基于淤地坝沉积信息的流域土壤侵蚀模数估算

史学建 王玲玲 杨吉山 李莉

摘要：准确客观评估土壤侵蚀模数是评价流域水土保持措施效益的基础。以小理河流域为调查区域，利用流域内的21座闷葫芦坝和194座排水不畅淤地坝的泥沙沉积信息，测算了闷葫芦坝和排水不畅淤地坝的淤积量，计算了每个淤地坝坝控流域的土壤侵蚀模数，分析了影响土壤侵蚀模数的因素，建立了土壤侵蚀模数与暴雨量之间的关系。结果表明：闷葫芦坝和排水不畅淤地坝拦沙模数（土壤侵蚀模数）的空间分布和暴雨空间分布具有显著的同步性，土壤侵蚀模数与暴雨量之间呈显著的线性关系。利用土壤侵蚀模数与暴雨量之间的关系式，推算2017年“7·26”暴雨下小理河流域平均侵蚀模数为16 503 t/km。

关键词：土壤侵蚀模数;沉积信息;降雨一侵蚀关系;淤地坝;小理河流域

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.021

土壤侵蚀模数是指单位时间、单位面积土地上的土壤侵蚀量，是表征土壤侵蚀强度的指标，用于反映某一区域侵蚀强度的大小。科学估算流域土壤侵蚀模数，是准确评估流域水土保持措施效益的重要基础。国内外学者采用实地观测[1-2]、模型预测[3-6]和元素示踪[7-9]等方法开展土壤侵蚀模数的研究和推算。但对于实地观测，整个黄土高原地区仅有极少数小流域开展过土壤侵蚀监测工作，且所获资料极为有限，目前通过实测数据推算的土壤侵蚀模数多是基于流域出口水文站的泥沙监测资料，不能反映泥沙的传输过程，而且对于绝大多数流域，水文泥沙的观测资料有限。对于模型预测法和示踪法，大多估算的是多年平均时间尺度下的土壤侵蚀模数，对于次暴雨条件下流域土壤侵蚀模数的估算研究仍然较为缺乏。黄土高原建设有5.81万余座淤地坝，淤地坝在拦蓄大量泥沙的同时，记载了每座坝控制流域的侵蚀产沙特征。鉴于此，笔者利用次暴雨条件下小理河流域淤地坝的沉积泥沙信息，估算了次暴雨条件下淤地坝坝控流域的土壤侵蚀模数，并利用降雨一侵蚀产沙关系，推算无淤地坝控制区域的土壤侵蚀模数，以期为流域土壤侵蚀动态监测提供科学依据。

1 研究区概况

2017年7月25日20时-26日8时，陕北榆林地区发生了一场特大暴雨，暴雨中心位于子洲、绥德和米脂3县境内，暴雨中心降雨量为252.3 mm。选择位于暴雨中心的小理河流域开展了淤地坝调查。小理河是大理河的一级支流、无定河的二级支流，发源于陕西省横山县艾好峁村，在陕西省子洲县殿市镇李家河村汇人大理河，流域出口水文站为李家河水文站，控制流域面积807 km。

2 研究技術路线和数据处理

2.1 游地坝调查

调查内容包括：每座淤地坝完好程度、坝体高、坝体长、放水建筑物（排洪渠、竖井、卧管）的有无和完好程度，对目前为水面或稀泥而无法测量的坝库进行详细记载，对全拦全蓄的闷葫芦坝进行特别标注，并对每座坝、放水建筑物的淤积与水毁情况进行拍照，逐坝建立实地调查表和影像档案。本次调查小理河流域大、中、小型淤地坝646座（其中：骨干坝76座，中型坝199座，小型坝371座），根据淤地坝工程完好情况、有无放水工程、放水工程类型以及淤地坝分布在沟道的位置等，将调查的淤地坝分为以下4类。

（1）敞口坝（380座）：即在暴雨前已经损毁，有敞开的出口，或者已经淤满的淤地坝。对这一类淤地坝不再深入坝地之中进行淤积量的调查与测量。

（2）有水坝（含水库）（51座）：在调查时仍然有积水的淤地坝，其淤积量无法测量。

（3）闷葫芦坝（21座）：没有放水工程的淤地坝，对流域来水来沙全拦全蓄：也包括一部分虽然有放水工程，但暴雨洪水过程中并未排沙，如竖井或卧管出水口被堵塞，或者放水工程（如溢洪道或者坝路一体工程的涵洞）的出水口底板高程高于蓄水面，淤地坝基本没有排水排沙。对这一类淤地坝淤积量详细测量。

