澜沧江糯扎渡水库消落带土壤侵蚀特征研究

邓 杨，刘志强，钟荣华**，王 飞

(1.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明650500；2.中国电力建设集团有限公司 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州311122；3.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041)

澜沧江-湄公河是亚洲著名的国际河流，流域范围涉及中国、老挝、缅甸、泰国、越南和柬埔寨6国，其中中国境内的澜沧江长2 130 km，集中了总干流落差的91%，水能资源蕴藏特别丰富，理论蕴藏量达2 550×104kW，是我国重要的水电能源基地之一[1-2].为充分开发利用澜沧江水能资源，目前已在其干流云南省境内规划建设梯级电站14级，总装机容量达到2 445.5×104kW[3].其中乌弄龙、里底、黄登、大华桥、苗尾、功果桥、小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡和景洪11个电站已建成投产.电站的运行和水库的调节将在库区形成大面积的水位消涨区域，即水库消落带[4-5].该区域是水库系统的重要组成部分，具有独特的生态功能效应和社会经济效益，其生态健康与否是库岸稳定和水库安全运行的重要保障，直接关系着库区社会经济的可持续发展[6].

水库消落带作为陆地生态系统和水域生态系统之间的交错区域，具有水域和陆地双重属性，是水库周围泥沙、有机物、化肥和农药等进入水域的最后一道生态屏障，对水陆生态系统起着廊道、过滤器、屏障等作用，在保持生态系统动态平衡、维持生物多样性、生态安全、生态服务价值等方面具有重要功能[7-8].在库水浸泡、径流冲刷、涌浪淘蚀、降雨击溅和干湿交替的综合作用下，消落带地表植被和土壤被严重干扰[9-10].由于库水长期淹没，造成消落带植被缺氧、光照不足，进而逐渐消亡，且短期内难以恢复，土壤失去其最好的保护伞，极易发生侵蚀和流失[11].在库区波浪、降雨径流和重力的综合作用下，水库消落带的土壤侵蚀异常强烈，严重影响库岸稳定性，导致滑坡、塌岸等地质灾害频繁发生[12].水库消落带剧烈的土壤侵蚀不仅降低土壤质量，影响消落带植被恢复，破坏拦沙截污的生态服务功能，威胁水库水质安全，而且造成库岸持续后退并加剧库岸的失稳，影响库区周边居民生产生活、城镇安全及水库运行[13].

澜沧江干流水电开发产生的一系列的生态环境问题，已经受到国内外广泛关注[14-18].然而，对水库运行形成的消落带生态环境改变则关注较少.尽管近年来有学者已经对漫湾大坝上下游消落带的土壤质量退化[19]、土壤重金属污染[20-21]、沉积物磷形态分布[22]和沉积物中有机碳的时空变化特征[23]进行过探讨，对澜沧江小湾水库消落带的空间分布特征进行了分析[24]以及对其崩塌滑坡情况作过初步调查[25]，然而对澜沧江干流水库消落带的土壤侵蚀问题却少有研究和报道.

本研究选取澜沧江糯扎渡水库，在运用库区高精度遥感影像和地形图解译获取水库消落带空间分布特征的基础上，通过影像解译、野外调查、定位监测等手段，结合水库的水位波动规律，查明消落带土壤侵蚀主要类型，明确消落带土壤侵蚀强度及其空间分布特征，探讨消落带土壤侵蚀与土壤理化性质、地形地貌特征和植被覆被格局的关系.研究结果对客观认识澜沧江干流水库群消落带的土壤侵蚀规律具有重要借鉴意义，并可为指导澜沧江干流水库消落带的土壤侵蚀防治和植被恢复工作提供重要的参考依据.

