(遼寧禹盛生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧 朝陽 122000)

流域控制斷面上游土壤流失總量和輸沙量之比即為泥沙輸移比，它是表征流域侵蝕產(chǎn)沙和土壤流失變化特征的關(guān)鍵性參數(shù)指標，是建立河流產(chǎn)沙量與侵蝕量相互作用關(guān)系的定量評價因子[1]。流域輸沙量可由水文站或堰水口的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料提取，土壤流失量作為關(guān)鍵性因子，其數(shù)據(jù)直接影響到泥沙輸移比的精度[2]。

根據(jù)土壤流失量基本特征可將其計算方法劃分為遙感調(diào)查、模型計算和實地測量調(diào)查等3個主類型。然而，采用土壤侵蝕模型對較大面積的流域進行計算工作量較大，因此，土壤流失量計算可根據(jù)遙感圖像信息技術(shù)采用土壤侵蝕模型進行相對簡便的計算分析[3]。統(tǒng)計分析和因果分析是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)和前提條件，可通過對影響土壤侵蝕的關(guān)鍵性因素進行分析構(gòu)建土壤流失量計算方程。

東北黑土地區(qū)域作為我國商品糧食重要的生產(chǎn)基地，多年來，由于長期不合理的開采利用，造成該區(qū)域的水土流失現(xiàn)象日趨嚴峻并嚴重威脅著該流域的農(nóng)業(yè)健康發(fā)展[4]。研究表明：河道輸沙量少、坡面侵蝕面積大為東北黑土區(qū)侵蝕產(chǎn)沙的顯著特征，然而由于對侵蝕物質(zhì)在不同尺度流域內(nèi)發(fā)生堆積的條件和區(qū)域尚不能明確，因此，目前還不能對流域產(chǎn)沙和坡面侵蝕的定量關(guān)聯(lián)進行有效的構(gòu)建。因此，在不同空間尺度上開展東北黑土區(qū)泥沙輸移比研究，對于建立侵蝕產(chǎn)沙的宏觀認識、提高水土流失關(guān)鍵性技術(shù)措施的治理效應(yīng)和水土保持綜合治理效益具有重要意義[5]。本文以東北地區(qū)大凌河流域為研究對象，在詳細分析了徑流小區(qū)產(chǎn)流泥沙資料、地形地貌特征與土地利用類型以及降水數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，對泥沙輸移比進行求解，并對不同區(qū)域的變化規(guī)律進行探討，進而建立了不同空間尺度流域的土壤侵蝕和產(chǎn)沙之間的相互作用關(guān)系[6]。

1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于我國遼寧省西部，大凌河全長398km，占地面積約為2.35萬km2，受降雨量和人類活動影響較為顯著，流域泥沙含量較大，約為57kg/m3。流域內(nèi)冬季寒冷、夏季炎熱干燥，屬于溫帶季風氣候，資料顯示，9月和10月是該流域的降雨旺季，降水量占年總降水量的75%以上，年降水量約450～600mm且時空分布極不均衡，徑流量約為16.67億m3。流域總體植被覆蓋率較低，由東南向西北主要流經(jīng)漫川漫崗區(qū)、低山丘陵區(qū)和山間河谷平原區(qū)。流域大小支流縱橫交錯。

本文研究在大凌河流域老虎山河、西河、牤中河三條主要支流上分別選取了不同級別支流的28個流域。其中，以山地為主海拔大于300m且河道比降為2‰～5‰的流域13個；以丘陵漫川漫崗為主海拔在100～300m之間且河道比降為1‰～2‰的流域15個。將流域按照空間尺度差異可以劃分為大、中、小3個類型。結(jié)合相關(guān)文獻資料對流域尺度的劃分標準，定義小尺度流域為面積小于100km2的流域、中尺度流域面積為100～1500hm2的流域、大尺度流域面積為大于1500km2的流域。選取凌源河小流域為典型的研究流域，流域以丘陵漫崗為主，其坡降較為平緩并以耕地為主要土地利用類型，耕地面積占90%以上。

2 資料及方法

2.1 收集資料

選取徑流小區(qū)產(chǎn)流泥沙資料、地形地貌特征圖與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及降水資料作為本研究的主要資料來源，其中降水資料包括1970—2015年22個雨量站和25個氣象站的逐年日降雨資料，并用于降雨-徑流侵蝕力的計算分析。地形圖與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括分辨率為25m×25m的土地利用類型和地表坡長、坡度等，用于小尺度流域的土地利用信息、地表坡度和坡長等數(shù)據(jù)的提??；拓撲測繪數(shù)據(jù)和土地利用圖(分辨率 1∶100萬)用于大中尺度流域的土地利用信息和地表坡度的提?。粬|北地區(qū)土壤類型圖用于土壤可蝕性計算分析，進而可對不同尺度流域的坡度、坡長以及水土保持措施因子進行計算分析。水文資料主要包括1970—2015年大凌河流域25個水文站點的徑流量、逐日降水量和泥沙含量資料，2005—2014年凌源河小流域的徑流泥沙資料，并選取凌源河小流域逐次產(chǎn)流的泥沙量和徑流量作為徑流小區(qū)產(chǎn)沙資料并進行小尺度流域的土壤流失計算[7]。

