黃土高原土壤侵蝕規律研究方向與途徑

姚文藝,肖培青

(黃河水利科學研究院,河南鄭州 450003)

我國黃土高原是世界上水土流失最嚴重、土壤侵蝕規律最復雜的地區之一。長期以來,水土保持、泥沙、生態、地質、地理、地貌、水文等不同領域對黃土高原土壤侵蝕規律開展了大量的研究工作[1],為該地區水土流失治理提供了重要的科技支撐。然而,目前對黃土高原土壤侵蝕規律的研究仍相對薄弱,遠不能滿足新時期黃河治理開發與黃土高原水土保持生態建設的科技需求,迫切需要進一步加強土壤侵蝕規律研究。

1 黃土高原土壤侵蝕規律研究進展與存在的問題

1.1 研究進展

以1942年天水水土保持科學試驗站的創建為標志,我國開始了黃土高原水土流失規律的試驗觀測工作。自20世紀50年代,黃河水利委員會又先后建立了西峰、綏德水土保持科學試驗站。同時,中國科學院水利部水土保持研究所、中國科學院地理科學與環境研究所、山西省水土保持科學研究所等單位,以及內蒙古、河南等省(區)也先后在黃土高原建立了土壤侵蝕試驗站,進行水土流失規律和水土保持措施作用等方面的觀測研究。

1953年劉善建[2]根據天水水土保持科學試驗站的徑流小區觀測資料,首次提出了用于計算坡耕地年侵蝕量的經驗方程。同期,席承藩等[3]依據下切黃土溝的體積和羅來興等[4]依據“聚湫”淤積量推算出了無定河和清澗河流域侵蝕量。1955—1958年,中國科學院組織了黃河中游水土保持考察,取得了一批寶貴的基礎資料、圖件和成果。同期,黃秉維[5]采用3級分區方案編制了黃河中游土壤侵蝕分區圖,對黃土高原水土保持工作起到了重要的指導作用。20世紀60年代,關于黃土高原侵蝕產沙來源的研究取得了突破性進展。錢寧組織黃河水利科學研究院等有關單位的專家在研究黃河下游河床演變時發現,下游河道的淤積物主要是粒徑大于0.05mm的粗顆粒泥沙,由此提出了粗泥沙來源問題[6]。在此基礎上,黃河水利委員會近年進一步研究確定了1.88萬km2的粗泥沙集中來源區[7]。蔣德麒等[8]對侵蝕產沙部位和產沙量進行研究,認為黃土丘陵溝壑區第一副區溝谷地產沙量占流域總產沙量的2.9%～69.8%,第三副區占77.0%,黃土高原溝壑區占93.2%。之后,龔時 等[9]對黃河中游黃土丘陵溝壑區溝道小流域的泥沙來源做了進一步研究。20世紀五六十年代我國土壤、地理、地貌等領域的一些專家依據天水、綏德、西峰等水土保持科學試驗站的小區資料,對土壤侵蝕與降雨、地形地貌因子的關系及侵蝕規律做過系統研究。承繼成[10]在綜合多家觀點的基礎上認為坡地流水作用是一個十分復雜的問題,坡面侵蝕產沙存在著垂直分異規律。

20世紀70年代以來,隨著美國通用土壤流失方程(USLE)的引入,黃土高原土壤侵蝕研究有了更大的進展,一些學者對模型參數指標開展了大量且有成效的研究,對降雨侵蝕力指標、土壤抗蝕性指標、地形指標及標準徑流小區選定等進行了修正[11-15],建立了黃土高原降雨侵蝕力指標體系,提出了適合本地區的侵蝕性暴雨標準,先后在黃土高原地區建立了若干土壤流失預報方程。劉寶元[16]以USLE為藍本,利用黃土丘陵溝壑區徑流小區實測資料,建立了中國土壤流失預報方程,探索了我國土壤流失“通用預報模型”研究的途徑。同時,我國還開展了USLE在環境評價中的應用研究[17-18]。在20世紀70年代發現黃土高原北部長城沿線一帶存在著水蝕風蝕交錯分布的特殊地區,并認識到其土壤侵蝕強度高于水蝕和風蝕地區,其后對水蝕風蝕交錯區水土流失規律及治理開展了不少研究[19-21]。

