黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的rusle分析

1邊坡防護(hù)作用洛杉磯高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。為了遏制洛杉磯高原的水土流失，中國(guó)政府采取了多項(xiàng)措施，如調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、恢復(fù)植被、改善農(nóng)業(yè)方式、在坡面上修建梯田和在溝渠上修建水庫(kù)。從流域角度,這些措施可以歸為溝道措施和坡面措施兩大類(lèi),在黃土高原,梯田是最主要的坡面措施,淤地壩是最主要的溝道措施。梯田作為坡面治理工程中的主體,可以變跑水、跑土、跑肥的“三跑田”為保水、保土、保肥的“三保田”,研究者從多個(gè)角度定量的評(píng)估了梯田的蓄水保土效應(yīng)。關(guān)于淤地壩的水土保持效應(yīng)研究,大多從減沙效益角度出發(fā),分析了淤地壩的減沙效應(yīng),如冉大川等人以及焦菊英等人在黃河中游地區(qū)的研究。淤地壩建成后,隨著淤積高度的增加,壩地淤埋了原來(lái)侵蝕嚴(yán)重的溝谷和溝床,這些部位不再發(fā)生侵蝕。同時(shí),梯田修建后,取代了原來(lái)侵蝕最嚴(yán)重的坡耕地,從而降低了流域的土壤侵蝕。但是,關(guān)于淤地壩不同淤高下以及流域不同梯田比例時(shí)的土壤侵蝕變化情況,目前還鮮有研究報(bào)道。本文首先建立黃土高原丘陵溝壑區(qū)簡(jiǎn)化模型,隨后使用修正通用土壤流失方程(RUSLE)計(jì)算了淤地壩淤積和梯田修建過(guò)程中坡面的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化情況,以期更深入的研究淤地壩和梯田的減蝕效應(yīng)。2在土壤保護(hù)下的流域發(fā)展模式中2.1坡面坡度特征從分水嶺至溝底,由峁邊線(xiàn)、溝坡線(xiàn)將流域劃分為三部分:梁峁坡位于峁邊線(xiàn)以上,坡面較完整、平緩,多為面蝕和細(xì)溝侵蝕;溝谷坡位于峁邊線(xiàn)以下,溝坡線(xiàn)以上,坡度較陡,多為切溝、沖溝以及崩塌等侵蝕形態(tài);溝谷底是坡面徑流匯流后洪水的通道,表現(xiàn)為溝底下切、溝岸擴(kuò)張和溝頭前進(jìn)。由于溝谷底面積較小,故將其歸并到溝谷坡。據(jù)此,以峁邊線(xiàn)為界,可以將坡面分為梁峁坡和溝谷坡兩個(gè)單元。梁峁坡坡度多位于0~30o左右,而在峁邊線(xiàn)以下的坡度增大為35o~45o。根據(jù)黃土高原韭園溝、裴家峁、紙坊溝、岔巴溝以及呂二溝等流域統(tǒng)計(jì),確定梁峁坡面積比例為57%,溝谷坡面積比例為43%。為了確定坡面的水平投影坡長(zhǎng),以黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)韭園溝流域?yàn)閷?shí)體對(duì)象,在地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件支持下,將韭園溝數(shù)字高程模型(DEM)經(jīng)過(guò)正負(fù)地形運(yùn)算、填挖、匯流方向、累積匯流量計(jì)算以及重分類(lèi)等過(guò)程,提取韭園溝流域山脊線(xiàn)和山谷線(xiàn),并隨機(jī)測(cè)量山脊線(xiàn)和山谷線(xiàn)之間的垂直距離,共143條,測(cè)量得最小值為46m,最大值為191m,平均值為105m,標(biāo)準(zhǔn)差為25m(圖1)。因此確定坡面的投影長(zhǎng)度為105m,據(jù)此建立流域抽象模型的先鋒期(圖2)。2.2坡耕地壩下的“沒(méi)收”演替是生態(tài)學(xué)概念,指某一地段上一種生物群落被另一種生物群落所取代的過(guò)程。多數(shù)演替具有方向性,部分演替有周期性,生物群落從演替初期到形成穩(wěn)定的成熟群落,一般都要經(jīng)歷先鋒期、過(guò)渡期、頂極期三個(gè)階段。借助在水土保持中,將演替過(guò)程中流域的最初狀態(tài)定義為先鋒期,此時(shí),流域峁邊線(xiàn)以上全部為坡耕地,峁邊線(xiàn)以下全部為草地,流域具有最大的土壤流失量,流域的治理度為0%。在水土保持措施的干擾下,流域上部逐漸被梯田占據(jù),而下部逐漸被壩地“淹沒(méi)”,此為流域的過(guò)渡期,過(guò)渡期是流域最長(zhǎng)存在狀態(tài)。