2.2 土壤流失量計算

采用中國土壤流失預(yù)報方程可對大中尺度流域的多年平均土壤流失量進行計算，公式如下：

AE=RKLSBET

(1)

式中AE——多年平均年土壤流失量，t/(hm2·a);

R——降雨-徑流侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)，可利用多年平均降水量求解；

K——土壤可侵蝕性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)，可利用三次樣條法進行求解；

L、S、B、E、T——坡長、坡度、生物措施、工程措施和耕作措施因子。

本文選取的耕地和其他土地利用類型的地表坡長分別為200m、100m，并利用坡長因子相關(guān)參數(shù)和公式對該區(qū)域L因子進行求解分析；利用Liu B.Y.和RUSLE等提出的理論方法對坡度因子S進行計算，公式如下：

(2)

采用玉米和大豆的措施因子平均值作為耕地措施因子，采用荒山灌木梗觀測值作為草地、園地和疏林地的措施因子，其值為0.052；交通用地、建設(shè)用地、水域和居民點的生物措施因子值為0。結(jié)合研究區(qū)域林地植被覆蓋率基本狀況和水土流失抽樣調(diào)查結(jié)果，用經(jīng)驗公式求得該區(qū)域林地植物措施因子值為0.025。順坡和橫坡種植的耕作措施因子均值為0.442，其他耕作類型的措施因子以及工程措施因子值均為1。通過對上述各因子土層進行疊加可獲取多年平均土壤流失量，并利用80m×80m網(wǎng)格尺寸進行插值計算。

小尺度流域土壤流失量為切溝侵蝕量、淺溝侵蝕量和片蝕量的總量，可采用式(1)對片蝕量進行求解，采用徑流小區(qū)雨季產(chǎn)流泥沙數(shù)據(jù)資料對其他各因子值進行計算，各尺度流域的土壤流失量按分辨率為20m×20m的精度進行計算。利用張永光[8]等提出的相關(guān)公式進行淺溝侵蝕量計算，利用Wu Yangqiu[9]等提出的推導(dǎo)公式可求得研究流域的切溝侵蝕量為淺溝的2.4倍。

2.3 流域泥沙輸移比計算

流域控制斷面的輸沙量與模型計算求得的土壤流失總量的比值即為各尺度流域的泥沙輸移比SDR，可根據(jù)流域泥沙徑流量和含沙量變化關(guān)系對斷面出口處的輸沙量進行求解。本研究探討了SDR值受主河道比降SLP和流域面積A等河道下墊面地質(zhì)特征因素的作用影響，并對小尺度流域的不同季節(jié)SDR變化情況進行分析?？紤]到水文監(jiān)測站推移質(zhì)數(shù)據(jù)資料相對匱乏，本文采用懸移質(zhì)泥沙輸移比作為SDR值進行求解計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 小尺度流域的泥沙輸移比

流域全年和雨季侵蝕產(chǎn)沙過程的泥沙輸移比均值分別為0.32和0.35，在雨季的變化范圍為0.05～0.78，流域地表坡度為2°左右，較為平緩，致使降雨匯流速度較慢，徑流極易滲入地下。夏季由于氣溫較高蒸散發(fā)強烈，因此降水在蒸發(fā)和地表徑流入滲的同時，所攜帶的侵蝕性物質(zhì)可在地表阻力較大或草甸、坡腳等地勢較為平緩處沉積。春季融雪侵蝕期凌源河小流域的泥沙輸移比為0.18。流域被輸送的泥沙質(zhì)地隨季節(jié)的變化而存在較大的差異，其中重力侵蝕和溝蝕是融雪侵蝕期泥沙的主要來源并以粗沙為主要侵蝕物質(zhì)；而降雨侵蝕期主要來源于地表坡面的面蝕和細溝侵蝕，并以細沙作為主要的侵蝕物質(zhì)。粗沙由于重力、粒徑顆粒較大等因素在輸移過程中更易發(fā)生沉積，而細沙往往被傳送至下游區(qū)域[10]。