自20世紀80年代以后,人工模擬降雨技術、元素示蹤法與中子活化分析技術在土壤侵蝕過程與機理、土壤侵蝕定量評價和土壤侵蝕動力過程研究中發揮了重要的作用,包括提出了適合黃土高原雨滴終速計算公式[22-24];系統研究了坡面細溝侵蝕、淺溝侵蝕的發生發展過程[25-35];提出了淤地壩相對穩定的概念,探討了淤地壩的攔泥減蝕機理[36-41]。在研究手段方面,一些學者基于土壤侵蝕過程的認識,對土壤侵蝕實體模型模擬理論進行了嘗試探討[42-43]。

自20世紀90年代以來,各類的侵蝕產沙數學模型得到了較快發展[44-56],而且諸如WEPP等國外模型在黃土高原的應用研究也取得不少成果[57],同時GIS與RS技術在土壤侵蝕模型中得到廣泛應用。值得提及的是,分布式侵蝕產沙模型已成為當前土壤侵蝕預報研究的主要方向之一。近年來,對土壤侵蝕機理的研究不斷深入,在土壤侵蝕動力學機制、坡面徑流水動力學特性、侵蝕對氣候下墊面的響應、黃土高原地區不同空間尺度侵蝕產沙規律、土地利用覆蓋變化對侵蝕過程調控機制、黃土高原土壤侵蝕過程與調控、坡面與溝道侵蝕產沙過程非線性的疊加效應等方面進行了較為系統的研究[58-74]。對于黃土高原水土流失綜合治理關鍵支撐技術等方面也取得了豐富的研究成果[75-76]。

1.2 存在的問題

雖然我國在黃土高原土壤侵蝕規律研究方面取得了不少進展,但總體來說,還有很多規律并沒有認識,諸如重力侵蝕動力學機制、被覆對產流機制的脅迫作用、侵蝕尺度轉換、侵蝕對多元環境因子耦合的響應機制、坡面-溝道侵蝕地貌單元的侵蝕輸沙動力學關系等基本規律都是迫切需要研究的。在侵蝕產沙模擬方面,實體模擬的相似理論基本上停留在概念的探討層面上;在數學模擬研究中,國內自主研發的機理模型少,大多是直接移用或照搬國外的模型。對國外模型改進的內容多是方程參數的確定,而對方程結構及方程參數確定方法的研究還不夠。同時,由于試驗觀測資料的限制,方程參數的確定也大多是結合應用范圍內局部地域的有限資料進行的,對黃土高原重力侵蝕嚴重、暴雨產沙時空分布特別集中的特征并未在計算方法改進中得到足夠反映。由于對國外模型控制方程的結構及其計算方法未進行實質性的移植修改,因而,修改后的方程難以推廣應用于黃土高原暴雨產沙過程的預報。

2 研究需求

2.1 優化黃土高原水土流失治理方案

由于黃土高原地形地貌等侵蝕邊界條件具有較強的空間分異性,加之降雨時空分布極不均勻,因而黃土高原土壤侵蝕規律的空間差異性很大。另外,不同類型水土保持措施對產流產沙影響的機理是不同的,不同類型措施的組合具有不同的減水減沙作用,即使同一類型的措施其布設區位不同,減水減沙效益也往往有較大差別。因此,為達到有效治理水土流失的目的,就必須對水土保持措施空間布設及其組合方案進行優化。為了優化方案,就需要了解水土保持措施作用機理及不同類型措施的組合效應,以及研究坡面-溝道系統(簡稱坡溝系統)的泥沙輸移關系。目前,關于裸地坡溝系統產沙耦合關系的試驗研究取得了一些成果,但是還缺乏對不同水土保持措施配置下坡溝系統泥沙輸移關系及其規律的研究。另外,為科學布設溝道壩系工程布局,必須了解溝道重力侵蝕規律,而目前卻極其缺乏這方面的試驗觀測研究,難以為溝道壩系設計提供科學的工程技術指標。

