“7∙26”暴雨下不同土地利用坡面浅沟沟槽发育特征及体积估算

杨 波，王文龙，张闯娟，郭明明，康宏亮，王文鑫，陈卓鑫，赵 满

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 榆林学院陕西省矿区生态修复重点实验室，榆林 719000；4. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

0 引 言

沟蚀是黄土高原地区主要的侵蚀类型，主要分为浅沟侵蚀、切沟侵蚀、冲沟侵蚀和干沟侵蚀等[1]，其中浅沟侵蚀是发生在坡耕地上主要的侵蚀类型，浅沟的形成和发展不仅使土地被吞蚀，还可降低土壤质量指数[2-3]，产生严重的水质和经济问题[4]，同时也是河流泥沙的重要来源以及污染物运移的重要通道，研究表明，浅沟侵蚀占坡面总侵蚀量的 17%～100%[5-6]。由于浅沟侵蚀的严重性，自20世纪70年代以来，浅沟侵蚀的发生发展受到各国学者的广泛关注。

目前，对于浅沟侵蚀的研究主要是采用野外调查、定位观测[7-8]、基于 GIS的遥感影像分析[9]和室内外模拟降雨冲刷试验[6,10-14]。张科利等[7]通过对黄土丘陵沟壑区坡面浅沟侵蚀发育特征进行了野外调查，发现浅沟侵蚀的临界坡长与坡面平均坡度之间呈二次曲线关系。Capra等[15-16]使用不同模型对浅沟侵蚀进行预测，发现经验模型的预测结果明显高于浅沟侵蚀模型 EGEM。室内通过人工构筑浅沟发育初期的模型，采用模拟降雨的方法得出在浅沟发育的不同阶段，其侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例不同，在浅沟发育初期和中期，侵蚀量占总产沙量的58%，后期为26%～59%[6]。然而自从实施退耕还林还草措施以来，该区大量的坡耕地被退耕为草地、林地和其他非农用地[17]。由于前期多年的犁耕作用，导致农地形成浅沟瓦背状，退耕后此种形态并未消失，而是在此基础上由农地演变为其他的土地利用类型，然而，针对此种下垫面情况，极端降雨条件下浅沟沟槽的发育状况未见报道。因此本文以陕北“7∙26”特大暴雨为研究背景，通过实地勘察测量，定量分析由该次暴雨导致的岔巴沟流域不同土地利用坡面浅沟沟槽发育的形态特征及浅沟沟槽体积估算关系，为后期类似灾害的防治及针对该次暴雨进一步进行科学研究提供一定的基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 暴雨情况

2017年7月25 日晚8时至26日早8时，由于受极端冷空气与暖湿气流共同作用，陕西榆林地区突降 200年一遇特大暴雨[18]，暴雨主要集中在子洲、绥德、米脂一带，该暴雨使无定河及其支流爆发历史特大洪水。据后期调查统计资料及榆林市气象局资料显示[19-21]，小理河流域李家河、李孝河两地雨量站雨强高达 72.4 mm/h和79 mm/h，暴雨中心绥德县赵家砭8 h累计降雨量为252.3 mm，基本占据全年降雨的一半多。此外无定河和大理河流域日降雨量达 100 mm以上的区域面积为5 483.7 km²，大于200 mm以上的面积为1 721.4 km²[20]；无定河白家川站洪峰流量为4500 m³/s，达建站以来最大洪水；大理河绥德水文站实测洪峰流量为3 160 m³/s（警戒流量为1350 m3/s）超历史实测最大流量2 450 m³/s，其最高水位为4.11 m[21]，超历史实测水位。此次特大暴雨，造成子洲和绥德两县存在部分人员伤亡、大量房屋、牲畜、农田、道路受损，灾情严重，据统计直接损失高达38.7亿元。

1.1.2 流域基本情况

岔巴沟流域位于陕西省榆林市子洲县境内，地理坐标为 37°37′31″～37°47′57″N，109°3′1″～109°47′16″E，地貌类型属于典型的黄土丘陵沟壑区，属于无定河的二级支流和大理河的一级支流，流域面积205 km²，主沟道长为26.5 km，流域两岸基本为对称型，区内地形破碎，沟道纵横，平均沟壑密度为1.05 km/km²，且下游大于中上游、左岸大于右岸。该区气候为温带大陆性季风气候，年均气温为8 ℃，最高为35 ℃，最低为-27 ℃；年降雨量为450 mm，且主要集中在6－9月，多为短历时强降雨类型，年均蒸发量为1228 mm。流域土壤类型主要为黄土高原典型的由黄土母质发育而来的黄绵土，土壤机械组成以粉粒为主，土质疏松，且土地利用不合理，植被稀少，在暴雨情况下易发生强烈土壤侵蚀。

