典型淤地壩壩控流域水土保持措施的合理性分析

魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000)

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典型淤地壩壩控流域水土保持措施的合理性分析

魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 分析淤地壩壩控流域水土保持措施的合理性，為黃土高原的淤地壩建設與規劃提供科學指導。 [方法] 對黃土丘陵溝壑區第一副區兩座典型淤地壩進行分層土樣采集,通過室內試驗用常規方法對土樣的顆粒組成進行了分析計算,在此基礎上,利用分形理論,計算了分層土樣顆粒組成的分形維數,分析了兩座淤地壩壩地分層淤積物顆粒組成與其分形維數隨淤積年限的變化趨勢。 [結果] 兩座典型淤地壩粒徑組成的分形維數隨淤積年限的增大都呈現逐漸減小的趨勢。 [結論] 該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢，淤積年限內壩控流域水土保持措施配置不合理。

關鍵詞：典型淤地壩; 壩控流域; 顆粒組成; 分形理論; 合理性分析

土壤侵蝕是世界性的重大環境問題，強烈的水土流失是導致生態環境惡化，土地資源退化乃至徹底破壞的重要原因，嚴重制約了土地生產潛力的發揮，影響當地工農業生產和人民的生活，與當前世界可持續發展的理念相違背[1-3]。以小流域為單元進行綜合治理,已成為當今世界各國治理水土流失、提高流域可持續發展能力的主要形式[4-6]。中國的黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的地區之一，地形破碎，溝壑縱橫，陡坡侵蝕、溝道侵蝕獨特而嚴重[7-9]，單靠坡面水土保持措施很難在短時間內改觀當地嚴重的土壤侵蝕狀況，所以小流域綜合治理在中國黃土高原地區也被廣泛的應用。小流域綜合治理的目標是發揮最大的生態、社會和經濟效益，但由于缺乏權威和標準的綜合治理效益評價方法，使得小流域綜合治理評價結果存在很大的不確定性。以至于許多研究者和技術人員認為，傳統的水土保持綜合治理項目評價指標體系和方法，不能全面反映小流域綜合治理對流域生態系統和社會經濟的深遠影響。針對這種情況，本文利用修建在各級溝道中以攔泥淤地為目的的淤地壩[10-13]所控制的面積——壩控流域，可視為一個綜合治理的小單元，由于淤地壩壩地沉積泥沙記載著建壩后淤積年限內的土壤侵蝕環境變化歷史，可以判測壩控流域的侵蝕、產沙和侵蝕環境的變化，尤其是典型淤地壩[14-15]，即“悶葫蘆”壩，壩地淤積物全部來自壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤，因此典型淤地壩壩地淤積物所提供的分層淤積信息可以反映出壩控流域的水土流失情況[14-17]，對分析區域土壤侵蝕變化狀況具有重要意義。同時，已有研究認為土壤是一種具有分形特征的分散多孔介質，土壤分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數[18]，在維數上表現出黏粒含量越高，質地越細，分形維數越高，沙粒含量越高，分形維數越小的特征[19-21]。土壤粒徑的分形維數能客觀地反映退化土壤結構狀況和退化程度，作為退化土壤結構評價的一項綜合性指標[21-22]。鑒于此，本文采用野外試驗與室內試驗相結合的方法，結合分形理論，計算了分層淤積土樣的分形維數，并分析了分形維數隨淤積年限的變化趨勢，對典型淤地壩淤積年限內壩控流域是否存在沙化趨勢進行探討，對典型淤地壩壩控流域已有水土保措施的合理性給予評價。研究結果對黃土高原大規模的淤地壩建設與規劃可提供重要科學依據和實踐指導，對改善黃土高原的生態環境和實現該區的可持續發展具有重要意義。