（4）排水不畅坝（194座）：淤地坝工程完好，而且有放水工程，排水不太通畅，有明显淤积，在暴雨洪水过程中有排水排沙情况，最终只拦截流域来沙的一部分。

2.2 研究的技术路线

（1）在高分辨率的卫星影像上查找淤地坝，并进行标注。根据卫星影像上淤地坝的分布，制定野外调查路线。对于较大的流域，按照支沟进行分组分工协作，保证野外调查区域全覆盖，没有遗漏和重复。

（2）按照卫星影像上标记的淤地坝，逐沟逐坝进行实地勘测。对于发生明显淤积的淤地坝，从坝前到淤积末端，根据坝地地形变化和淤积发生的区块，以控制淤积体平面变化为原则，设若干个断面，将淤地坝坝地分为若干个区块，采用激光测距仪测量并记录断面的长度。每个断面人工开挖3个探坑，探坑的大小根据淤积厚度而定，以可准确判断暴雨洪水形成的沉积旋回为准，测量并记录“7·26”洪水形成的沉积地层厚度。淤地坝淤积泥沙体积计算公式为

（3）调查本次暴雨坝体水毁情况，测量淤积体水毁体积（输沙量），并对每座坝坝体与防水建筑物淤积、水毁情况进行拍照，建立每座坝的实地调查表和影像档案，以便核实。

（4）坝控流域面积计算。借助ArcGIS软件，将淤地坝坝址的GPS地理坐标转换到具有大地坐标系的地图上，作为倾泻点，利用ArcGIS空间分析方法，计算每座淤地坝控制的流域面积。

2.3 数据处理与分析

（1）单坝拦沙模数计算。将每座淤地坝泥沙淤积量平摊到该淤地坝的坝控面积上，称为单坝拦沙模数。计算公式为

3 结果与分析

3.1 单坝拦沙模数空间分布

根据式（3）计算小理河流域215座单坝（闷葫芦坝有排水不畅坝）的拦沙模数。215座淤地坝单坝拦沙模数差异很大，最大的在100 000t/km2以上，最小的仅为185.2 t/km2。以淤地坝控制流域拦沙模数分段统计表明，拦沙模数为2 500 t/km2以下的淤地坝有32座.2 500～5 000t/krri2的淤地坝有32座.5 000～8 000 t/km的淤地坝有23座.8 000～15 000 t/km2的淤地坝有53座，大于15 000 t/km的淤地坝有75座。215座淤地坝拦沙模数平均值为16 663.6t/km。由于每座淤地坝坝控面积不同，单坝拦沙模数空间分布零碎图斑过多，因此对于同一沟道内串坝的情况，采用式（4）对单坝拦沙模数进行均化，均化后的淤地坝拦沙模数分布见图2。

淤地坝的拦沙模数空间差异大有以下原因：①受暴雨空间分布差异大的影响（见图3），淤地坝拦沙模数与暴雨量空间分布有很好的一致性：②淤地坝工程情况差别很大，坝体完好的淤地坝拦沙多，损毁的坝拦沙少，同样完好的坝，放水工程淤堵或人为堵塞蓄水的坝拦沙多，排水通畅的坝排走的泥沙多：③当若干淤地坝串联分布于同一沟道时，淤地坝在沟道中的位置不同以及沟道比降、宽窄等几何特征差异，造成淤地坝拦截泥沙的巨大差异，一般上坝拦截较少、下坝拦截较多：④处于沟道小流域上游或沟道源头的淤地坝，其控制流域的地貌、植被覆盖、土地利用等情况同样影响来水来沙和淤积量。

