心,2018)中的植被覆蓋度分類分級標準,將植被覆蓋度分為5個等級：小于30%為低覆蓋,[30%,45%)為中低覆蓋,[45%,60%)為中覆蓋,[60%,75%)為中高覆蓋,大于等于75%為高覆蓋。

天池上游三工河流域在2005年采取泥石流生態—巖土工程調控措施前,山洪泥石流的暴發(表3)導致河道內的植被覆蓋度明顯下降(圖2),溝道及河谷森林的植被覆蓋度自1990年的68.84%下降至2005年的54.98%。與此同時,流域的平均植被覆蓋度也呈波動減少趨勢(圖3),在統計時間段內,流域平均植被覆蓋度(圖4)從1992年的50.94%下降至2005年的39.80%。其中,中高及以上植被覆蓋面積下降了13.40%,中低及以下植被覆蓋面積增加了7.73%。

表3 1971～2003年規模較大洪水泥石流統計表Table 3 Statistics of the large-scale flood and debris flow from 1971 to 2003

圖2 天池上游三工河流域河谷溝道植被覆蓋變化圖Fig.2 Change of forest vegetation cover in the valley of the upper reaches of Tianchi Lake

圖3 天池上游三工河流域1987～2021年植被覆蓋度統計圖Fig.3 Statistics of vegetation coverage in the upper reaches of Tianchi Lake from 1987 to 2021

經治理后,天池上游三工河流域生態環境整體呈向好趨勢(圖3)。與2005年相比,2020年溝道及河谷森林的植被覆蓋度回升至66.02%(圖2)。2021年平均植被覆蓋面積提升至51.14%,較治理前增加了11.34%,高植被覆蓋度面積占比從17.12%增加到34.05%,中高以上植被覆蓋度面積增加13.19%,中低以下植被覆蓋面積減少7.57%。尤其是小冬溝和主溝(三工河)攔沙壩附近區域植被治理效果明顯(圖4),河谷森林植被覆蓋度已逐漸恢復到生態環境惡化前的水平。

3 流域侵蝕模數實測對比

河流出山口的泥沙沉積物記錄了上游流域的侵蝕產沙特征,使用侵蝕產沙量反演上游流域現代尺度的侵蝕模數是一種被廣為使用的方法(Romero-Díaz et al.,2007;Koi et al.,2008;Chen et al.,2018;史學建等,2019)。本文中的流域年平均侵蝕模數R(mm/a)采用下式計算：

R=S/A·a

(1)

其中,S表示流域總輸沙量(m3);A表示上游集水面積(km2);a表示數據年限跨度。

3.1 1971～2003年土壤侵蝕模數計算

自20世紀70年代起,天池南岸向湖心推進了216 m,造成該現象的堆積物主要有2個方面的來源。一是源于山洪泥石流的侵蝕作用以及流域的自然侵蝕,1970年以來,天池上游流域發生過多次不同程度的山洪泥石流(閆亮等,2011),據調查走訪,以1996年7月暴發的百年一遇的泥石流規模最大,其最大流量290 m3/s,沖出固體物質達48.3×104m3。二是天池南岸泥石流堆積區受泥石流沖刷遭受的侵蝕,該堆積區由長年以來上游暴發的洪水泥石流沖出的固體物質堆積而成(圖5),堆積區長2 528 m,面積0.749 km2。

堆積區侵蝕總量通過地形疊加法得到的平均侵蝕厚度和面積進行計算。將1971年測定的天池南岸1：100 000地形圖與2003年8月所測得的該地區1：1 000地形圖疊加,選取6個海拔基準點,進一步計算1971～2003年各基準點的海拔高度變化,結合堆積區河道縱比降,將堆積區按地形變化劃分為4個部分(B1,B2,B3,B4)(圖5),通過測量堆積區4個部分的平均侵蝕厚度及侵蝕面積,分別計算每部分的土壤侵蝕量(表5)。結果表明32年間堆積區的土壤侵蝕總量為97.4×104m3。

圖4 天池上游三工河流域1990～2020年植被覆蓋度對比圖Fig.4 Comparison of vegetation coverage in the upper reaches of Tianchi Lake from 1990 to 2020