1 研究区概况

糯扎渡水电站装机容量5 850 MW，保证出力2 406 MW，年发电量23 912×108kW·h，是澜沧江已建最大水利水电工程.水库正常蓄水位812 m，水库总库容237.03×108m3，汛期限制水位804 m、死水位765 m、调节库容113.35×108m3.坝址位于澜沧江下游普洱市思茅区和澜沧拉祜族自治县交界处，是澜沧江下游水电核心工程（图1）.库区淹没土地总面积329.97 km2，涉及普洱市的思茅区、澜沧拉祜族自治县、景谷傣族彝族自治县、镇沅彝族哈尼族拉祜族自治县、景东彝族自治县等县（区）；临沧市的临翔区、云县、双江拉祜族佤族布朗族傣族自治县的3个县（区）的32个乡（镇）[26].库区内地形陡峭，生态系统脆弱，加上水位落差大，消落带土壤侵蚀强烈.

2 研究方法

图1 糯扎渡库区位置图Fig.1 Location of the Nuozhadu Reservoir area

2.1 数据来源本研究主要利用糯扎渡库区30 m分辨率的ASTERG DEM V2提取消落带，并结合GF-1号和Google earth影像数据判识消落带的分布格局和土壤侵蚀特征. 其中DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）；GF-1号数据来源于2015年云南大学国际河流与生态安全研究院采购.

2.2 消落带空间分布特征提取利用糯扎渡水库最低水位765 m和最高水位812 m作为边界进行分割，并按照等距离的间隔（765～770 m、770～775 m、775～780 m、780～785 m、785～790 m、790～795 m、795～800 m、800～805 m、805～810 m和810～812 m，共10级）对不同高程范围的消落带面积进行计算.根据糯扎渡地质地貌特征和坡度划分标准，将糯扎渡消落带的坡度分为0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°及大于35°不同坡度，利用ArcGIS生成坡度图，再叠加糯扎渡库区行政区划图，获取糯扎渡水库消落带的空间分布特征.结合野外调查数据，分别对不同县域行政区、不同坡度、不同高程及澜沧江干支流的消落带面积分布进行统计分析.

2.3 消落带土壤侵蚀调查方法利用侵蚀针技术，野外定位观测糯扎渡水库消落带不同高程、不同坡度和不同植被覆盖条件下的土壤侵蚀强度，结合遥感影像解译和实地调查结果，查明消落带土壤侵蚀的主要形式和空间分布特征.采用侵蚀针法进行定量观测，以确定澜沧江干流和库湾消落带对不同坡面的侵蚀强度.2016年5月糯扎渡水库蓄水前在澜沧江干流布设了3个土壤侵蚀监测断面（坝前左岸南现村、水库中游右岸腊撒村、上游右岸景临大桥，分别记为G1、G2和G3），支流布设了2个监测断面（黑河汇入口右岸、黑河中游河边寨，分别记为J1、J2），监测断面G1、G2、G3、J1、J2布设点如图1所示.将侵蚀针布设在消落带（不同坡度、不同区位），第2年水位退落之后量取侵蚀针出露长度，得到消落带蓄水期土壤侵蚀深度；再次蓄水之前重新量取侵蚀针出露长度，与第1次量取值之差即为消落带成陆期土壤侵蚀深度.本研究采用40 cm长PVC管用作侵蚀针，对不同坡度（＜5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、＞35°）、不同地表覆盖类型（裸地、林地）和不同覆盖度的澜沧江干、支流消落带，按不同高程分带对比观测土壤侵蚀强度.每个监测断面间隔20 m共做3条监测样带，每条样带按5 m间隔内设置样方面积3 m×3 m侵蚀针监测小区，侵蚀针间隔1.5 m/根（图2）.为便于与非消落带区域进行侵蚀对照，在消落带上部5 m处再设置一个对照监测小区.每个水文年（本研究指消落带从最低水位直到下一次最低水位出现时间）分时间段做4次监测（为便于记录与计算，分别记为T1、T2、T3和T4，相应的侵蚀针出露长度分别记为L1、L2、L3和L4）.在水库蓄水前最低水位时（约4—5月，T1）将侵蚀针样方布设在上述监测地块，垂直水面砸入土中，出露地表15 cm（L1），并用红漆标识；雨季来临之前（约6—7月，T2）测量侵蚀针出露地面长度1次（记为L2）；雨季结束后（约10月前后，T3）测量侵蚀针出露地面长度1次（L3），L3减去L2即为雨季降雨径流侵蚀厚度（cm）；水位退落之后（约次年4—5月份，T4）再次量取侵蚀针出露长度（L4），与出露地表初始高度（L1）之差即为一个水文年时段内消落带总侵蚀厚度（cm）.侵蚀针布测点如图2所示.