3.2 降雨一侵蚀产沙关系

小理河流域21座闷葫芦坝的拦沙模数统计见表1。由式（7）可知，闷葫芦坝的拦沙模数就是其坝控区的侵蚀模数。

由表1和图4可以看出，小理河流域闷葫芦坝坝控流域侵蚀模数与暴雨量具有明显的线性关系，暴雨量越大，侵蚀模数越大，结合小理河暴雨空间变化特征（见图3），由流域东南向西和西北方向递减。东南部暴雨中心一带，土壤侵蚀模数为30 000～ 40 000t/km，少数地区为60 000～80 000 t/km：向北随着暴雨量的减小，侵蚀模数逐渐减小，北部地区边缘侵蚀模数减小到1 000t/km以下。流域西部地区淤地坝较少，黄土物质较为松散，与北部相比，相同的暴雨量下产沙量明显增多。坝控流域侵蚀模数M与该坝控区域暴雨量r之间的关系式为

M=158.32r -4 851.9

（8）

3.3 小理河流域侵蚀模数估算

式（8）反映了在同一流域影响土壤侵蚀的其他因素变化不大的情况下土壤侵蚀模数与暴雨量之间的关系。根据式（8）和小理河流域暴雨量空间插值结果，推算流域面上每一个栅格（30 mx30 m）的土壤侵蚀模数（见图5）。结果显示，小理河流域平均土壤侵蚀模数为16 503 t/km。

由表1可得，小理河流域21座闷葫芦淤地坝拦沙模数平均值为19 232 t/km，坝控区暴雨量平均值为152.1 mm。小理河流域面暴雨量为128.0 mm，可见采样的21座闷葫芦淤地坝分布在暴雨量较大的地区。为了使其算术平均值具有代表性，将小理河流域的实测侵蚀模数修正为式中：M_Y，为修正后的侵蚀模数，t/km;M為修正前的侵蚀模数，t/km;P流域为流域面平均雨量，mm; P闷葫芦为闷葫芦坝控制面积面平均雨量，mm。

修正计算结果显示，小理河流域平均侵蚀模数为16 185t/km.与上述采用式（8）推算结果16 503 t/km十分接近。

4 结语

（1）实地调查小理河流域闷葫芦坝21座，排水不畅淤地坝194座，计算得到淤地坝坝控区拦沙模数（侵蚀模数）在200～100 000 t/km之间，拦沙模数（侵蚀模数）空间分布差异显著。

（2）流域侵蚀模数空间分布与暴雨量空间分布具有显著的同步性，即暴雨量越大侵蚀模数越大，两者之间呈显著的线性关系。

（3）基于闷葫芦坝计算其控制流域的土壤侵蚀模数，采用降雨一侵蚀产沙关系估算流域土壤侵蚀模数，方法简单可行，是开展土壤侵蚀监测工作的重要手段。

参考文献：

[1] 姚文艺，肖培青，黄土高原土壤侵蚀规律研究方向与途径[J].水利水电科技进展，2012，32（2）：73-78.

[2] 刘立峰，杜芳艳，马宁，等，基于黄土丘陵沟壑区第1副区淤地坝淤积调查的土壤侵蚀模数计算[J].水土保持通报，2015，35（6）：124-129.

[3] 张岩，刘宪春，李智广，利用侵蚀模型普查黄土高原土壤侵蚀状况[J].农业工程学报，2012，28（10）：165-171.

[4]段菊卿，王英顺，黄土高原小流域侵蚀模数的确定方法[J].中国水土保持，2006（8）：32-34.

[5]符素华，刘宝元，土壤侵蚀量预报模型研究进展[J].地球科学进展，2002，17（1）：78-84.

[6]DE ROO A P J，WESSELING C G，RITSEMA C J.LISEM：

A Sin～e-Event Physically Based Hydrological and SoilErosion Model for Drainage Basins（II）：Sensitivity Analy-sis， Validation and Application [J]. HydrologicalProcesses， 1996，10：1119-1121.

[7] 张云吉，宫立新，金秉福，等，基于”7C。示踪的大沽河流域土壤侵蚀模数研究[J].海洋地质与第四纪地质，2013，33（6）：165 - 171.

[8] BENMANSOUR M， MABIT L，NOUIRA A，et al.Assess-ment of Soil Erosion and Deposition Rates in a Moroccan Ag-ricultural Field Using Fallout 137CS and 210Pbe，[J].Joumalof Environmental Radioactivity， 2013， 115：97-106.

[9] ZHANG X B，HIGGIIT D L，WALLING D E.A PreliminaryAssessment of the Potential for Using Caesium-137 to EstimateRates of Soil Erosion in the Loess Plateau of China[J]. Hydro-logical Science， 1990， 35： 267-277.