圖5 1971～2003年天池南岸堆積區侵蝕與湖內淤積地形剖面示意圖Fig.5 Topographic profile of erosion and siltation on the south bank of Tianchi Lake from 1971 to 2003

上游流域侵蝕總量通過計算淤積總量和堆積區侵蝕總量之差獲得。通過遙感影像對比,2003年天池南湖岸線較1971年向湖心推進了216 m。以這2個時間點的湖岸線為分界線,將原1971年湖岸線以北的泥沙淤積區域分為2個部分(A1,A2)(圖5),通過選擇代表性的3個點測量2003年的池岸地形,其深度及各點相應池底高程如表4所示,得出湖底的地形線(圖5)。假設1971年天池南岸池底地形與2003年的地形相似,結合2003年池岸地形縱比降,推算2個部分的泥沙平均淤積厚度和面積,進而分別計算每部分的泥沙淤積量(表4)。結果表明1971年和2003年的天池南池岸線之間的泥沙淤積總量為184.2×104m3,2003年池岸線以北的湖底泥沙淤積總量為50×104m3,即淤積總量為234.2×104m3,則上游流域侵蝕總量為136.8×104m3。根據Liu等(2011)在同地區烏魯木齊河的相關研究,該地區河流的泥沙輸移主要以推移質為主,懸移質占比很少,所以將該值視為32年內天池上游流域的輸沙總量,取流域面積為127.4 km2,由式(1)計算得1971～2003年天池上游流域平均侵蝕模數為0.34 mm/a,較北天山山地流域平均侵蝕速率(Guan et al.,2022)高出131%。

表4 2003年天池南岸池底地形測量數據表Table 4 Topographic survey data of the south bank of Tianchi Lake in 2003

表5 1971～2003年天池南岸泥沙侵蝕與淤積體積計算表Table 5 Calculation of sediment erosion and siltation volume on the south bank of Tianchi Lake from 1971 to 2003

3.2 2008～2020年土壤侵蝕模數計算

2008年,為治理天池泥沙淤積災害,天池管委會于大冬溝與三工河匯口下游約800 m處修建了一座帶有沉沙池的攔沙壩(圖6-A),可以在泥石流暴發時攔蓄顆粒較大的固體物質。壩址海拔1 954 m,壩高10 m,壩頂寬2 m,壩軸線長220 m,排水孔截面大小為0.5 m×0.5 m。沉沙池為六級“梯田式”沉沙池,總長462 m,每級落差1～4.4 m,最大淤積量約為104×103m3。同時,通過導流固岸工程使堆積區不再受到山洪沖刷侵蝕。由于三工河小流域是天池南岸最大的集水區,攜帶該流域內侵蝕產生的固體物質的地表徑流幾乎都要流經攔沙壩和沉沙池后注入天池,因此將沉沙池中淤積的泥沙體積視作研究時間段內的侵蝕總量。

圖6 天池南岸攔砂壩與沉沙池俯視圖Fig.6 Top view of the check dam and sedimentation basin on the south bank of Tianchi Lake

通過2020年9月、2022年7月實地測量(圖6-C),攔沙壩前并無明顯淤積(圖6-B),六級沉沙池中的5級有泥沙淤積,將其按照高度從Ⅰ～Ⅴ進行編號(圖6),得到2008～2020年沉沙池中淤積的泥沙總量約為61 017.9 m3(表6)。結合沉沙池設計資料與小冬溝口堆積物顆粒級配,沉沙池蓄滿水后可沉降粒徑在0.05 mm以上的泥沙,其質量約占泥沙總量的92.6%,其余7.4%粒徑較小的懸移質會隨水流進入下游,從而估算得該時間段內天池上游三工河流域的輸沙總量約為65 894.1 m3。取流域面積為壩控面積107 km2,由式(1)計算得2008～2020年天池上游流域平均侵蝕模數為0.051 mm/a,是北天山山地流域平均侵蝕速率的0.34倍。該值與前人在天池流域通過野外實驗獲得的2007年、2008年平均侵蝕模數0.069 mm/a相近(王大慶等,2009),從年際變化來看具有較好的銜接性。

