台风“利奇马”暴雨引发的土壤侵蚀调查研究——以山东省临朐县为例

从辰宇，韩剑桥，2，焦菊英，2，冯 伟，马春玲，谢梦霞，刘元昊，黑 哲，戈文艳，2，李连胜，王国振2，，王 飞，2

（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，陕西 杨凌712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；3.水利部水土保持监测中心，北京100000；4.中国科学院大学，北京100000；5.潍坊市水文局，山东 潍坊261000）

在全球气候变化背景下，极端天气可能频繁出现。如何应对极端暴雨条件下的土壤侵蚀灾害是中国乃至世界未来长期时间内需要面对的新问题［1］。实地调查极端暴雨影响下的土壤侵蚀特征及其原因，探寻水土保持在应对极端天气中存在的问题，对减轻极端暴雨条件下的土壤侵蚀灾害具有重要意义。

受2019年8月9号台风“利奇马”和冷空气的共同影响，山东省遭受了极端暴雨灾害。从8月11日20时至12 日16 时，潍坊市临朐县降水量385.4 mm，昌乐县降水量380.1 mm，青州县降水量351.9 mm，广饶县降水量343.9 mm，以及临淄、淄川、博山县等地均突破了当地单日降水极值纪录［2］。特大暴雨对该地区的农业、交通、基础设施等造成了重大损失，截至8月14日10时，“利奇马”台风共导致山东省5.03×106人受灾，4.13×105人紧急转移安置，8 000余人需紧急生活救助；6 700 余间房屋倒塌，1.60×105间房屋不同程度损坏；农作物受灾面积6.43×105hm2，其中绝收4.95×104hm2；直接经济损失9.01×109元［3］。位于暴雨中心的临朐县灾害更为严重，其农地、道路土壤侵蚀剧烈。“利奇马”台风暴雨为研究极端暴雨下的土壤侵蚀灾害提供了一个典型案例。为此，本文选取暴雨中心附近的临朐县曾家沟与耿家沟为代表性流域，于2019年8月15—22日进行了土壤侵蚀调查，旨在分析极端暴雨下的土壤侵蚀特征及水土流失治理中存在的问题，为极端暴雨下土壤侵蚀灾害的防治提供科学依据。

1 研究区概况

研究区临朐县隶属山东省潍坊市（北纬36°04′—36°37′，东经118°14′—118°49′），位于山东半岛中部，沂山北麓，属典型的北方丘陵轻度侵蚀区，暖温带亚湿润大陆性季风气候，多年平均降水量592 mm。临朐县总面积1 831 km2，辖8个镇，2个街道；2018年总人口9.26×105人。弥河由南向北穿临朐县境而过，境内流域面积1 438 km2，占临朐县总面积的78.5%［4］。“利奇马”台风暴雨在弥河流域汇集，导致弥河干流洪水峰高量大，造成下游寿光市堤防决堤，导致了严重的洪水灾害。

治理程度较低的曾家沟和治理程度较高的耿家沟小流域，地处弥河上游，位于暴雨中心附近，受降雨影响最大，对于土壤侵蚀研究极具代表性（图1）。该区域内沟道纵横，比降大，沟壑密度1.7 km／km2，沟壑面积占总面积的1.61%，流域内土壤类型主要是棕壤和棕壤性土。该流域成土母质为花岗片麻岩，土层厚度一般50 cm 左右，层次不明显，含砾石较多，下部为半风化的母岩［5］。土壤空隙度大，透水透气性好，有机质含量低，酸碱性由中性到微碱性，土壤胶结力弱，易被雨水冲刷，造成水土流失。同时由于受地形、地质、地貌等自然条件的影响，加之人为不合理的开发利用，水土流失现象时有发生。

图1 研究区雨量站位置及调查样点土地利用类型

2 数据来源与研究方法

（1）降雨资料。由山东省潍坊市水文局收集了曾家沟、花峪与辛庄子雨量站在2019年“利奇马”台风过境期间的降雨资料，以及辛庄子雨量站1976—2017年的24 h最大降雨量。雨量站位置如图1所示。通过2019年的降雨资料，分析该次暴雨的降雨过程，并根据有资料的辛庄子雨量站，采用皮尔逊Ⅲ型曲线计算该次暴雨中24 h最大降雨量的重现期［6］。