1研究區概況與研究方法

1.1　研究區概況

本研究所選的兩座典型淤地壩為小河溝流域石畔峁淤地壩和王茂溝流域關帝溝3號淤地壩。小河溝流域和王茂溝流域均為黃土丘陵溝壑區第Ⅰ副區，兩個流域的具體概況如下：小河溝流域位于陜西省榆林市子洲縣南部，地理坐標介于東徑109°47′42″—109°65′61″，北緯37°36′17″—37°43′34″，屬于無定河一級支流大理河的一級支流，流域面積63.5 km2，相對高差328 m。流域地形支離破碎，梁窄坡陡，梁峁起伏，溝壑縱橫，平均溝壑密度為3.6 km/km2。流域多年平均降水量為421 mm，多年平均侵蝕模數為15 000 t/(km2.a-1)，年均輸沙量9.225×105t。流域土壤主要為黃綿土、粉質壤土、紅膠土和淤積土，其中以黃綿土為主，約占流域總面積的70%左右。流域降水特點為年際變化大，年內分布不均，且多以暴雨形式出現[23]。王茂溝流域是陜北綏德縣韭園溝中游左岸的一條支溝，是無定河的一條二級支溝，位于東經110°20′26″—110°22′46″，北緯37°34′13″—37°36′03″，海拔高度940～1 188 m，流域面積5.97 km2。流域內地質構造比較單一，表層多被質地勻細、組織疏松的黃綿土覆蓋，厚度20～30 m。在長期水土流失影響下，地面受到嚴重切割，表現為支離破碎、梁峁起伏、溝壑縱橫，溝壑密度4.3 km/km2。雨量少而分布不均，多暴雨，多年平均年降水量為513 mm，汛期(6—9月)降水一般占年降水總量的70%以上，水土流失嚴重，一次暴雨產沙量往往可占全年總產沙量的60%以上。

1.2　研究方法

土樣的采集采用挖剖面方法，在采樣時，考慮到沙粒沉積的先后順序，要保證每個淤積層內不同高度的泥沙樣均要取到，以保證該樣品的理化指標能夠代表該淤積層淤積泥沙的理化指標。分層土樣土壤顆粒級配采取篩分法(干篩)，吸管法和比重計法相結合的方法來求取。對粒徑較粗的土粒，采用干篩法進行，對于粒徑較細的土粒，采用吸管法和比重計法相結合進行測定。在采用比重計法時，由于在實際測定中，當比重計浸入懸液中，此時讀取的有效沉降深度要比實際的沉降深度要偏大，另外，比重計的讀數原以彎液面的下緣為準，但在實際操作中，由于懸液渾濁不清只能用彎液面上緣的讀數，因此在運用比重計法之前必須對土粒有效沉降深度、刻度及彎液面進行校正。同時還需要對溫度、土粒比重進行校正，對于溫度和土粒比重的校正比較簡單，可由相應的校正表查的。對于土粒有效沉降深度、刻度及彎液面的校正嚴格按照南京土壤研究所的《土壤物理性質測定方法》進行。土壤顆粒分形維數的計算應用楊培嶺等[20,23]提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來求解。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關系式為：

(1)

2結果與分析

2.1小河溝流域石畔峁壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數隨淤積年限的變化

石畔峁壩位于陜西省子洲縣小河溝流域，于1972年建成，1980年在一場大暴雨中被沖垮，石畔峁壩共有22個淤積層，由于壩地淤積物的最上面一層已被當農田耕作，所以為了提高分析的精度，剔除最頂層的一個淤積層，即分析時只考慮下面的21個淤積層。各淤積層的顆粒分析結果見表1。由表1可知，該典型淤地壩的壩地分層淤積物的粒徑主要分布在25～100 μm。由土壤顆粒分級標準可知，該典型壩壩控流域土壤顆粒主要介于細砂粒和粗粉粒之間。根據土壤分散系數的定義——微團聚分析的黏粒(小于0.001 mm顆粒)與顆粒分析的黏粒數的百分比，利用表1中的實測數據，計算出各淤積層土壤的分散系數(表1)。并在此基礎上建立了微團聚含量(小于0.001 mm顆粒)與土壤分散系數的關系，擬合關系式為對數函數形式，具體方程如下：

y=0.294 5 lnx+0.600 1(R2=0.375 5)

(2)

式中：y——土壤分散系數(%)；x——微團粒的含量(%)；R2——決定系數。由關系式可知，隨著土壤微團聚體含量的增加，土壤的分散系數呈對數函數遞增。但由于本文未對土壤的孔隙度、土壤團聚體的水穩性進行測試，所以，此關系的可靠性是以土壤顆粒級配的測定為前提的。