2.2 科學評估和預測水土保持效益

隨著江河治理、流域管理和生態保護等生產實踐發展的需要,國內外關于水土流失與水土保持效益評價預測數學模型的研究正逐步得到相關科技人員和管理者的重視。然而,就國內外水土流失數學模型的總體發展水平來說,仍有不少關鍵技術問題需要進一步研究解決。國外研發的諸如USLE等經驗模型和WEPP等機理模型基本上只適用于緩坡地的侵蝕環境,不適應于黃土高原陡坡地的情況。目前,我國已建的經驗模型大多是以坡面水土流失模型和小流域產沙模型為主,而適用于大空間尺度的流域侵蝕產沙模型較少,加之受建模資料所限,驗證區域和時域不夠,這些模型推廣應用的局限性較大,通用性較差。我國對侵蝕產沙機理模型的研究起步較晚,基本上處于探索階段。另外,非常缺乏小流域泥沙輸移過程、溝道水沙動力學過程、土壤侵蝕時空分布、坡溝系統泥沙輸移沉積過程的關聯性等方面的試驗觀測,導致侵蝕產沙模型的研發受到眾多基本規律認知瓶頸問題的制約。因此,需要盡快研究科學評估水土保持效益的基礎理論和關鍵技術。

2.3 為制定黃河水沙調控運行方案提供洪水泥沙指標體系

水少沙多、水沙關系不協調是造成黃河下游河道嚴重淤積的主要原因。2002年以來,黃河水利委員會利用小浪底水庫進行了多次調水調沙,營造協調的水沙關系,取得了減少下游河道淤積、處理庫區泥沙的明顯效果。為制定科學合理的水沙調控運行方案,就需要解決調水調沙期間洪水泥沙預測預報的問題,需要提供水庫上游主要入黃支流的洪水流量過程、含沙量過程,以及洪水泥沙總量和洪水演進等關鍵參數。然而,當前對入黃支流洪水泥沙的預報還有一定的困難,其主要原因就在于對黃土高原坡溝系統侵蝕產沙耦合關系、溝道泥沙輸移規律及植被作用機理了解不夠,難以建立起機理清晰的次暴雨洪水泥沙預報模型。因此,通過對流域產水產沙規律和小流域泥沙輸移規律進行試驗研究,就可以為洪水泥沙過程參數的模擬預報提供理論支撐,從而實現估算和預報不同區間入黃洪水泥沙量及其過程,為制定黃河水沙調控運行方案提供洪水泥沙指標體系。

3 未來的研究方向

根據黃土高原水土保持生態建設和黃河治理開發的重大實踐需求,針對我國關于黃土高原土壤侵蝕研究的不足,建議今后在研究手段上應當從非比尺實體模型試驗逐步轉向具有嚴格比尺意義的實體模型試驗;在研究方法上,應注重與流體動力學、泥沙運動力學等力學學科方法的結合;在研究對象上,應從坡面擴展至坡溝系統;在研究內容上,應加強以坡溝系統或小流域為侵蝕產沙地貌單元的泥沙輸移規律及水沙關系的研究。

建議對黃土高原土壤侵蝕規律的研究應關注以下幾個方向:

a.重力侵蝕規律。根據研究,黃土高原不少地區小流域重力侵蝕是流域泥沙的主要來源。由于重力侵蝕類型多且影響因素復雜,加之重力侵蝕發生的隨機性較大,重力侵蝕研究一直是土壤侵蝕研究的薄弱環節。應通過野外調查、觀測和室內模擬試驗,闡明黃土高原重力侵蝕空間分布特征與分異規律;分析重力侵蝕發生的動力因素;辨識重力侵蝕的控制參量、狀態參量、誘發參量與時間因子;揭示重力侵蝕發生的動力學機制和重力侵蝕發生的動力臨界;研究重力侵蝕的動力作用與隨機過程的關聯機制,建立重力侵蝕發生的特征方程與產沙量估算模式,推進流域侵蝕產沙機理模型和經驗模型的研發與應用。

