2016年“8·17”暴雨西柳沟土壤侵蚀产沙量分析

杨吉山 史学建 侯素珍 李莉

摘要：内蒙古“十大孔兑”之一的西柳沟流域土壤侵蚀十分严重，是黄河粗泥沙的重要来源区。发生在2016年8月的“8.17”暴雨的中心区域在西柳沟流域中上游，为了解“8·17”暴雨洪水过程中的土壤侵蚀和产沙情况，利用淤地坝实测淤积资料和通用土壤流失方程分析计算了西柳沟龙头拐水文站以上流域的坡面侵蚀产沙量、沟道侵蚀产沙量和土壤侵蚀强度等。结果表明：“8·17”暴雨洪水中流域侵蚀产沙总量为893.80万t，其中坡面产沙量为477.56万t、沟道产沙量为416.24万t，平均侵蚀强度为7 672.10t/km2.淤地坝拦沙量380.80万t，龙头拐水文站输沙量为539.00万t。该次暴雨洪水的侵蚀强度和侵蚀产沙量与历史典型暴雨洪水的相比明显变小，说明近年来西柳沟流域水土保持措施取得了显著效果。分析表明，沟道是西柳沟流域侵蚀产沙的重要地貌部位，淤地坝在该次暴雨洪水中发挥了重要的拦沙作用。

关键词：“8. 17”暴雨;土壤侵蚀;坡面侵蚀;沟道侵蚀;产沙量;通用土壤流失方程;西柳沟流域

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j .issn.1000 - 1379.2020.01.017

1 研究背景

西柳沟是内蒙古“十大孔兑”之一，发源于内蒙古鄂尔多斯市东胜区柴登镇宗兑村张家山，向北注入黄河。西柳沟河道全长106.5 km，流域面积1 356 km2.其中龙头拐水文站以上集水面积1165 km2，从行政区划上看除最上游小部分流域属于东胜区外，其他约83%的流域属于达拉特旗。西柳沟流域沟壑密度为3 -4 km/km2，多年平均降水量271.2 mm，多年平均径流量1.372亿m3，多年平均输沙量2 710万t[1]。从地貌上看，西柳沟自南向北穿越三个地貌单元，上游是砒砂岩丘陵沟壑区，中游是库布齐沙漠，下游是河口冲积扇。

西柳沟流域处于砒砂岩、风沙分布区，土壤侵蚀十分严重，是黄河粗泥沙的重要来源区。据统计，在1958-2010年的53 a间，西柳沟先后发生过15次较大的山洪灾害和7次洪水泥沙堵塞黄河的重大事件[2]。西柳沟流域水土保持综合治理始于20世纪60年代，但在90年代以前因投入少、治理规模小而收效甚微[1].从1999年开始流域内实施退耕还林还草、淤地坝建设等水土保持综合治理措施，逐渐取得显著的效果[3]。近年来西柳沟流域土壤侵蚀强度显著降低、入黄沙量显著减少[4].不少学者对其水沙变化的原因进行了探讨[1.3-4]，但是由于土壤侵蚀、水沙变化原因非常复杂，因此对诸如坡面和沟道对产流产沙的贡献、在极端暴雨条件下可能的侵蚀产沙量及泥沙来源等还没有较为一致的认识。

2016年8月16日至18日，内蒙古鄂尔多斯市出现了一次强降水过程（暴雨时段主要发生在8月17日，简称“8·17”暴雨），西柳沟流域中上游位于该次暴雨的中心区域（见图1）。由山洪预警平台降雨量监测资料可知，该次暴雨24 h降雨量超过100 mm的监测站点有33个，其中高头窑站降雨量达404 mm。受此次降雨的影响，西柳沟出现了1989年以来的最大洪水，龙头拐站洪峰流量2 760 m3/s（出现在8月17日15时）、最大含沙量为149 kg/m3、输沙总量为539万t。此次降雨为研究当前下垫面和极端暴雨条件下西柳沟流域土壤侵蚀强度、泥沙来源等提供了条件。

2 研究方法

2.1 典型坝控小流域侵蚀产沙量测算

在“8·17”暴雨发生后的当年10月及次年5月，在西柳沟流域选择了6座没有（或仅有少量）泥沙排出的典型淤地坝，采用剖面法对坝库中泥沙淤积量进行了详细的实地测量，结果见表1。

由于坝控小流域沟道比较短，沟道对泥沙的调蓄作用不大，因此可以认为这些壩库的拦沙量即坝控流域的侵蚀产沙量。人工实地测量沟道下切侵蚀的平均深度和侧向侵蚀的平均宽度，通过无人机摄影分析沟道的数量、长度等指标，进而估算了该次暴雨洪水造成的沟道侵蚀量。