2.4 统计分析方法首先，利用Excel制作原始数据图表，文中将原始数据导入SPSS软件对最大值、最小值、平均值、标准差进行描述性统计分析；其次，对数据（坡度和土壤侵蚀速率）进行线性回归和非线性回归分析等；最后，利用Originpro8.6软件分别对坡度、植被、土壤抗蚀性与土壤侵蚀速率之间的关系进行拟合分析.

图2 糯扎渡水库消落带土壤侵蚀监测点示意图Fig.2 Soil erosion monitoring site layout of Nuozhadu Reservoir

3 结果与分析

3.1 糯扎渡水库消落带空间分布特征糯扎渡水库消落带总面积达到129.9 5 km2（其中干流57.2 9 km2，支流72.6 6 km2）.糯扎渡水库消落带分布在云南省10个行政县（区），其中景谷傣族彝族自治县分布面积最大，达到52.8 3 km2，占比为40.4 2%.其次为澜沧拉祜族自治县，分布有28.4 0 km2，占比为21.7 3%（表1）.云县和景东彝族自治县分布面积较少.

表1 糯扎渡库区消落带分县（区）面积统计Tab.1 Area distribution of water level fluctuating zone in different countiesin Nuozhadu Reservoir

在海拔梯度上，消落带面积随海拔的降低呈现逐步减小的趋势.消落带面积在800～810 m之间分布较多，面积均在15 km2以上.就不同坡度而言，消落带主要分布在8°～15°和15°～25°坡度上，面积分别为46.50 km2和43.77 km2，两者之和占总面积的68%以上；8°以下平坡及缓坡消落带也占有一定比例，总面积约为29.12 km2；25°～35°的陡坡消落带面积分布有11.80 km2；坡度＞35°的急陡边坡分布较少，面积仅为1.17 km2（图3）.

图3 糯扎渡消落带不同坡度、不同高程面积分布Fig.3 Area distribution of water-level-fluctuating zone in Nuozhadu Reservoir with different slopes and elevations

3.2 糯扎渡水库消落带土壤侵蚀形式和不同库段土壤侵蚀特征消落带侵蚀营力主要包括波浪、降雨、径流和重力，侵蚀类型主要为水力侵蚀和重力侵蚀，其中水力侵蚀形式主要有涌浪侵蚀和坡面降雨径流侵蚀，重力侵蚀主要是崩塌和蠕滑[11].崩塌主要发生在土质岸坡上，并与土体的自重直接相关，其分布范围大，涉及岸线长.波浪侵蚀可分为层蚀、舔蚀和淘蚀，其区分在于波浪的大小及作用方向与坡面的关系.野外调查发现，波浪侵蚀是消落带库岸侵蚀的主要形式，在波浪长期侵蚀作用下，容易产生崩塌，形成大小不一的崩塌岸体，且极易在水力作用下不断扩大.波浪侵蚀直接影响崩塌的发生与发展，这是水库消落带侵蚀与陆上坡地侵蚀发生机理和规模具有显著性差异的主要原因.