以峁邊線(xiàn)為界,包含有兩個(gè)過(guò)程:(1)峁邊線(xiàn)以上:為突進(jìn)的梯田向下發(fā)展,取代坡耕地的“取代過(guò)程”。梯田的增加受控于四個(gè)因素,耕地需求、水土保持治理、坡改梯技術(shù)進(jìn)步以及政策因素等。坡改梯不是每年都進(jìn)行的,而是受到上述因素刺激后才發(fā)生的,因此,有別于淤地壩的緩慢淤積過(guò)程。梯田修建后,原來(lái)的坡耕地變?yōu)樘萏?侵蝕模數(shù)大幅度減少。(2)峁邊線(xiàn)以下:為緩慢的淤地壩向上淤積,淹沒(méi)荒草地的“淹沒(méi)過(guò)程”。淤地壩泥沙的淤積,抬高了侵蝕的基準(zhǔn)面,“淹沒(méi)”了流域下部的陡坡荒草地,降低了流域的土壤侵蝕量。隨著坡耕地和草地的減少,淤地壩淤積速度越來(lái)越慢,最后,峁邊線(xiàn)以上全部為梯田,峁邊線(xiàn)以下全部為壩地,此時(shí)為頂級(jí)期,是水土保持治理的極限,治理度100%。3對(duì)年生長(zhǎng)并網(wǎng)水土流失量的影響修正通用土壤流失方程(RUSLE)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的水蝕預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該方程能反?yīng)出影響土壤侵蝕單因子的改變對(duì)土壤侵蝕量的影響,其表達(dá)式為:A=R·K·S·L·C·P(1)式中:A是年平均土壤流失量,t×hm-2×a-1;R是降雨侵蝕力因子,MJ×mm×hm-2×h-1×a-1;K是土壤可蝕性因子,t×hm2×h×hm-2×MJ-1×mm-1;S是坡度因子;L是坡長(zhǎng)因子;C是作物覆蓋—管理因子;P是水土保持措施因子。坡面平均侵蝕量計(jì)算公式:式中:Ai為第i類(lèi)單元的侵蝕量,ai為第i類(lèi)單元的面積比例。3.1降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易計(jì)算修正通用土壤流失方程(RUSLE)預(yù)測(cè)土壤流失量時(shí),用EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)。受降雨過(guò)程資料限制,許多學(xué)者提出了利用氣象站常規(guī)降雨統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易方法。穆興民等人采用章文波等人提出的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易估算方法,計(jì)算了陜北黃土高原及其周邊站1959-2002年40多年的降雨侵蝕力(表1)。本文采用表1的平均值1456MJ·mm·hm-2·h-1,作為本次研究降雨侵蝕力值。3.2國(guó)際制單位轉(zhuǎn)化系數(shù)silK因子反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性,K值估算采用土壤侵蝕和生產(chǎn)力影響估算模型(EPIC)中的方法,利用土壤有機(jī)質(zhì)和顆粒組成進(jìn)行估算:式中:SAN為砂粒含量,%;SIL為粉粒含量,%;CLA為粘粒含量,%;C為有機(jī)碳含量,%;SN1=1-SAN/100;0.1317為美國(guó)制單位向國(guó)際制單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。根據(jù)EPIC模型中K值計(jì)算公式,通過(guò)對(duì)韭園溝退耕坡地、坡耕地、退耕梯田、荒草地、壩地、梯田、梯田果園等不同土地利用類(lèi)型進(jìn)行采樣分析,得土壤可蝕性K值變化于0.034~0.043之間,平均值為0.039(表2),相對(duì)偏差不超過(guò)6%,因此,假設(shè)溝谷坡和梁峁坡的K值一致,取平均值0.039t×hm2×h×hm-2×MJ-1×mm-1。3.3坡長(zhǎng)因子的確定土壤侵蝕隨坡度的增加而增加,且增加速率加快。當(dāng)坡度小于等于5o時(shí),采用McCool等人1987年提出坡度因子(S)公式:當(dāng)坡度大于5o時(shí),采用劉寶元提出的計(jì)算方法:根據(jù)綏德站王茂溝22座淤地壩的GPS差分監(jiān)測(cè)結(jié)果,淤地壩淤積面縱比降變化于0.21%~0.33%之間,平均值為0.29%,因此確定壩地坡度為0.16o。