（2）坡面侵蚀资料。通过布设样带／样方对两个小流域内坡面不同土地利用（梯田、林草地、撂荒地）及作物类型（山楂、苹果、板栗、玉米、花生等）的侵蚀情况进行调查与测量，并记录样方的经纬度、坡度、作物种类及其盖度。共调查了20个样地，其中撂荒地4个，农用地13个，林草地3个。样地位置如图1所示。对于每类土地利用的样地，布设长度为10 m 的断面，由坡上一直测到坡下［7］。若是连续的梯田阶群，对于田坎上的细沟或滑塌也进行测量，样地的分布及具体情况见表1。对于比较小的坡地，选择了2 m×2 m的小样方（个别小田块采用1 m×1 m 进行测量，表1中的样地A16-18）。对于样地的每条细沟，每隔0.2 m 测量一个断面，由坡上到坡下依次量取各断面内的宽度和深度；对于田坎上的滑塌或切沟，根据坡长、坡度以及测量的难易程度测量3～5个断面不等。结合无人机影像统计的小流域内不同类型农地的面积，采用容积法计算侵蚀量和侵蚀模数［8］。容重根据文献［9］取1.36 g／cm3。

表1 台风“利奇马”暴雨的土壤侵蚀调查样地布设情况

道路侵蚀采用抽样调查的方法，调查区域以曾家沟为主，选择了两条生产道路，以20 m 为单位长度测量沟蚀的规模，每间隔0.5 m 测量一个断面。第一条道路分为了4个路段，第二条道路分为了3个单位进行测量，并在奥维地图定位。在侵蚀模数计算时，路面土壤容重采取1.7 g／cm3，测量区段道路的面积是利用奥维地图勾画出测量区边界获得，以此计算侵蚀模数。

对于河道冲淤，针对弥河黄山水文站控制区域的河床冲变化情况，共布置样点4 个。采用现场测量和无人机拍摄相结合调查方法开展调查，采用植物根茎或水泥面定位该次暴雨的淤积厚度。

3 结果与分析

3.1 “利 奇马”台风暴雨过程

图2为曾家沟、花峪、辛庄子水文站在该次暴雨期间（20190810—20190813）的暴雨过程线。暴雨开始于20190810上午9：00 左右，持续将近48 h，直至20190812日上午8：00才基本停止。其中曾家沟为暴雨中心，瞬时最大雨强为240 mm／h，24 h最大降雨量为450 mm，累积降雨量达到576 mm。花峪与辛庄子累积降雨量分别为552 mm 和502 mm，低于暴雨中心曾家沟。辛庄子雨量站24 h 最大降雨量为405 mm，根据皮尔逊Ⅲ型曲线计算频率，重现期达到了50 a一遇（图3）。

3.2 坡面侵蚀特征

3.2.1 不同土地利用类型的细沟侵蚀特征 对于撂荒地与林草地，由于土壤扰动小，植被覆盖良好，能很好抵御该次暴雨侵蚀，无细沟侵蚀发生。如耿家沟杨树林坡面的覆盖度达到90%，撂荒地的植被覆盖度25%～80%不等，并有一定的生物结皮，基本没有细沟侵蚀（图4）；在曾家沟选取的4阶撂荒梯田及其他两处撂荒梯田，田面在该次暴雨下均没有产生细沟侵蚀（图5）。

图2 20190810－20190813曾家沟、花峪与辛庄子雨量站累积降雨量过程

图3 辛庄子雨量站24 h最大降雨量频率曲线

图4 耿家沟的杨树林（左，马春玲摄于20190819）和梯田撂荒地（右，焦菊英摄于20190819）

选取的13块不同类型的农地在该次暴雨下田面细沟侵蚀的情况如表2所示。调查小流域坡耕地比例很小，以3～5 m 宽的梯田为主，且坡耕地坡长较短、梯田田面较窄。5块坡耕地有细沟发育，平均长度变化在1.1～2.8 m，平均宽度0.2～0.3 m，平均深度0.05～0.09 m，细沟侵蚀模数4 560～19 500 t／km2。细沟发育与坡耕地的位置密切相关，样地A6，A9，A16在坡顶，坡度小，汇水面积也小，细沟侵蚀模数分别为6 200，4 560和7 000 t／km2；而坡度大，上方有一定汇水面积的玉米地细沟侵蚀模数接近20 000 t／km2（图6）。