b.不同治理措施配置下坡溝系統侵蝕產沙耦合關系及泥沙輸移規律。坡溝系統復雜的耦合侵蝕產沙關系是黃土高原土壤侵蝕的重要特征。目前,對不同措施配置下坡溝系統侵蝕產沙過程試驗觀測研究的缺乏,極大地制約了具有物理成因的侵蝕產沙機理模型的進展和水土保持治理措施布設方案優化等生產實踐的發展。應通過分階段研究,闡明坡溝系統在不同水土保持措施配置下的侵蝕產沙耦合作用關系,揭示不同措施配置對侵蝕產沙的影響程度,揭示不同治理措施下坡溝系統泥沙輸移過程與規律,建立定量表述其規律的數學模式,為建立具有物理成因的侵蝕產沙機理模型提供所需參數,從而科學評估黃土高原坡溝系統在不同措施組合及空間布設方案下的治理效益,提高規劃設計的合理性和科學性,達到優化配置,實現水土保持治理投資的效益最大化。

c.植被措施作用下的水文效應和產流機制。近年來,植被措施的水文效應及對產流機制的影響作用逐漸引起人們的關注,這既是認識當前黃河水沙變化成因的重要科學命題,也是評價水土保持生態建設效果、預測黃河水沙變化趨勢的重要瓶頸問題,為此,迫切需要通過有、無植被情況下的對比模擬試驗,闡明不同被覆度、不同類型的植被對黃土高原土壤入滲、地表地下產流過程的影響,研究降雨-產流對被覆的響應關系,揭示植被對產流機制變化的脅迫作用及侵蝕產沙隨被覆率變化的臨界閾。

d.土壤侵蝕產沙發生發展過程尺度轉換。土壤侵蝕的發生發展過程、時空分布、耦合關系等特性都是尺度依存的,具有時間、空間抑或時空尺度特征。因而,只有在連續尺度序列上對土壤侵蝕過程進行觀測和研究,才能準確把握其內在規律。而目前對土壤侵蝕的觀測手段多為坡面微型小區和標準小區,僅在離散和單一尺度上進行,其觀測結果不能反映以坡溝系統為地貌單元組成的流域尺度上的土壤侵蝕規律,尤其對于黃土高原地區,由于其侵蝕產沙過程具有強烈的時空分異性,解決其尺度轉換問題更為重要。為此,需要通過設置不同尺度的觀測樣區,結合數學模擬手段,采用尺度上推的途徑,對試驗小區尺度的觀測結果進行聚集或解聚,實現對單元流域尺度范圍內侵蝕過程的整體把握。應重點研究土壤侵蝕分異性、侵蝕速率隨尺度的變化規律,不同尺度上的主導侵蝕過程與類型、侵蝕過程特性,土壤侵蝕影響因素作用的尺度效應,以及土壤侵蝕可預測性隨尺度變化的效應等。

e.黃土高原主要產沙流域水沙劇減成因。近年來,黃土高原不少支流的水沙出現劇減的現象,產流產沙規律發生變化,對于黃河治理開發的重大決策帶來極大影響。因此,迫切需要分析水沙系列變化過程特征并辨識其突變點;分析降雨與下墊面變化特征,開發建設項目等人類活動對侵蝕發生的激發機制和作用,水土保持措施對洪水的控制作用及對產流機制的脅迫作用,以及降雨-洪水-泥沙關系變化規律,從而揭示水沙變化對降雨、下墊面、人類活動多元因子耦合作用的響應關系,辨識多因子對水沙變化的貢獻率,搞清流域水沙劇減的成因,并預測其變化趨勢。

f.黃土高原水土流失模擬理論與技術。土壤侵蝕模擬包括實體模型模擬和數學模型模擬。在實體模型模擬方面,目前的試驗模擬對象多為雨滴特性、坡面徑流侵蝕等,將濺蝕、坡面侵蝕及溝道侵蝕作為一個整體過程的模擬試驗研究還比較少,而產沙量預報的困難也正在于對從土壤侵蝕到泥沙沉積或產沙過程的整體了解。同時,國內外所開展的土壤侵蝕實體模型試驗基本上均是非嚴格比尺的。因而,要實現對坡溝系統和流域尺度上完整侵蝕過程的定量模擬,迫切需要研究土壤侵蝕的相似性問題,或者說具有嚴格比尺意義的侵蝕試驗理論、方法與技術已成為亟待解決的問題,急需研究坡面、坡溝系統和小流域比尺模型幾何相似條件或相似律,以及相似比尺體系。

