上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)研究進(jìn)展

王杉杉， 李占斌， 張樂濤， 馬 波

(1.中國科學(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(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]，較少研究上方來水來沙在下方的侵蝕效應(yīng)。上方來水來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)展過程，不同的上方來水來沙量在下方會引起不同的“凈侵蝕產(chǎn)沙量”，即不同的上方來水來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)上方來水來沙量會對下方的侵蝕產(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)對下游的侵蝕過程[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，表征上方來水來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，綜合上方來水來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，可通過控制雙槽的分/合觀測接受/不接受上方來水來沙的土槽侵蝕量。通過改變降雨強(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水量，人工降雨模擬本坡位降雨條件，以有/無放水沖刷來模擬接受/不接受上方來水來沙時(shí)的侵蝕產(chǎn)沙情況，通過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)行不同坡長土槽的室內(nèi)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，研究上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)，通過不同坡長的組合，研究不同來水來沙量對下方的影響。4)利用水文站觀測數(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)裝置較為簡便，操作簡單，并能直接計(jì)算上方來水來沙在下方引起的異位效應(yīng)；但是模擬試驗(yàn)中上方來水來沙的模擬，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)，僅考慮上方來水量，清水與渾水的異位侵蝕特征存在差異。水文站觀測范圍大，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)；但由于野外觀測難度大，數(shù)據(jù)精確度不高，對異位侵蝕效應(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 裸露坡面上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)

3.1 對異位徑流特征的影響

上方來水來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力學(xué)特性。在同一坡度條件下，上方來水來沙匯入到下坡位，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)相對減少[22]。車小力等[23]采用野外放水沖刷試驗(yàn)，得出在試驗(yàn)條件下，上方來水來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?，坡面水流阻力系?shù)明顯減小的現(xiàn)象。

目前的研究多側(cè)重于上方來水來沙對徑流水動力學(xué)特征的影響，對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，異位徑流特征對上方來水來沙的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 對異位侵蝕產(chǎn)沙的影響

上方來水來沙通過改變輸入至下方的徑流特征，對異位侵蝕產(chǎn)生深刻的影響。根據(jù)實(shí)測資料整理分析，當(dāng)接受上方來水來沙時(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]指出上方來水來沙可使細(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程以侵蝕-搬運(yùn)過程為主，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)中上方來水來沙在下方引起的增沙效應(yīng)低于野外觀測，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，加劇了上方來水來沙的增沙效應(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?？讈喥秸J(rèn)為產(chǎn)沙量隨上方來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)國等[34]根據(jù)野外試驗(yàn)小區(qū)和小流域的實(shí)際觀測資料分析，得出在黃土丘陵溝壑區(qū)溝坡侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)與上方來水量和來沙量呈冪函數(shù)關(guān)系。

土壤侵蝕是一個(gè)做功耗能的過程，在侵蝕輸沙過程中，用于侵蝕和輸送泥沙的能量將會出現(xiàn)此消彼長的情況，分離過程受輸沙過程影響[35]；因此，上方來水來沙所能引起的異位侵蝕并不會單一地呈增加趨勢，當(dāng)徑流含沙量達(dá)到徑流挾沙力，含沙水流將不再對土壤進(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，上方來水來沙的凈侵蝕產(chǎn)沙能力和輸沙能力會有所不同。HUANG等[36]研究發(fā)現(xiàn)在5%坡度和小降雨強(qiáng)度下，上方來水來沙在試驗(yàn)土槽發(fā)生了沉積現(xiàn)象，隨坡度和降雨強(qiáng)度的增大，上方來水來沙在試驗(yàn)土槽逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g過程為主。

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植被覆蓋時(shí)的溝坡侵蝕量。鄭明國等[40]發(fā)現(xiàn)，坡面布設(shè)植被措施并沒有改變流域水沙關(guān)系，在坡面減少的含沙量會在溝道部分獲得補(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]，即會改變輸入至下游徑流特征，從而改變對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壩下游溝道侵蝕量的影響減少量，而其削峰滯洪對下游溝道的影響減少量還無法計(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，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估。

5 存在問題及展望

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)。且來水來沙、侵蝕方式演變與侵蝕過程互相影響[47-48]，上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)還與降雨強(qiáng)度、下墊面、來水含沙量、徑流挾沙力等動態(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，加大了上方來水來沙的異位侵蝕效應(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，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，學(xué)者們對上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)，以及水土保持措施的異位減蝕作用進(jìn)行了開創(chuàng)性研究。但由于上方來水來沙的異位侵蝕效應(yīng)復(fù)雜程度高，許多問題仍需進(jìn)一步研究。今后的研究工作可從以下幾方面開展：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)研究上方來水來沙異位侵蝕過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。