通过野外勘察和侵蚀针监测发现，糯扎渡水库消落带在干支流不同库段之间存在显著差异（表2）.其中，干流消落带的3个监测断面的侵蚀速率G2最剧烈，平均土壤侵蚀速率为52.60 mm/a；其次为G1断面，平均侵蚀速率为39.60 mm/a；G3的侵蚀速率最弱，同时在G3断面低海拔处，侵蚀程度随着高程的增加出现了放缓趋势，这可能与G3断面在低海拔处坡度变缓，侵蚀的泥沙淤积在此，导致侵蚀速率变缓有关.支流库湾消落带J1断面监测结果显示侵蚀强烈，平均侵蚀速率为36.30 mm/a，明显强于同是支流的J2断面（17.13 mm/a）.原因在于J1断面设于黑河的汇入口，距离澜沧江干流不足2 km，水库蓄水后形成宽广的湖面，基本与干流的水位变动一致，因此J1断面实际上与干流无异.库湾J2断面位于黑河中游，该处淹没前为农耕地，坡度较缓，加上土壤肥沃，在退水后杂草能够快速生长，有效抑制土壤侵蚀.总体来看，糯扎渡水库干流断面的土壤侵蚀强度要大于支流的土壤侵蚀强度.因为波浪侵蚀是消落带库岸侵蚀的主要形式，在波浪长期侵蚀作用下，容易发生坍塌，形成大小不一的崩塌岸体.水库水位调节在干流形成的落差和波浪发生的频率和强度要高于支流，所以干流的土壤侵蚀强度更加剧烈.

表2 糯扎渡水库消落带土壤侵蚀速率监测断面结果Tab.2 Soil erosion rate in the water-level-fluctuating zone of Nuozhadu Reservoir

3.3 不同坡度土壤侵蚀特征通过野外勘察及侵蚀针观测糯扎渡水库蓄水周期内不同坡度消落带的草地和裸地土壤的侵蚀速率.结果表明，不论是草地还是裸地，侵蚀速率随着坡度的增加显著加快（表3）.坡度与土壤侵蚀速率回归分析的结果显示坡度与侵蚀强度线性拟合较好，裸地的相关系数（R）达到0.9 9，草地的相关系数（R）为0.9 7，说明坡度对消落带土壤侵蚀的影响非常显著.

进一步分析坡度对坡面产沙的影响，一方面由于坡度的增大，使得土壤颗粒固有重力将更有利于松散土粒向下坡方向运动，同时坡度的增大降低了土体的稳定性，土壤抗蚀能力减弱；另一方面因入渗量与坡度成反比关系，坡度大时容易产生径流，增加了溅蚀与坡面径流联合侵蚀的作用，加剧了坡面泥沙流失[11].在较大的地面坡度下，土粒被溅起向下坡方向飞溅的距离比向上坡飞溅的距离远，数量也多，为土壤冲刷创造了有利条件.同时波浪在岸坡上破碎时冲击坡面，形成波动水流，在斜坡上往复上溯并回落，对于坡面有强烈的破坏能力[11].

3.4 不同植被覆盖下土壤侵蚀特征为了进行土壤侵蚀观测对比，在消落带土壤侵蚀监测断面选择坡度相同的草地和裸地，分析消落带植被覆盖与土壤侵蚀之间的关系.结果表明，植被可以显著控制消落带土壤侵蚀，相较于同一坡度的草地岸坡，裸露岸坡的土壤侵蚀强度在坡度32°时比草地高出51 mm/a.图4显示，消落带上不论是否有植被覆盖的坡面，土壤侵蚀强度随坡度增加均呈递增趋势.但是，从拟合方程的斜率来看，裸坡的斜率为7.85，远大于草地.这说明裸露边坡侵蚀强度随坡度增幅更快，侵蚀更加剧烈.而草地消落带由于植被的存在，不仅冠层可以截留部分降水，而且地表枯落物可以涵养土壤水源，减弱地表径流流速，从而减少地表径流和土壤侵蚀量.对于消落带这一特殊区域，植被影响土壤侵蚀的途径还可以通过根系对土体的固结，减缓波浪冲刷，从而有效地防止土壤侵蚀，发挥水土保持功能.