表1　石畔峁壩各淤積層土壤粒級分布及土壤顆粒的分形維數

土壤被認為是一種具有分形特征的分散多孔介質，土壤分形維數是反映土壤結構幾何形體的參數。運用回歸分析法，計算出土壤顆粒的分形維數，回歸分析所得相關系數均在0.84以上，線性相關極顯著(表1)。由表1可知，該典型淤地壩壩地分層淤積物的分型維數在2.033～2.219。為了進一步分析淤積年限內分形維數隨淤積年份的變化趨勢，根據石畔峁壩的淤積層與次侵蝕性降雨的分析結果[23]，做出淤積年限內石畔峁壩各淤積層分形維數隨淤積年份的變化關系見表2。依據表2繪制出石畔峁壩分形維數隨淤積年份的變化圖(圖1)。由圖1可知，該典型淤地壩在淤積年限內隨著淤積年份的增大分形維數呈現出遞減趨勢，經添加趨勢線后，發現擬合曲線滿足線性關系，決定系數為0.708 9。可見隨著淤積年限的增大，該典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數逐漸減小，根據土壤粒徑分形的物理意義[19-22]可知，壩地分層淤積土樣中沙粒含量增大，粉粒和黏粒減小，表明壩控流域淤積年限內的土壤顆粒級配變粗。究其原因可能是： (1) 壩控流域內下墊面改變，包括不同土地利用類型面積的改變或者不同水土保持措施配置比例的改變； (2) 壩控流域內小氣候的改變，包括氣溫、日較差、空氣濕度、土壤濕度、風速風向、太陽輻射等的改變；這些因素都有可能誘發土壤物理性質發生微小的變化，進而改變土壤的顆粒級配。但由于淤積年限比較短，所以壩控流域內的小氣候因素對土壤物理性質的影響可以忽略，因此，結果表明：該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢，淤積年限內壩控流域水土保持措施配置不合理。

表2　石畔峁壩各淤積層分形維數隨淤積年份的變化

圖1　石畔峁壩分形維數隨淤積年份的變化趨勢

同時，根據收集到的石畔峁壩壩控流域土地利用類型資料(表3)可知，石畔峁壩壩控流域土地利用結構中耕地面積最大，為218 hm2，占到土地利用面積的39.6%，以下依次為林地、未利用荒地、梯田和草地，分別占到32.73%，20.91%，5.09%，1.64%。根據實測資料，石畔峁壩壩控流域內1972—1979年時間段內多年平均侵蝕產沙量為46 761 t/a，多年平均侵蝕模數為8 502 t/(km2·a)，達到了極強度侵蝕標準。黃土高原多年平均侵蝕模數為3 928 t/(km2·a)，而黃河流域水土流失最嚴重的河龍區間(黃河中游河口鎮至龍門區間)的多年平均侵蝕模數也小于5 000 t/(km2·a)[24]，都遠小于石畔峁壩壩控流域內的多年平均侵蝕模數。這也進一步說明了石畔峁壩壩控流域內不合理的土地利用方式使得流域的土壤侵蝕強度增加幅度之大，分析結果與以上根據壩地淤積物顆粒的分形維數分析的結果一致，即該典型淤地壩壩控流域內的水土保持措施的配置不合理。

表3　石畔峁壩壩控流域土地利用結構

2.2　王茂溝流域關帝溝3號壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數隨淤積年限的變化

關帝溝3號壩位于陜西省綏德縣王茂溝流域，于1959年建成，1987年在一場大暴雨中被沖垮，共有31個淤積層，同理，為了減少淤積物頂層認為耕作的影響，剔除最頂層的一個淤積層，即分析時只考慮下面的30個淤積層。各淤積層的顆粒分析結果見表4，由表4可知，該典型淤地壩的壩地分層淤積物的粒徑主要分布在25～100 μm。由土壤顆粒分級標準可知，該典型壩壩控流域土壤顆粒主要介于細砂粒和粗粉粒之間。根據土壤分散系數的定義——微團聚分析的黏粒(小于0.001 mm顆粒)與顆粒分析的黏粒數的百分比，利用表1中的實測數據，計算出各淤積層土壤的分散系數(表1)。并在此基礎上建立了微團聚含量(小于0.001 mm顆粒)與土壤分散系數的關系，擬合關系式為對數函數形式，具體方程如下：

y=0.081 3 lnx+0.672(R2=0.799 4)

(3)

式中：y——土壤分散系數(%)；x——微團粒的含量(%)；R2——決定系數。由關系式(3)可知，隨著土壤微團聚體含量的增加，土壤的分散系數呈對數函數遞增。但由于本文未對土壤的孔隙度、土壤團聚體的水穩性進行測試，所以，此關系的可靠性是以土壤顆粒級配的測定為前提的。