表2 台风“利奇马”暴雨引起的不同地类农地细沟侵蚀特征参数

图5 曾家沟撂荒地（焦菊英摄于20190818）

图6 坡耕地玉米地的细沟侵蚀（焦菊英摄于20190818）

而对于梯田，大多数情况下坡面没有细沟发生，一般是在承接上方汇水的田面会产生细沟。例如A5样地，是一片苹果园，包括5～6阶梯田和坡面冲沟地段，二者相连一起，梯田部分有使用除草剂后的枯草覆盖，田面没有细沟发生；而在凹形坡面承接上方道路汇水的部位，细沟长度可达24.38 m，甚至在下方发育成切沟（图7），整块苹果园的细沟侵蚀模数为4 806 t／km2。A7样地为10阶梯田花生，在第4阶以下由于汇水造成田面细沟发生，在第5阶以下的地边发育有切沟，田坎滑塌严重（图8），样地细沟侵蚀模数为1 600 t／km2。A8样地为8 阶的山楂园，由于上方汇水面积大并有滑坡发生，上方汇水造成田面和树盘边有细沟发生（图9），样地细沟侵蚀模数为1 418 t／km2。

图7 苹果园地侵蚀（焦菊英摄于20190819）

图8 梯田花生地侵蚀（焦菊英摄于20190819）

图9 梯田山楂地侵蚀（焦菊英摄于20190817）

3.2.2 不同土地利用类型的田坎滑塌特征 在该次暴雨中，梯田田坎滑塌严重（图10）。调查样地滑塌的平均长度1.1～5.6 m，平均宽度0.7～6.4 m，平均厚度0.2～0.5 m，样地田坎侵蚀模数在301～36 321 t／km2（表3）。

田坎滑塌最轻的是A10样地，上面7 阶梯田种植丹参，下面两阶梯田种植红薯，该梯田群为坡改梯工程，整地质量比较高，仅有1 处滑塌。花生地均为覆膜种植，地膜在地面形成一个不透水层，雨水的入渗量有限，大多随地形走势在地面汇集形成股流，造成田坎滑塌严重（图11），最大的侵蚀宽度大6.9 m。A11的山楂与A12的玉米样地的田坎滑塌也很严重（附图31a，31b），滑塌侵蚀模数达10 000～12 000 t／km2。

对于撂荒梯田，田坎基本上完好，只是在曾家沟选取的4阶撂荒梯田中仅有一阶梯田的田坎发生1处滑塌（长4.7 m，宽1.4 m，厚0.353 m）堆积在下一阶田面。

图10 曾家沟（左）和耿家沟（右）的田坎滑塌（焦菊英摄于20190818）

表3 台风“利奇马”暴雨引起的不同地类农地的田坎滑塌侵蚀特征

3.3 道路侵蚀

表4统计了曾家沟小流域生产道路侵蚀情况。曾家沟的生产道路主要分布在耕地和园地中间，多为土石路面，基本无路边沟等排水措施。暴雨过程中道路充当了坡面的排水通道，侵蚀严重，甚至基岩出露（附图31c）。测量区域内道路平均侵蚀宽度为3.05 m，平均侵蚀深度为0.655 m，平均侵蚀模数为28 391.29 t／km2，其中最大的侵蚀模数为71 490 t／km2，最小的侵蚀模数为4 816 t／km2。承接上方汇水较多的部位，有切沟形成。在耿家沟小流域内排水措施较为完备的区域，降雨和耕地里面的雨水会随着排水沟流走，道路侵蚀轻微（附图31d）。

图11 花生地的田坎滑塌（谢梦霞摄于20190819）

表4 台风“利奇马”暴雨引起的曾家沟道路侵蚀参数统计结果

在进入曾家沟村的硬化路面，虽外表结构完整并无塌陷损毁。但因紧邻沟道，在沟内暴涨水流的掏蚀下，部分道路的路基被冲毁，其中最严重冲毁路基被冲出一个长11 m，深1.07 m，高0.85 m 的凹穴，调查期间车辆已不能通过（图12）。耿家沟临河水泥路路基采用浆砌石守护，基本无路基掏蚀现象发生。

