海河流域土石山区与黄土丘陵区降雨前后坡面微地貌变化分析

2010-03-10付贵增齐建怀程晓云

海河水利 2010年6期

张博，付贵增，凌峰，齐建怀，程晓云

（1.水利部海河水利委员会，天津 300170；2.怀来县水务局，河北怀来 075400）

海河流域是我国水土流失严重的地区之一，包括黄土丘陵区、土石山区、石质山区、坝上风沙区和平原风沙区5种下垫面类型。其中，黄土丘陵区是水土流失最严重地区，土石山区不仅土壤侵蚀严重、而且是山洪、泥石流等自然灾害高发区。为降低水土流失程度、减轻灾害损失及避免灾害发生，需对水土流失原理及规律有更明确的认识。

土壤侵蚀受气候、土壤性质、土壤表面条件（微地貌）、地形及人为活动五大因素影响。地表微地貌会受降雨、土壤性质及人类活动影响变化。在降雨因素影响下，坡面不同位置土壤微地貌、土壤侵蚀强度有不同变化。目前，已有很多学者研究降雨对土壤侵蚀的影响，高素绢[1]等利用人工降雨方法及统计方法研究黄土坡面土壤侵蚀动态变化，琚彤军[2]等利用同位素示踪法研究土壤侵蚀的垂直规律，刘青泉[3]等研究了坡度对坡面土壤侵蚀的影响，但少有微观上对土壤侵蚀变化及形成机理的研究。

为更好地研究海河流域降雨对水土流失的影响，海河流域水土保持监测中心站通过水利部“948”项目引进了3D激光地貌分析仪设备和技术，对自然降雨条件下海河流域黄土丘陵区及土石山区微地貌变化进行观测与分析。

1 试验区概况

项目选择位于河北省怀来县的天龙山径流小区和辛川径流小区作为观测实验区。怀来县，属温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量398.9 mm，且降水时空分布不均——山区降水多于平原区，夏季集中了约占全年70%的降水量。降雨是怀来地区水土流失主要影响因素，每年官厅水库入库泥沙量约在百万吨左右。

天龙山项目区属浅山黄土丘陵区，观测区选择面积为5×20 m2、坡度为15°的自然裸土地径流小区。辛川项目区属土石山区，观测试验区选择面积为5×20 m2、坡度为18°的自然裸土地径流小区。径流小区周围由40 cm高砖砌围栏与周围环境隔开。

2 研究方法及技术路线

2.1 研究方法

本研究旨在通过对不同土壤质地、坡面不同位置的试验小区经历多次小强度自然降雨雨前雨后地表微地貌进行观测，总结其变化趋势，并试图分析其成因。

在天龙山及辛川观测试验区中轴线上均匀选取坡上、坡中、坡下3个位置，确定3个1 000×1 000 mm2大小的观测区。利用3D激光地貌扫描仪，观测多次降雨坡面不同位置雨前雨后微地貌变化数据。

地表微地貌数据由土壤表面起伏程度表示。土壤表面起伏程度可由土壤表面高度变化和地表粗糙度表征。项目选用弯曲度指数法对地表粗糙度进行量算。弯曲度指数法将地表轮廓长度同它投影成的直线长度之间的比值作为糙度指数。

式中：T为变曲性指数；L为地表轮廓长度；L0为地表轮廓长度的水平投影长度。

在多次小强度降雨条件下，分析坡面不同位置土壤高度变化、地表粗糙度及坡度变化规律。

2.2 技术路线

本研究采用室外实验与室内计算机模拟分析相结合的技术路线，具体流程如图1所示。

图1 技术路线

3 数据处理

3.1 数据采集

8月6日至9月10日期间，试验区共经历了4次降雨，其中单日最大降雨量为28mm，共获得5组地表微地貌数据。

地表微地貌利用土壤表面高程表示。利用3D激光测距仪测量1 m2范围内土壤表面高度（误差2 mm），采样间隔为5 mm×5 mm。采样数据以横纵坐标及高程表示，输出格式为文本文件。

3.2 数据处理

将文本数据转换成GIS空间数据，校正同一观测区多次观测数据，并建立数字高程模型，计算雨前雨后土壤表面高度差，并进行统计分析，对比不同降雨量条件下坡面不同位置土壤高度变化及地表粗糙度变化。

4 地表微地貌变化分析

地表微地貌变化可以用坡面土壤侵蚀程度及地表粗糙度两个参数表征。坡面土壤侵蚀程度利用观测小区土壤表面高度变化计算，地表粗糙度利用监测小区表面积与其投影面积比计算。

4.1 坡面土壤侵蚀程度变化分析

分别计算天龙山及辛川小区坡上坡下雨前雨后土壤表面高度差，并求出均值，见表1。同时，分析其高差变化频度，如图2所示。

由图2可见，土壤质地不同，土壤表面高度变化幅度不同；坡面位置不同，土壤表面高度变化趋势不同。

表1 监测小区土壤侵蚀程度变化 mm

图2 监测小区土壤表面高度变化

（1）土石山区土壤表面高度变化幅度小于黄土丘陵区。这表明黄土丘陵区较土石山区易被侵蚀，其原因可能是黄土质地松散，更易受雨滴击溅侵蚀影响。

（2）坡上土壤表面高度逐渐减少，而坡下土壤表面高度逐渐增加。其原因可能是坡上以侵蚀作用为主，坡下堆积作用大于侵蚀作用。

（3）随降雨次数增加，坡上土壤表面高度减少幅度降低，坡下土壤表面高度由增加向减小转变。其原因可能是坡上的侵蚀效应逐渐趋于稳定，坡下的侵蚀效应逐渐大于堆积效应。

4.2 地表粗糙度变化分析

地表粗糙度是表征地表起伏程度的一个指标，项目通过计算地表表面积与其投影面积之比获得。各监测小区地表粗糙度数据，见表2。多次降雨后不同小区地表粗糙度变化趋势对比状况，如图3所示。

表2 多次降雨后监测小区地表粗糙度变化

图3 多次降雨后不同小区地表粗糙度变化趋势对比

不同土壤质地地表粗糙度不同。土石山区地表粗糙度明显大于黄土丘陵区地表粗糙度。黄土丘陵区不同坡面位置地表粗糙度差异不大，土石山区坡下地表粗糙度明显大于坡上。

经历多次降雨后，黄土丘陵区坡上地表粗糙度变化幅度不大，坡下地表粗糙度有增加趋势；土石山区地表粗糙度变化不明显。这表明，在多次小强度降雨条件下，黄土丘陵区更易被侵蚀。

5 结论与建议

5.1 结论

在小强度降雨影响下，海河流域土石山区与黄土丘陵区土壤侵蚀程度及变化趋势不同；坡面不同位置土壤侵蚀方式不同。

（1）黄土丘陵区较土石山区易被侵蚀。表现为黄土丘陵区土壤表面高度变化幅度及地表粗糙度变化幅度较土石山区大，其原因可能是黄土团粒较松散，更易受到降雨侵蚀。

（2）小强度降雨条件下，坡上以侵蚀作用为主，随降雨次数增加侵蚀强度逐渐减小；坡下堆积作用大于侵蚀作用，随降雨次数增加侵蚀作用逐渐增强。表现为每次雨后，坡上土壤表面高度均有所减少，减少程度逐渐减低；坡下土壤表面高度均有所增加，增加程度逐渐减小，并有表面高度减小趋向。其原因可能是坡上经历多次降雨后，侵蚀形态趋于稳定；坡下则由堆积作用为主向侵蚀作用为主转化。