運用回歸分析法，計算出土壤顆粒的分形維數，回歸分析所得相關系數均在0.66以上，線性相關顯著，結果見表4。土壤被認為是一種具有分形特征的分散多孔介質，土壤分形維數是反映土壤結構幾何形體的參數。由表4可知，該典型淤地壩壩地分層淤積物的分形維數在2.661～2.703。為了進一步分析淤積年限內分形維數隨淤積年份的變化趨勢，根據關帝溝3號壩的淤積層與次侵蝕性降雨的分析結果[25]，做出淤積年限內關帝溝3號壩各淤積層分形維數隨淤積年份的變化表見表5。根據表5繪制出關帝溝3號壩分形維數隨淤積年份的變化圖(圖2)。由圖2可知，該典型淤地壩在淤積年限內隨著淤積年份的增大呈現出遞減趨勢，經添加趨勢線后，發現擬合曲線滿足線性關系，決定系數為0.370 5。可見隨著淤積年限的增大，該典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數逐漸減小，表明壩控流域淤積年限內的土壤顆粒級配變粗。究其原因,基本與2.1小河溝流域石畔峁壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數隨淤積年限的變化原因相同。同理，根據土壤粒徑分形的物理意義[19-22]可知，壩地分層淤積土樣中沙粒含量增大，粉粒和黏粒減小。因此，本研究結果表明：該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢，淤積年限內壩控流域水土保持措施配置不合理。

表4　關帝溝3號壩各淤積層土壤粒級分布及土壤顆粒的分形維數

圖2　關帝溝3號壩分形維數隨淤積年份的變化趨勢

由表6可知，關帝溝3號壩壩控流域土地利用結構中草地面積最大，占土地利用面積的36.51%。梯田、坡耕地、林地和壩地分別占25.78%，22.32%，9.15%，6.24%。根據實測資料計算出王茂溝流域的實際土壤侵蝕模數為7 413 t/(km2·a)，達到了強度侵蝕標準。同理，這也進一步說明了關帝溝3號壩壩控流域內不合理的土地利用方式使得流域的土壤侵蝕強度增加幅度之大，這一結果與以上根據壩地淤積物顆粒的分形維數分析的結果一致，即該典型淤地壩壩控流域內的水土保持措施的配置不合理。

表5　關帝溝3號壩各淤積層分形維數隨淤積年份的變化

表6　關帝溝3號壩壩控流域土地利用結構

3結 論

本文針對目前水土保持綜合治理評價中存在的問題，根據典型淤地壩壩地分層淤積物能夠反映出壩控流域淤積年限內水土流失情況這一特征，利用室內壩地分層淤積物的顆粒分析結果，結合分形理論，對黃土丘陵溝壑區第I副區2座典型淤地壩壩控流域已有水土保持措施的合理性給予分析，結果表明：兩座典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數隨淤積年限的增大，都呈現逐漸減小的趨勢，即典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢，典型淤地壩壩控流域淤積年限內水土保持措施配置不合理。研究方法拓寬了水土保持措施合理性的評價方法，研究結果為壩控流域水土保持措施的合理配置提供科學指導。

[參考文獻]

[1]Shi Hui, Shao Mingan. Soil and water loss from the Loess Plateau in China[J]. Journal of Arid Environments, 2000,45(1):9-20.

[2]Fu Bojie. Soil erosion and its control in the Loess Plateau of China[J]. Soil Use and Management, 1989,5(2):76-82.

[3]Stolte J, Liu Baoyuan, Ritsema C J, et al. Modelling water flow and sediment processes in a small gully system on the Loess Plateau in China[J]. Catena, 2003,54(1):117-130.

[4]孫立達,孫保平,齊實.小流域綜合治理理論與實踐[M].中國科學技術出版社,1992.

[5]李懷甫.小流域治理理論與方法[M].水利電力出版社,1989.

[6]董仁才,余麗軍.小流域綜合治理效益評價的新思路[J].中國水土保持,2008(11):22-24.

[7]Wei Jie, Zhou Jie, Tian Junliang, et al. Decoupling soil erosion and human activities on the Chinese Loess Plateau in the 20th Century[J]. Catena, 2006,68(1):10-15.

[8]van den Elsen E, Hessel R, Liu Baoyuan, et al. Discharge and sediment measurements at the outlet of a watershed on the Loess Plateau of China[J]. Catena, 2003,54(1):147-160.