2.2 西柳沟流域坡面产沙量计算

西柳沟流域土壤侵蚀产沙包括坡面侵蚀产沙和沟道侵蚀产沙，采用通用土壤流失方程（ USLE）计算坡面产沙量。USLE科学地考虑了土壤侵蚀的主要影响因素，但是由于目前还存在一些不能量化的因素，在一个比较大的流域内对植被覆盖、耕作、管理等因子的平均状况等进行准确赋值还存在困难，在计算单次暴雨的产沙量时可能产生较大的误差。因此，用上述6个典型淤地坝控制小流域坡面产沙量的实测数据对模型参数进行校正，然后用于西柳沟流域坡面侵蚀产沙量的计算。USLE模型的形式为结果进行校正。

（3）坡长因子L和坡度因子Js的计算。根据分辨率为30 m的NDVI数据，采用Van Remortel等[9]提出的方法计算坡长和坡度，采用LIU等[10-11]提出的公式计算坡长因子L和坡度因子Js。坡长因子L计算公式为

（5）植被覆盖因子C的计算。西柳沟流域坡面主要植被类型为耐旱的稀疏草本和小灌木，夏季地面植被枯落物很少，因此在此主要考虑植被覆盖对土壤侵蚀的影响，采用归一化植被指数（ NDVI）计算植被覆盖因子C[12-13]：

（7）水土保持措施因子P的计算。USLE中的P值是某种水土保持措施下的土壤流失量与顺坡耕作条件下土壤流失量的比值，水土保持措施主要包括等高耕作、垄作和梯田等。西柳沟流域梯田很少，P值计算主要考虑农田等高种植、田埂等对土壤侵蚀的影响。经过试算，确定农田P值取0.55.其他土地利用类型P值取1。计算采用的土地利用类型数据来自中国科学院资源与环境科学数据中心网站（ http：∥www.re sdc.cn/），分辨率为1 000 m。

2.3 西柳沟流域淤地坝拦沙量的计算

西柳沟流域有107座淤地坝，这些淤地坝修建于1993-2013年。达拉特旗水土保持局分别于2015年汛后和2016年汛后对西柳沟流域淤地坝累计淤积量进行了测量，两次测量结果分别为265.73万、558.65万m3（见表2）。2016年淤积量主要是由“8·17”暴雨造成的，因此可以认为西柳沟流域淤地坝在“8·17”暴雨中的拦沙量为2016年与2015年两次测量值之差，即292. 92万m3，按照1.3g/cm3的容重计算，为380.80万t。

3 计算结果分析

3.1 坡面侵蚀强度

采用上述公式计算6个典型淤地坝坝控小流域坡面侵蚀产沙量，与实测侵蚀产沙量的关系见图2.可以看出二者的相关关系较好，因此可以用上述公式计算西柳沟全流域坡面侵蚀产沙量。

采用上述公式和ArcMaD软件计算西柳沟流域各栅格单元（尺寸为30 mX30 m）的土壤侵蚀强度，并利用图2中建立的坡面土壤侵蚀产沙量实测值与计算值之间的关系式对计算结果进行校正，得到西柳沟流域侵蚀强度分布图（见图3）。统计计算得到龙头拐水文站以上流域平均坡面侵蚀强度为4 099.23 t/km2、坡面侵蚀产沙量为477.56万t。

从该次暴雨中土壤侵蚀强度的分布看，中部区域侵蚀强度最大，向上下游两端侵蚀强度逐渐减小，这与降雨强度的分布基本一致。从西柳沟流域龙头拐以上流域看，北部是库布齐沙漠，由于沙地雨水入渗快，不易形成地面径流，因此沟道稀少，水力侵蚀量比较小，以风蚀为主;中部为盖黄土砒砂岩区，上覆沙黄土层厚度从北部的1-2 m减小到南部的十几厘米，上面的沙土利于雨水入渗，而下伏的砒砂岩入渗率小，有利于沟道发育，水力侵蚀和重力侵蚀都很严重，呈现出沟深坡陡的地形;南部区域砒砂岩出露，沟道较稀疏，水力侵蚀和重力侵蚀都不及中部强烈。此次暴雨中心正好落在土壤侵蚀严重的中部区域，这是造成土壤侵蚀强烈的原因。