3.2 大中尺度流域的泥沙輸移比

該區(qū)泥沙輸移比在大中尺度流域的變化區(qū)間為0.04～0.372，均值為0.048，整體處于較低水平，說明在到達流域出口之前大部分侵蝕物質(zhì)就已經(jīng)產(chǎn)生了沉積。遷移距離和地形地貌特征是引起研究流域SDR值產(chǎn)生變化的主要因素。侵蝕物質(zhì)產(chǎn)生沉積的可能隨著遷移距離的增大或流域面積A的增大而逐漸提高，然而SDR和A并未表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，而是存在一定的冪函數(shù)遞減關(guān)系，見圖1和下式。

SDR=1.26A-0.42;R2=0.35,n=28,P<0.01

圖1 大凌河流域泥沙輸移比SDR與流域面積A的關(guān)系

泥沙輸移比與流域面積的變化關(guān)系在丘陵漫崗的緩坡坡長區(qū)特征更為明顯,見如圖2和下述公式。

SDR=4.05A-0.51;R2=0.56,n=15,P<0.01

圖2 丘陵漫崗區(qū)泥沙輸移比SDR與流域面積A的關(guān)系

泥沙輸移比在山區(qū)流域隨主河道坡降SLP的增大而表現(xiàn)出降低趨勢，說明坡面侵蝕產(chǎn)生的泥沙在坡度相對較陡、地表起伏較為顯著的流域更容易被運送至流域的控制出口，見圖3和下式。

SDR=0.006SLP+0.005;

R2=0.46,n=13,P<0.01

圖3 山區(qū)流域泥沙輸移比SDR與主河道比降SLP關(guān)系

3.3 侵蝕泥沙坡面至河道運移過程

黃河流域和長江流域主要支流泥沙輸移比SDR的變化范圍分別為0.5～1.0和0.3～0.7，與此相比本文所求得的各尺度流域的泥沙輸移比變化相對較低。泥沙輸移比SDR主要受區(qū)域侵蝕泥沙從坡面運送至河道的作用特征因素影響。低山丘陵區(qū)和丘陵漫川漫崗區(qū)為東北典型黑土區(qū)的特征，該區(qū)域以凹形坡和直線坡為主，其坡度通常變化不大，局部地區(qū)可存在不明顯的凹坡和弱變的腐蝕坡。面蝕沿坡頂向下隨攜帶泥沙量、流速和坡面徑流厚度的增大而逐漸增強，當達到一定距離時，由于泥沙負荷逐漸增大，損耗徑流沖刷力,使面蝕減弱，在坡腳處侵蝕物質(zhì)得以堆積。在谷底和坡面區(qū)域溝蝕均可產(chǎn)生；溝底下切和溝壁崩坍是坡面溝侵蝕的主要來源；在濕潤年份谷底溝溝頭溯源侵蝕發(fā)育較為迅速，在干旱年份基本停滯，而在中等降雨量的年份往往以堆積形式表現(xiàn)出來[11]。

目前，在侵蝕類型特征研究中涉及流域內(nèi)泥沙沉積的研究相對較少，因此可通過放射性元素測年法、泥沙淤積調(diào)查法對流域侵蝕產(chǎn)沙進行觀測，并對流域的泥沙淤積量進行推導(dǎo)求解。

4 結(jié) 論

a.凌源河小流域全年和雨季侵蝕產(chǎn)沙過程的泥沙輸移比均值分別為0.32和0.35，在泥沙輸移過程中約2/3的侵蝕物質(zhì)發(fā)生沉積；流域被輸送的泥沙質(zhì)地隨季節(jié)的變化而存在較大的差異，其中重力侵蝕和溝蝕是融雪侵蝕期泥沙主要來源并以粗沙為主要侵蝕物質(zhì)；而降雨侵蝕期主要來源為地表坡面的面蝕和細溝侵蝕，并以細沙作為主要的侵蝕物質(zhì)。

b.大中尺度流域的變化區(qū)間為0.04～0.37，均值為0.048，整體處于較低水平，研究表明在到達流域出口之前大部分侵蝕物質(zhì)就已經(jīng)產(chǎn)生了沉積，遷移距離和地形特征是影響SDR變化的關(guān)鍵性因素。

c.侵蝕物質(zhì)產(chǎn)生沉積的可能隨著遷移距離的增大或流域面積A的增大而逐漸提高，然而SDR和A并未表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，而是存在一定的冪函數(shù)遞減關(guān)系，此關(guān)系特征在丘陵漫崗的緩坡坡長區(qū)更為顯著；泥沙輸移比在山區(qū)流域隨主河道坡降SLP的增大而表現(xiàn)出降低趨勢，由此說明坡面侵蝕產(chǎn)生的泥沙在坡度相對較陡、地表起伏較為顯著的流域更容易被運送至流域的控制出口處。

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