[9]Fu Bojie, Chen Liding, Ma Keming, et al. The relationships between land use and soil conditions in the hilly area of the loess plateau in northern Shaanxi, China[J]. Catena, 2000,39(1):69-78.

[10]焦菊英,王萬忠,李靖,等.黃土高原丘陵溝壑區淤地壩的淤地攔沙效益分析[J].農業工程學報,2003,19(6):302-306.

[11]方學敏,萬兆惠.黃河中游淤地壩攔沙機理及作用[J].水利學報,1998(10):49-53.

[12]冉大川,羅全華,劉斌,等.黃河中游地區淤地壩減洪減沙及減蝕作用研究[J].水利學報,2004,35(5):7-13.

[13]李敏.淤地壩在黃河中游水土流失防治中的作用[J].人民黃河,2004,25(12):25-26.

[14]魏霞,李占斌,沈冰,等.陜北子洲縣典型淤地壩淤積過程和降雨關系的研究[J].農業工程學報,2006,22(9):80-84.

[15]魏霞,李占斌,李勛貴,等.基于灰關聯的壩地分層淤積量與侵蝕性降雨響應研究[J].自然資源學報,2007,22(5):842-850.

[16]李勉,楊劍鋒,侯建才,等.黃土丘陵區小流域淤地壩記錄的泥沙沉積過程研究[J].農業工程學報,2008,24(2):64-69.

[17]張信寶,溫仲明,馮明義,等.應用137Cs示蹤技術破譯黃土丘陵區小流域壩庫沉積賦存的產沙記錄[J].中國科學:D輯,2007,50(2):254-260.

[18]楊培嶺,羅遠培,石元春.用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征[J].科學通報,1993,38(20):1896-1899.

[19]任雪,褚貴新,王國棟,等.準噶爾盆地南緣綠洲—沙漠過渡帶“肥島”形成過程中土壤顆粒的分形研究[J].中國沙漠,2009,29(2):298-304.

[20]方萍,呂成文,朱艾莉.分形方法在土壤特性空間變異研究中的應用[J].土壤,2011,43(5):710-713.

[21]蘇永中,趙哈林.科爾沁沙地農田沙漠化演變中土壤顆粒分形特征[J].生態學報,2004,24(1):71-74.

[22]宮阿都,何毓蓉.金沙江干熱河谷區退化土壤結構的分形特征研究[J].水土保持學報,2001,15(3):112-115.

[23]魏霞.淤地壩淤積信息與流域降雨產流產沙關系研究[D].西安:西安理工大學,2005.

[24]冉大川,劉斌,王宏,等.黃河中游典型支流水土保持措施減洪減沙作用研究[M].黃河水利出版社,2006.

[25]侯建才.黃土丘陵溝壑區小流域侵蝕產沙特征示蹤研究[D].西安：西安理工大學,2007.

Rationality Analysis of Soil and Water Conservation Measures in Basin System Controlled by Typical Check Dams

WEI Xia, LI Xungui, LI Yaojun

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] To analyze the rationality of soil and water conservation measures in order to provide a scientific guidance in basin system controlled by typical check dam. [Methods] Two typical check dams were selected, soil sample were collected, grain composition and fractal dimension were calculated, and the fractal dimension trends with the deposition years were analyzed by combining field tests and laboratory tests. [Results] The fractal dimension decreased with the depositing years increasing for the two typical check dams. [Conclusion] There existed desertification in surface or more deep soil of the basin systems controlled by two typical check dams, which showed that the configuration of soil and water conservation measures were unreasonable in the basin system controlled by two typical check dams.

Keywords:typical check dam; basin system controlled by check dams; grain composition; fractal theory; rationality analysis

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0012-06

中圖分類號：S157

收稿日期：2014-03-26修回日期：2014-04-23

資助項目：國家自然科學基金項目“典型淤地壩淤積過程辨識及其主要影響因素研究”(41001154),“復雜環境下涇河流域汛期難控制利用洪水臨界效應研究”(51109103); 中國博士后科學基金項目“基于壩地分層淤積信息的淤積過程與壩控流域坡溝侵蝕產沙的響應研究”(20110490862)

第一作者：魏霞(1980—),女(漢族),陜西省扶風縣人,博士后,副教授,主要從事土壤侵蝕與水土保持、水文學及水資源等方面的研究。E-mail:weix@lzu.edu.cn。