3.2 沟道侵蚀产沙量

根据如下公式估算溝道侵蚀产沙量：

“8·17”洪水期间西柳沟流域有10座淤地坝被冲毁，根据实地观测资料估算，冲毁的坝体、坝内泥沙总增沙量为26万t。根据实地观测，“8·17”洪水过后主河床稍微有所冲刷，而河漫滩上有薄层泥沙淤积，总体估算河床处于冲淤相对平衡状态，即河床冲淤量可以忽略不计。龙头拐水文站实测输沙量为539. 00万t，淤地坝拦沙量为380.80万t.由此可以计算得到龙头拐以上流域侵蚀产沙总量为893.80万t。上述模型计算的坡面侵蚀产沙量为477.56万t.可以计算得到沟道侵蚀产沙量为416.24万t。西柳沟龙头拐以上流域在“8·17”洪水期间侵蚀产沙量平衡计算结果统计见表3。

3.3 讨论

（1）由上述计算结果可知，“8·17”暴雨过程造成西柳沟龙头拐以上流域侵蚀产沙总量为893.80万t，侵蚀产沙模数约为7 672.10 t/km2.可见在此次暴雨过程中土壤侵蚀还是很强烈的。这一点从淤地坝拦沙量也可以看到，2016年以前西柳沟流域淤地坝总拦沙量为265.73万m3.而“8·17”暴雨造成淤地坝拦沙量为292.92万m3，根据西柳沟淤地坝建设的时间分布估算，本次暴雨造成的土壤侵蚀量相当于此前6-7 a土壤侵蚀量之和。但是与过去几十年西柳沟发生的典型暴雨相比，“8·17”暴雨洪水过程呈现出降雨量大、洪峰小、输沙量小的特点，例如与1989年、1966年、1973年发生的暴雨相比，本次降雨量最大，但是洪峰流量、最大含沙量、输沙量小得多（见表4），反映出近年来退耕还林、禁牧、淤地坝建设等水土保持措施的减沙效益十分显著。

（2）在“8·17”暴雨洪水造成的侵蚀产沙总量中，有接近一半（46.6%）的泥沙来自沟道侵蚀，沟道侵蚀的部位包括沟头溯源侵蚀、沟道的下切侵蚀和沟岸崩塌等。雨后现场调查中，我们看到几乎所有的沟头都发生了溯源侵蚀，下切侵蚀主要发生在纵比降较大的支沟，发生沟岸崩塌的部位很多，因此可以认为沟头侵蚀和沟岸崩塌是该次暴雨洪水中沟道侵蚀泥沙的主要来源。另外，大雨后土壤含水量增大，经过冬季的冻融风化过程，第二年春季在沟道可见到大量的重力侵蚀堆积物，为下一次暴雨洪水提供了丰富的泥沙来源，也说明沟道中原来堆积的土体也是该次暴雨洪水泥沙的重要来源。

（3）西柳沟流域淤地坝控制面积262.65 km2，占龙头拐以上流域面积的22.55%.但是在“8·17”暴雨洪水过程中淤地坝拦沙量占侵蚀产沙总量的42.6%.可见即使不计淤地坝排出的沙量，淤地坝拦沙模数也是龙头拐以上流域平均侵蚀强度的1.89倍。这主要有两方面的原因：首先，西柳沟流域淤地坝主要分布在上游中下部的左侧区域，这一区域正好是“8·17”暴雨强度比较大的区域;其次，淤地坝的选址一般都在土壤侵蚀严重的区域，而土壤侵蚀严重的原因是土壤抗蚀性较弱、沟头等地形陡峭、重力侵蚀活跃。因此，利用坝控流域推算全流域的土壤侵蚀强度一般会偏大，这种情况在其他流域也存在。

4 结论

利用淤地坝实测淤积资料和通用土壤流失方程分析计算了西柳沟龙头拐水文站以上流域的坡面侵蚀产沙量、沟道侵蚀产沙量和土壤侵蚀强度等，结果表明：在“8·17”暴雨洪水中流域侵蚀产沙总量为893.80万t、平均侵蚀强度为7 672.10 t/km2，相当于此前6-7a土壤侵蚀产沙总量，可见该次暴雨导致的土壤侵蚀强度是偏大的，但与历史上典型暴雨造成的侵蚀强度相比明显变小，说明近年来西柳沟流域水土保持措施取得了显著的减蚀效果;“8·17”暴雨过程中西柳沟龙头拐以上沟道产沙量为416. 24万t，占流域总产沙量的46.6%，沟道是西柳沟流域侵蚀产沙的重要地貌部位;“8·17”暴雨洪水过程中淤地坝拦沙量为380.80万t，占侵蚀产沙总量的42.6%，淤地坝发挥了重要的拦沙作用。

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【责任编辑 张智民】

收稿日期：2019-08-17

基金项目：国家重点研发计划项目（ 2016YFC0402408）;黄河水利科学研究院基本科研业务费专项（HKY-JBYW- 2017 - 16）

作者简介：杨吉山（1969-），男，河南开封人，高级工程师，博士，主要从事水土保持研究工作