表6 沉沙池淤積量Table 6 Amount of sedimentation in the basin

4 討論

天池上游三工河小流域1971～2003年平均土壤侵蝕模數較高的根本原因是20世紀谷地森林的濫砍濫伐、過度放牧導致的草場退化以及山洪泥石流(陳寧生等,2015)。研究區在1972～1977年間有過森林的濫砍濫伐,雖然在1978年采取了封山育林的政策后停止,但導致流域下墊面對徑流洪水的調節能力減弱,之后的十余年間,由于洪水泥石流等地質災害的作用,天池上游三工河流域100～200 m寬的谷地森林死亡了60%。在天池流域,植被覆蓋情況對產沙量造成的差距達到了10倍以上(周宏飛等,2009;王大慶等,2009),植被覆蓋度的下降顯著地影響著流域的土壤侵蝕模數(孫雪嬌等,2021)。同時,牲畜數量的增加也導致了侵蝕和產沙量的增加(Foster et al.,1994),在2003年8月進行的統計調查中發現,當時天池景區的牲畜量已經嚴重超過該區域天然牧場的承載能力,其中夏牧場超載率為47.4%,冬牧場超載率達230%,過度放牧問題導致草場退化嚴重。除此之外,由于全球氣候的變暖,導致上游博格達峰地區冰川的退縮(周遠剛等,2019),因此而出露的冰磧物增加了流域內的松散物源,極端天氣帶來的徑流量增加則補充了流域的水源,使該流域更易發生規模較大的洪水泥石流災害。

研究區2008～2020年侵蝕模數約為1971～2003年的15%,在干旱—半干旱地區降水總體呈增多趨勢(Xu et al.,2021),地形、巖性等不會在短時間內有較大改變的背景下,該侵蝕模數的降低主要歸因于自2005年起在景區內開展的一系列地質災害巖土工程、生態建設與生態移民措施帶來的生態環境恢復。其中,攔砂壩、沉沙池和導流固岸等泥石流治理工程措施的作用是攔蓄泥沙、保護河道,為河谷森林提供穩定的生長環境,是河谷森林恢復、生態環境改善的基礎之一。通過人工種植防護林、經濟林不僅提高了植被覆蓋度,還為后續的植被恢復提供基礎(Wang et al.,2021),壩址附近區域的植被恢復成效更能說明生態修復結合工程治理措施的作用。山地森林面積的擴大可以增強流域涵養水源的能力(高新和等,2000),隨著植被恢復,臨界侵蝕剪應力增大,侵蝕能顯著降低,侵蝕面積隨植被恢復的程度呈指數遞減(Shen et al.,2017)?？偟膩碚f,在泥石流生態—巖土綜合治理措施的作用下,研究區域的水土流失現象得到有效治理,伴隨的泥石流災害及天池淤埋現象也到了緩解。

5 結論

泥石流綜合治理措施可以有效緩解小流域的水土流失現象已經得到廣泛承認,但目前通過實地測量的方式對泥石流治理措施的水土流失治理效益定量分析和案例支持仍較少。本文以天池景區為例,基于天池上游三工河小流域的侵蝕產沙量反演該流域1971～2003年、2008～2020年2期土壤侵蝕模數,結合研究區域的植被覆蓋變化探討泥石流生態—巖土調控措施對流域土壤侵蝕的影響。得到以下結論：

a.天池上游三工河流域生態環境由于山洪泥石流的爆發自20世紀80年代起逐年惡化,年平均植被覆蓋度從50.94%下降至2005年的39.80%,經生態—巖土工程治理后,至2021年流域平均植被覆蓋度增加11.34%,高植被覆蓋度面積增加16.93%,泥石流溝道的植被覆蓋度明顯提升,區域生態整體向好發展。

b.三工河流域由于河谷森林的濫砍濫伐、草場過度放牧等人為因素激發山洪泥石流爆發導致流域生態環境惡化,該流域1971～2003年平均侵蝕模數為0.34 mm/a,較同地區山地流域平均侵蝕速率高出131%。

c.通過泥石流生態—巖土工程調控措施結合生態移民的方式對泥石流進行綜合治理后(2008～2020年),三工河流域平均侵蝕模數降低至治理前的15%(0.051 mm/a),為同地區山地流域平均侵蝕模數的34%。