1.2 研究方法

1.2.1 样点选择与调查方法

调查主要采用内业和外业相结合的方法。在前期专家团队综合考察选点的基础上，利用奥维互动地图软件在岔巴沟流域选取12个具有完整集水区域且包含多种土地利用类型的小流域调查样点，12个小流域分别均匀分布在流域的上中下游，即上中下游左右两岸各选两个，且各个样点小流域都分布在该条小流域主沟道两侧，每个小流域面积应以0.2～0.5 km²为宜；后期主要根据奥维互动地图导航功能导航至前期室内选择的样点进行野外实地勘察，若发现样点已受到大量人为扰动则选取备用调查点进行调查，考察人员分两组进行，每组人员分别从小流域出口出发，沿两侧山脊线开始依次调查流域内由该次暴雨导致的所有坡面的浅沟侵蚀特征。主要利用对讲机、望远镜观察对岸调查组盲区内的坡面情况。利用激光测距仪、50 m量程皮尺测量浅沟的长度、用钢卷尺测量被侵蚀浅沟沟槽的宽度和深度，当浅沟长度≤10 m时，每隔1 m测量一次宽和深；当浅沟长度＞10 m且≤20 m时，每隔2 m测量一次；当浅沟长度＞20 m且≤30 m时，每隔3 m测量一次；当浅沟长度＞30 m时，每隔5 m测量一次。浅沟断面形态参数为各测量点宽度和深度的平均值。选取沟槽两侧附近具有代表性的位置用坡度仪测量坡度，上中下坡各测量多次，求平均值，观察并记录该坡面的土地利用类型。本次共调查浅沟105条，其中休闲地23条、农地51条、撂荒地31条，调查流域总面积为 3.32 km²。土地利用类型与坡度相吻合，其中休闲地坡度分布在16°～25°、26°～35°之间的样点占比26.09%、43.48%，其余30.43%分布在36°～45°之间；81%以上的农地分布坡度 25°以下；撂荒地分布在 16°～25°之间的样点占比58.06%，分布在26°～35°之间的样地占比38.71%，其余3.23%为36°。调查样点如图1所示。

图1 岔巴沟流域调查样点分布Fig.1 Distribution of sampling spot in Chabagou watershed

1.2.2 土地利用情况

浅沟是指分布于坡面没有明显沟边的槽形地，是一种固定的侵蚀沟形态，经横向犁耕后不能消除其已形成的痕迹[7]。然而自1999年以来，随着退耕还林还草政策的实施及当地经济条件的改善，该区陡坡耕地和一部分耕作困难的坡耕地也被逐步弃耕撂荒。因此该次调查的浅沟所处坡面土地利用类型主要以农地、休闲地和撂荒地为主。农地（种植有豆类、谷类等农作物的坡耕地，盖度约为10%～20%），一般情况下，农地浅沟沟槽在前期经过人工耕地、除草等措施已将浅沟沟槽填实，因此调查中发现农地的浅沟沟槽可基本认定为由本次特大暴雨所形成；休闲地（前期为农地，调查时未种植任何农作物的裸地，休闲待利用的坡耕地，休闲年限为1 a以内，盖度＜5%）；撂荒地（前期为农地，后经退耕还林等措施发展为草地的坡耕地，盖度＞70%），休闲地和撂荒地坡面由此次暴雨导致的浅沟沟槽主要通过观察浅沟沟槽断面的节理，生物结皮情况以及植被滑落情况来判断。以上 3种土地利用类型的瓦背状浅沟地形均在前期为农地时经过多年耕作已经形成，而浅沟侵蚀是暴雨发生时，汇集于浅沟底部的径流冲刷、形成新的侵蚀沟槽过程中所造成的土壤流失[15]，因此本文在浅沟形态已形成的基础上，针对此次暴雨导致的浅沟沟槽的进一步发育状况进行调查研究，各土地利用类型浅沟及浅沟沟槽实际侵蚀情况如图2所示。