在數學模擬方面,需要建立起復雜侵蝕環境下的水土流失評價預測模型,包括建設基于衛星遙感、DEM等信息源的解譯、提取和存儲系統;建立評價預測模型系統,包括年產沙經驗模型、次暴雨洪水泥沙分布式機理模型、次暴雨降水-產洪-輸沙預報耦合模型和次暴雨洪水泥沙作業預報預警系統;研究模型系統與GIS雙向緊密耦合技術,提高模型評價效率和精度。同時,還需要逐步開展土壤侵蝕-面源污染過程耦合模型、土壤侵蝕-生態-經濟多元耦合模型的研究。

4 研究方法與途徑

a.建設黃土高原土壤侵蝕試驗觀測體系。目前,黃土高原土壤侵蝕發生發展過程的試驗觀測方法、手段和內容還很不完善,在溝道重力侵蝕、全坡面侵蝕、坡溝系統侵蝕、流域泥沙輸移過程及侵蝕產沙水動力學參數等方面均缺乏試驗觀測,使土壤侵蝕研究者只能望“原”興嘆,苦于無奈。為此,應從國家層面統一規劃、統一建設,構建能夠滿足建立黃土高原侵蝕產沙數學模型系統和評價水土保持措施效益需求的黃土高原土壤侵蝕試驗觀測體系,解決黃土高原土壤侵蝕規律研究在現象揭示、過程認知和信息采集等方面的制約性問題。依托黃土高原土壤侵蝕試驗觀測體系,開展黃土高原全坡面侵蝕、溝道侵蝕及坡溝系統侵蝕過程的原型觀測和人工模擬試驗研究,觀測侵蝕產沙的空間傳遞過程、規律以及水動力學參數,揭示其侵蝕產沙作用機理。為此,應該在黃土高原不同類型區選擇有代表性的小流域、陡坡坡面、溝道、坡溝系統等布設水文、氣象和水土保持觀測設施,在室內建設坡面、溝道、小流域等侵蝕產沙實體模型,采集水土流失和水土保持相關數據,開展侵蝕產沙過程的精細觀測,探索不同水土流失區的水土流失規律,并積累足夠的觀測資料,為構建相關侵蝕產沙數學模型提供基礎數據和驗證條件。

b.運用土壤侵蝕模型模擬與反演技術。土壤侵蝕機理模型可以對侵蝕過程及其時空分布、尺度關系進行模擬、預測和反演,是認識和揭示土壤侵蝕過程發生發展規律的有效手段之一。通過建立機理模型,賦予不同的下墊面、地形地貌等邊界條件和設計降水等初始條件,對不同空間尺度的土壤侵蝕過程進行預測分析,從而了解植被、降水、水土保持工程和地形地貌等因素對土壤侵蝕的作用,進而揭示在一定邊界條件下土壤侵蝕產沙對干擾因素的響應關系,以及不同尺度下的主導侵蝕過程、侵蝕速率和侵蝕特性的變化規律,認識土壤侵蝕的空間分異性。

c.加強學科交叉與融合。由于黃土高原自然地理環境極為復雜,多種侵蝕類型交互耦合,要深化認識黃土高原土壤侵蝕規律、完善水土保持減水減沙效益評價試驗預測方法,決非僅靠單一學科或相同專業人員就可實現的,必須打破行業壁壘,遵循科研規律,開展多學科交叉和多專業聯合攻關,充分吸收國內外專家和學者的理論和經驗,使黃土高原土壤侵蝕規律研究和侵蝕產沙數學模型建設得到更為廣泛的技術力量支持,進一步提升黃土高原水土流失治理的科技水平。

d.實現信息共享。以遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、無線通訊系統以及計算機網絡等高新技術為技術支撐,從國家層面上建立黃土高原水土保持生態立體監測、試驗觀測和信息共享網絡。針對建立黃土高原侵蝕產沙數學模型的數據要求,從地面、航空、航天 3個層次,從流域坡面、溝道、流域系統三類地貌單元開展黃土高原水土流失相關參數的立體、全方位的試驗觀測,包括地形、地貌、下墊面、土壤、徑流泥沙、降雨、土壤可蝕性和抗蝕性等參數,將室內外的、不同區域的試驗研究站點形成數據和信息共享的網絡系統,實現土壤侵蝕與信息共享,為土壤侵蝕規律研究提供必不可少的、至關重要的基礎數據與信息。

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