表3 糯扎渡水库消落带不同坡度和不同植被条件下的土壤侵蚀速率Tab.3 Soil erosion rate under different slopes and different vegetation coverage of water-level-fluctuating zone of Nuozhadu Reservoir

图4 坡度与消落带土壤侵蚀速率的拟合关系Fig.4 The relationship between slopeand soil erosion rate

3.5 淹水与消落带土壤侵蚀的关系一般来说，高程越低，消落带受水淹时间越久，库水位变化对土壤的影响越明显，土壤侵蚀强度越剧烈. 糯扎渡水库不同高程上消落带土壤侵蚀速率显示（图5），不论在干流库段还是支流库段，随着高程的降低，总体上消落带侵蚀强度都显著加剧.而G1、G3断面低海拔处侵蚀速率有所下降，野外调查发现低海拔处部分消落带发生泥沙淤积，减缓了该区域的土壤侵蚀.

图5 糯扎渡水库不同断面消落带土壤侵蚀速率Fig.5 Soil erosion intensity at different sections of Nuozhadu Reservoir

土壤抗剪强度是单位体积的土壤抵御外力（如雨滴对土粒的溅击剪切作用和径流对土粒的冲刷剪切作用等）扭剪的能力，是反映土壤力学特征的重要指标之一[11].采用土壤抗剪强度测定仪对消落带同一地块不同含水量状态下的土壤抗剪强度进行测定，绘制了不同含水量与抗剪强度的关系曲线（图6）.结果显示，随着土壤含水率的增加，其抗剪强度显著降低.究其原因，在水库长期库水的周期性涨落中，消落带土体被浸水、吸水饱和与风干等干湿循环的快速转换过程中，土壤结构遭到破坏，更易遭到降雨径流和水库涌浪的侵蚀.

图6 糯扎渡消落带土壤抗剪强度随土壤含水量的变化Fig.6 Change of soil shear strength with water content in the water-level-fluctuating zone of Nuozhadu Reservoir

4 结论

（1）糯扎渡水库消落带总面积达129.95 km2（其中干流57.29 km2、支流72.66 km2），糯扎渡水库消落带分布在云南省10个行政县（区）.在海拔梯度上，随着海拔的降低，消落带分布面积逐渐减少.在不同坡度上，消落带分布面积不均，15°～25°坡度上占比最大，达到46.50 km2，其次为8°～15°坡度上的面积为43.77 km2，坡度＞35°的高陡边坡分布较少，面积仅为1.17 km2.

（2）糯扎渡水库消落带土壤侵蚀营力多样，侵蚀类型主要为水力侵蚀和重力侵蚀，最常见的侵蚀形式为涌浪侵蚀和崩塌，涌浪侵蚀是消落带特有的水力侵蚀形式.

（3）消落带土壤侵蚀异常强烈.2016—2018年糯扎渡水库3个水位运行周期内消落带土壤侵蚀监测数据显示，消落带土壤侵蚀差异明显，各侵蚀针观测点位的年平均侵蚀厚度在0～319 mm之间波动，干流平均土壤侵蚀速率为38.50 mm/a，而库湾平均土壤侵蚀速率仅为17 mm/a，干流消落带土壤侵蚀速率约为库湾的2.30倍.

（4）消落带坡度、植被、土壤水分变化对土壤侵蚀的影响显著，坡度与消落带年均侵蚀速率呈现显著的正相关（R＞0.90）.植被可以减缓消落带土壤侵蚀的作用.在水位的周期性涨落中，消落带土体在反复进行浸水、吸水饱和与风干等干湿循环的迅速转换过程中，对土壤物理力学性质影响显著，主要表现在土体的软化和弱化作用.随着含水量的增加，土壤抗剪强度随之降低，土壤侵蚀加剧.