S因子計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。用于獲取坡長(zhǎng)因子的小區(qū)實(shí)測(cè)資料表明,水平投影坡長(zhǎng)為λ(m)坡地上的平均侵蝕量按公式(6)變化:式中,22.1是RUSLE采用的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(zhǎng)(m),m是可變的坡長(zhǎng)指數(shù),采用劉寶元提出的值:坡度小于等于1o時(shí),取0.2;大于1o,小于等于3°時(shí),取0.3;大于3o,小于等于5o時(shí),取0.4;大于5o時(shí),取0.5。通過(guò)對(duì)王茂溝22座淤地壩淤積年限,淤積前高程和淤積后的GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算得知,淤地壩的年平均淤積高度為0.42m×a-1。假設(shè)歷年來(lái)沙條件一致,受地形影響,淤積高度與時(shí)間(淤積年限)關(guān)系應(yīng)該為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,但是由于降雨以及坡面產(chǎn)沙的不確定性影響,使淤積高度與時(shí)間的關(guān)系變得極為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化研究,假設(shè)淤積年限(t)和淤積高度(H)為簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系,即:由于壩地坡度較小,因此,壩地的水平投影坡長(zhǎng)λD為:草地的水平投影坡長(zhǎng)λG為:這里,水平投影坡長(zhǎng)為時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于梯田水平投影坡長(zhǎng)λT和坡耕地水平投影坡長(zhǎng)λS來(lái)說(shuō),存在公式(10)所示關(guān)系:3.4壩地、坡耕地、草地及稻田消化率研究表明,黃土高原丘陵溝壑區(qū)主要農(nóng)作物的C值玉米為0.28、豆類(lèi)為0.51、馬鈴薯為0.47、谷子為0.53,主要的草地類(lèi)型紅豆草、草木樨、沙打旺、苜蓿C值分別為0.174、0.083、0.071、0.264。壩地主要作物為玉米,坡耕地主要作物為馬鈴薯、豆類(lèi),草地為紅豆草和草木樨等,梯田主要作物為小米以及豆類(lèi),據(jù)此,我們估算壩地、坡耕地、草地以及梯田的C值(表4)。吳發(fā)啟等人根據(jù)小區(qū)和水平梯田的觀測(cè)值,水平梯田可以減少坡面侵蝕87.7%(表5),因此將梯田的P因子確定為0.123,其他類(lèi)型P因子值為1。4在土壤水處理和演變條件下，土壤侵蝕模數(shù)發(fā)生了變化4.1土壤侵蝕模數(shù)變化先鋒期與頂級(jí)期土壤侵蝕模數(shù):先鋒期和頂級(jí)期代表了流域演替的兩個(gè)極限狀態(tài)。先鋒期峁邊線(xiàn)上部全為坡耕地,侵蝕模數(shù)為299.56t×hm-2×a-1,下部全為草地,侵蝕模數(shù)為136.64t×hm-2×a-1,平均侵蝕模數(shù)為229.74t×hm-2×a-1;頂級(jí)期峁邊線(xiàn)上部全為梯田,侵蝕模數(shù)為39.10t×hm-2×a-1,下部全為壩地,侵蝕模數(shù)為1.10t×hm-2×a-1,平均侵蝕模數(shù)為22.81t×hm-2×a-1。因此,在整個(gè)土壤侵蝕治理期間,流域的侵蝕模數(shù)變化于22.81t×hm-2×a-1~229.74t×hm-2×a-1之間,最大值為最小值的10倍左右。峁邊線(xiàn)以上的梯田擴(kuò)張過(guò)程(表6):隨著梯田比例的增加,土壤侵蝕模數(shù)從最大的299.56t×hm-2×a-1下降到最小的39.10t×hm-2×a-1。使用指數(shù)函數(shù)y=aebx擬合梯田比例與侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系(圖3),當(dāng)x等于0時(shí),即梯田比例為0時(shí),侵蝕模數(shù)y等于截距a,因此定義a為基準(zhǔn)侵蝕模數(shù),即全部為坡耕地時(shí),峁邊線(xiàn)以上的侵蝕模數(shù),因此,a與峁邊線(xiàn)位置有關(guān)(表7)。