图2 各土地利用类型浅沟沟槽Fig.2 Ephemeral gully groove of land use type

1.3 计算公式

浅沟沟槽侵蚀量用沟槽体积来描述，计算公式如下

式中VEG代表浅沟沟槽体积，m³；W上为测量点浅沟沟槽的上宽，m；W底为测量点沟槽底宽，m；h为测量点沟槽深度，m；l为坡面浅沟测量间隔，m；l=1、2、3和5 m。

1.4 数据统计与计算

用Excel2016统计数据；用Spss19.0进行数据分析，主要包括在对不同土地利用浅沟沟槽形态特征差异性检验时运用方差分析，在分析不同土地利用类型浅沟沟槽体积估算时运用相关性和回归分析；用 Arcgis10.1和OriginPro2016绘图。

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用类型浅沟沟槽断面形态特征分布

岔巴沟流域休闲地、农地、撂荒地的浅沟沟槽断面平均宽度、平均深度和平均断面面积的分布情况如图 3所示。1）浅沟沟槽宽度均集中分布在30～70 cm范围，累积频率均在 90%以上；其中，发生在休闲地和撂荒地上浅沟沟槽宽度主要分布在30～40 cm范围内，所占比例分别为45.16%和34.78%，而农地上发育的浅沟沟槽宽度主要分布在40～50 cm范围内，占比39.22%。2）各土地利用下的浅沟沟槽侵蚀深度集中分布在20～60 cm范围，累积频率均在 82%以上；其中休闲地、农地和撂荒地坡面浅沟沟槽深度主要分布在20～30、30～40和50～60 cm范围内，所占比例分别为25.81%、35.3%和34.79%。3）浅沟沟槽断面面积主要集中分布在 0.05～0.25 m²范围，累积频率均为80.65%以上，农地的累积频率甚至高达98.04%；其中，休闲地、农地和撂荒地上浅沟沟槽断面面积主要分布在0.1～0.15 m²范围内，所占比例分别为29.03%、35.29%和21.74%，其中农地占比最大。

图3 不同土地利用类型浅沟沟槽断面形态参数频率分布Fig.3 Frequency distribution of morphological parameters of ephemeral gully groove cross-sectional in different land use types

2.2 不同土地利用类型浅沟沟槽形态参数特征

图4为3种土地利用类型下的浅沟沟槽形态参数分布图。由图可知，休闲地、农地和撂荒地坡面浅沟沟槽发育平均宽度分别为46.46、47.41和43.11 cm ，且不同土地利用类型的坡面浅沟沟槽宽度差异不显著（P＞0.05）；浅沟沟槽平均深度分别为 47.11、36.06和 41.47 cm，其中休闲地浅沟沟槽侵蚀深度较农地高出30.64%，二者差异性显著（P＜0.05）；浅沟沟槽平均断面面积分别为0.23、0.17和 0.19 m²，其中农地和休闲地坡面差异性显著（P＜0.05）。不同土地利用类型坡面浅沟沟槽侵蚀体积均值分别为5.9、3.26和4.5 m³；其中，发育在休闲地和发育在撂荒地上浅沟沟槽体积分别是农地的 1.8倍和 1.38倍，其中，休闲地与农地坡面浅沟沟槽侵蚀体积具有显著性差异（P＜0.05），而休闲地和撂荒地、农地和撂荒地差异不显著（P＞0.05）。各条浅沟沟槽被侵蚀的体积大小依次为休闲地＞撂荒地＞农地。休闲地由于坡面土壤松散裸露，使得沟槽侵蚀量较大。因此在该区应减少对农地的休闲，已休闲的土地应进行植被恢复。

侵蚀沟宽深比是反应沟蚀形态的一项重要指标[22]。休闲地、农地和撂荒地浅沟沟槽平均宽深比分别为1.1、1.45和1.15，且宽深比均大于1，表明不同土地利用类型坡面浅沟沟槽沟壁的横向拓宽速率大于沟底的下切速率；其中农地的横向侵蚀速率较大，其宽深比是休闲地和撂荒地的1.32和1.26倍。差异性检验可知，休闲地和撂荒地浅沟沟槽宽深比均与农地呈显著性差异（P＜0.05）。