因此，道路侵蚀展现了路面汇流侵蚀与路基掏蚀两种形式，而有坡面排水措施与路基守护的道路侵蚀强度较弱。

图12 暴雨后被掏刷的水泥路路基（戈文艳摄于20190819）

3.4 河道冲淤

从调查结果来看，河道岸坡崩塌剧烈。因在弯顶处滩槽高程较大，且处于洪水顶冲位置，崩塌更为剧烈，符合河床演变的一般规律（如图13，附图31e，31f）。对比发现，实施了护岸工程等险工的部位，基本无崩塌。

图13 暴雨后弥河岸坡冲刷情况（韩剑桥摄于20190820）

河道回流区、两河交汇、拦河坝以及桥梁上游等淤积量较大。在河道凸岸回流区内，滩体淤积明显。如黄山水文站下游右岸的玉米地淤积深度达10.0 cm左右（表5）。两河交汇区域，由于洪水水流相互顶托，比降减小，汇流区域有淤积，如辛庄观测站河道淤积8.0～32.0 cm。拦河坝淤积较严重，淤积面基本与坝体高度平齐（如附图31g所示）。桥梁上游由于阻水作用，有泥沙淤积产生（如附图31h所示）。

表5 台风“利奇马”暴雨引起的主要河滩地的冲淤情况

4 结论

（1）关于坡面侵蚀。①林草措施具有抵御暴雨侵蚀的能力。台风“利奇马”暴雨中耿家沟与曾家沟的撂荒地、林草地均未发生细沟侵蚀，而农地的沟蚀和田坎滑塌侵蚀严重。建议加强农地田坎植被的培育与保护。②覆膜农地田坎滑塌侵蚀尤为突出。台风“利奇马”暴雨中覆膜花生地比玉米地的田坎滑塌侵蚀更严重，农地覆膜虽然减少了田面侵蚀，但提高了田面集流效率，在排水不畅条件下，汇水造成田坎部位强烈的切沟和滑塌侵蚀。建议在雨季对覆膜进行清理并妥善处理。③排水措施完善的地方土壤侵蚀弱。台风“利奇马”暴雨中没有排水措施的A11山楂地的侵蚀模数是修建了截排水沟A5苹果地的2倍。建议针对不同部位和利用的土地设计并修建适宜的蓄排水措施，与流域形成相互连通蓄排水网络系统。④采用适宜农艺措施（如排水沟、方形树盘、使用除草剂保留枯草覆盖、石坎、植被田坎等）的农地，土壤侵蚀明显较弱。建议在配套基础蓄排水措施的同时，加强对农民的水土保持型农艺措施培训，平时注重田面、田坎、排水措施、道路等的维护与管理。⑤本次调查区在土石山区，土壤为粗骨土，台风“利奇马”暴雨中细颗粒随片蚀流失，砾石存留在土壤表面，加重了土壤的粗骨化。建议加强田面保护，修筑田埂并配置植物篱。

（2）关于道路侵蚀。①无排水措施道路径流侵蚀严重。耿家沟修建有水泥排水沟的道路几乎完好无损。建议选择合适草灌植物种植在边坡，沿道路内测边坡设置排水沟以此来减弱坡面上方汇集雨水冲刷路面。②临河道路路基易受洪水掏蚀。建议在路基处修建护坡工程，防止水流对路基的直接掏蚀，减轻暴雨过程中对基础设施的损毁，保障防汛救灾工作的顺利开展。

（3）关于河道冲淤。①暴雨洪水中，河道岸坡尤其弯顶处崩塌严重，易引发河势变化，导致堤防破坏，涉河建筑物运行困难等问题，建议增加河道险工数量，优化河道险工布局。②拦河坝、桥梁上游等涉河工程上游及下游附近淤积严重，拦河坝上游淤积甚至高于坝顶高程，淤积影响河道行洪。建议优化建筑物结构，减低涉河建筑物壅水高度和回水范围，并提出有效的运行策略，提高河道防洪能力。③河流交汇处干支流相互顶托，造成泥沙沉积，影响河道行洪。建议修建工程设施引导两河水流，避免河道淤积削弱行洪能力。

致谢：本次考察由水利部水土保持监测中心组织并资助，谨此致谢！