系數(shù)b為侵蝕速率,即梯田每增加一個(gè)百分點(diǎn),侵蝕模數(shù)降低為原來(lái)的eb倍,與峁邊線(xiàn)的位置無(wú)關(guān)。峁邊線(xiàn)以下的壩地淹沒(méi)過(guò)程:隨著淤地壩的抬升,峁邊線(xiàn)以下土壤侵蝕逐漸降低(表8),從最高的136.64t×hm-2×a-1,降至1.10t×hm-2×a-1,且呈線(xiàn)性減少,擬合方程為y=-ax+b形式(圖4)。截距b為基準(zhǔn)侵蝕模數(shù),隨著峁邊線(xiàn)的上移,基準(zhǔn)侵蝕模數(shù)增加。a為侵蝕減少速率,隨著峁邊線(xiàn)的上移,侵蝕減少速率在增加(表9)。4.2邊線(xiàn)上侵蝕模數(shù)的計(jì)算本文選擇關(guān)地溝四號(hào)壩作為對(duì)象進(jìn)行分析。關(guān)地溝四號(hào)壩位于韭園溝支溝王茂溝,建于1959年,設(shè)有溢洪道,壩控面積39.78hm2,其中峁邊線(xiàn)以上面積為26.09hm2(圖5)。對(duì)于壩地淤高,分別設(shè)置現(xiàn)狀條件下、淤高10m、淤高20m、淤高30m、淤高40m、淤高50m等6種情景。將1:1萬(wàn)地形數(shù)據(jù)通過(guò)Hutchinson插值方法獲得數(shù)字高程模型(DEM),通過(guò)設(shè)定不同的淤積高度,采用VanRemortel等人編寫(xiě)的ArcInfo宏語(yǔ)言(AML)程序計(jì)算坡度坡長(zhǎng)因子(圖6)。降雨侵蝕力選擇表1中的綏德值,土壤可蝕性(K)采用表2值,作物覆蓋-管理因子(C)采用表4值,水土保持措施因子(P)取0.123。在6種情景下,流域的平均侵蝕模數(shù)分別為107.58t·hm-2·a-1、103.32t·hm-2·a-1、99.53t·hm-2·a-1、92.02t·hm-2·a-1、85.27t·hm-2·a-1、以及75.99t·hm-2·a-1。以淤積高度和平均土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合,擬合公式為y=-0.6275x+109.64,R2為0.975,高于指數(shù)擬合R2。且系數(shù)b接近現(xiàn)狀條件下的侵蝕模數(shù)。對(duì)于峁邊線(xiàn)以上部分,我們?cè)O(shè)立沒(méi)有梯田、坡度15°以下全為梯田、坡度25°以下全為梯田、坡耕地全為梯田以及峁邊線(xiàn)上部全為梯田等5種梯田分布情景。5種情景下,梯田面積占峁邊線(xiàn)以上面積的比例分別為0.00%、12.33%、25.01%、78.78%以及100.00%。在此5種情景下,峁邊線(xiàn)上部的平均侵蝕模數(shù)分別為149.58t·hm-2·a-1、144.54t·hm-2·a-1、115.97t·hm-2·a-1、38.76t·hm-2·a-1以及29.80t·hm-2·a-1。擬合梯田比例與侵蝕模數(shù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)指數(shù)擬合的R2為0.987,略高于線(xiàn)性擬合的0.980,指數(shù)擬合公式為y=166.83e-0.0175x,截距與梯田比例為0.00%時(shí)接近。4.3不同地形地貌區(qū)的耕地沉積和泥石流目前,已有學(xué)者研究了淤地壩淤積后流域的重力侵蝕變化情況,研究者使用土力學(xué)建模軟件,分析了淤地壩淤積后流域的力學(xué)變化特性,并建立了侵蝕基準(zhǔn)面抬升高度與最大位移、安全系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、滑塌體積之間的關(guān)系。隨著淤積高度的抬升,不僅對(duì)流域的重力侵蝕產(chǎn)生影響,對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)的主要侵蝕形態(tài)水力侵蝕也產(chǎn)生影響,而淤積高度的變化對(duì)水力侵蝕的影響,目前還沒(méi)有研究報(bào)道,本文使用RUSLE,通過(guò)建立流域的抽象模型,定量的揭示了淤積高度的增加對(duì)流域的水力侵蝕影響。劉世梁等使用WEPP模型研究了不同梯田數(shù)量對(duì)土壤流失量的影響,結(jié)果顯示,