图4 不同土地利用类型浅沟沟槽形态特征Fig.4 Morphological characteristics of ephemeral gully groove in different land use types

2.3 不同坡段浅沟沟槽平均宽深比和体积变化

将所测浅沟长度按上中下均分为 3等份，分别统计出休闲地、农地和撂荒地在各部分的平均宽深比和平均侵蚀体积变化情况，如图5所示。3种土地利用类型条件下，坡面各位置浅沟沟槽宽深比均大于1，表明，此次暴雨导致岔巴沟流域各坡面浅沟沟槽的发育特征从上到下整体上均为横向拓宽作用大于沟底下切作用；且均为中段宽深比最小，即中段浅沟沟槽的横向侵蚀速率低于上下两个坡段，而下切作用要高于上下两个位置。其中，休闲地和农地的宽深比均为上段＞下段＞中段，相较于中段，休闲地和农地上段和下段宽深比分别高出 5.36%、0.69%和35.07%、16.04%；而撂荒地坡面浅沟沟槽的宽深比为下段＞上段＞中段，相对于中段宽深比，下段和上段分别高出6.74%和10.32%。

统计结果显示，3种土地利用类型浅沟由上段到中段至下段，浅沟沟槽体积依次均为递增趋势；其中休闲地浅沟沟槽由上坡到中坡位置至下坡位置，体积分别增长11.71%和 3.8%、农地增长 7.52%和 9.46%、撂荒地增长14.48%和3.9%。导致此种现象的原因是在黄土高原地区，上坡位置坡度较中下坡要缓，下坡段坡度相对较大[7,23]，越往下坡位置坡面汇水面积越大，径流越集中，从而径流流速越大，侵蚀能力随之加强，导致侵蚀量变大[24-25]。

图5 不同坡段浅沟沟槽平均宽深比和平均体积变化情况Fig.5 Average width-depth ratio and average volume change of ephemeral gully groove in different slope sections

2.4 浅沟沟槽断面特征的表征

定量描述侵蚀沟形态，对于进一步认识沟谷演变规律，估算侵蚀量具有重要意义。赵春红等[26]将 ξ作为区分不同侵蚀沟之间的一个定量指标，认为浅沟沟槽断面特征值 ξ应在 1.92～7.83之间变化。基于此本文计算了“7∙26”暴雨岔巴沟流域各土地利用坡面浅沟沟槽断面的值，分级结果如图6所示。1）岔巴沟流域休闲地、农地和撂荒地3种坡面的值分别位于0.95～3.53、0.75～3.79和0.99～4.33之间，均值分别为2.34、2.11和1.64；其中，休闲地和农地的ξ值主要集中分布在1～3之间，累积频率分别为90.32%和84.31%，且休闲地和农地ξ值在 2～2.5范围内的比例最大，分别占比 32.9%和27.45%；而撂荒地值集中分布在1～2之间，累积频率达78.26%，其中ξ值在1～1.5范围内的比例最大，为60.87%。2）从均值来看，本研究中休闲地和农地的ξ值在赵春红等研究的结果之内，而撂荒地的值略小于该研究结果。造成此种差异的原因是土地利用类型的差异[27]；赵春红等研究的浅沟沟槽分布在裸露的坡耕地上，而本研究中所调查的撂荒地与之不同，其中撂荒地经退耕还林等其他恢复措施，坡面植被生长良好，因此在经过径流冲刷坡面浅沟沟槽时，由于受植被因子的限制而自发调整沟槽断面参数的大小和形状[28]，且随着植被覆盖度的增加断面宽深比将减小[22]。另外，赵春红等研究发现浅沟沟槽断面形态受土壤性质的影响。本文中相对于农地的常年翻耕和施肥导致农地土壤容重更小且土壤更疏松多孔，撂荒地的土壤容重更大，土壤黏结性更好，加上植被本身就具有改善土体的作用[29-30]，从而使撂荒地的土壤疏松程度与农地差异较大，进而对浅沟沟槽断面的发育影响较大，而撂荒地的植被大于其他坡面，从而使撂荒地值相对最小。因此，在表征浅沟沟槽断面宽深比变化特征时应充分考虑坡面的植被、土壤性质等因素。

图6 岔巴沟流域浅沟沟槽断面特征值ξ的分布Fig.6 ξ distributions of ephemeral gully groove in Chabagou watershed

2.5 不同土地利用类型浅沟沟槽侵蚀体积估算

由图 7可知，休闲地、农地和撂荒地坡面，浅沟沟槽体积与坡面坡度和沟槽宽度、深度之间呈极显著（P＜0.01）的指数函数、幂函数和线性函数关系；其中，撂荒地与坡度、宽度、深度和长度等因子均呈极显著（P＜0.01）的指数函数关系；农地除与宽度呈极显著（P＜0.01）的指数函数关系外，与坡度、深度和长度均呈极显著（P＜0.01）的幂函数关系；而休闲地则与坡度和浅沟长度呈极显著（P＜0.01）的线性关系，与浅沟沟槽宽度、深度之间呈极显著（P＜0.01）的指数函数关系。

图7 岔巴沟流域浅沟沟槽侵蚀体积与坡度和浅沟沟槽形态参数的关系Fig.7 Relationship between erosion volume of ephemeral gullies groove and gradient and ephemeral gullies groove morphological parameters in Chabagou watershed

综上，由决定系数R2的大小可知，相比文中其他影响因子，“7∙26”特大暴雨岔巴沟流域休闲地、农地和撂荒地坡面浅沟长度与浅沟沟槽侵蚀体积之间关系最优（R2=0.529、0.574和 0.857）；因此，3者浅沟沟槽侵蚀的体积分别可用浅沟长度的线性函数（y=0.301x-1.526）、幂函数（y=0.17x0.972）和指数函数（y=0.637e0.065x）关系进行估算。结果与 Stefano等[31]在意大利西西里岛调查得出浅沟侵蚀体积可用沟长的指数函数估算以及Capra等[32]研究得出浅沟沟槽侵蚀可用幂函数进行预测相似。但需注意的是，在利用该模型对岔巴沟流域“7·26”暴雨浅沟沟槽侵蚀体积进行估算时，各土地利用下的浅沟沟槽侵蚀体积估计值将会略小于实测浅沟沟槽侵蚀体积。

3 结 论

本文以黄土高原“7∙26”特大暴雨岔巴沟流域为研究对象，通过对其中12小流域样点不同土地利用类型坡面（休闲地、农地、撂荒地）浅沟侵蚀的调查，系统研究了在极端降雨条件下不同土地利用类型坡面浅沟沟槽发育特征及沟槽侵蚀体积的估算关系。结果表明：

1）“7·26”暴雨导致岔巴沟流域休闲地、农地和撂荒地浅沟沟槽侵蚀宽度集中分布在30～70 cm，累积频率均在90%以上，深度集中分布在20～60 cm，累积频率在82%以上，断面面积集中分布在0.05～0.25 m²范围，累积频率达 80.65%以上；浅沟沟槽平均宽度分别为46.46、47.41和43.11 cm，平均深度分别为47.11、36.06和41.47 cm，平均断面面积分别为0.23、0.17和0.19 m²，其中，休闲地坡面浅沟沟槽深度和断面面积均显著高于农地（P＜0.05）。

2）浅沟沟槽平均宽深比分别为 1.15、1.45和 1.1，其中农地平均宽深比显著大于休闲地和撂荒地（P＜0.05）；坡面由上到下，休闲地和农地的宽深比均为沟槽上段＞下段＞中段，撂荒地为下段＞上段＞中段，且宽深比均大于1，表明，此次暴雨导致岔巴沟流域各坡面浅沟沟槽的发育特征从上到下整体上均为横向拓宽作用大于沟底下切作用。

3）浅沟沟槽平均侵蚀体积分别为5.9、3.26和4.5 m³，发育在休闲地和发育在撂荒地上浅沟沟槽体积分别是农地的1.8倍和1.38倍，其中，休闲地浅沟沟槽侵蚀体积显著大于农地（P＜0.05）。

4）休闲地、农地和撂荒地浅沟沟槽侵蚀体积可分别用浅沟长度的线性函数（y=0.301x-1.526，R²=0.529，P＜0.01）、幂函数（y=0.17x0.972，R²=0.574，P＜0.01）和指数函数（y=0.637e0.065x，R²=0.857，P＜0.01）关系进行估算。