位山灌區沉沙池清淤高地風蝕規律研究

陳鳳琴，田增剛，張方方，宗萍萍

(1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250013； 3.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

由風蝕所引起的土地退化和沙塵暴是中國北方最嚴重的環境問題之一，已成為生態環境惡化的重要標志。土壤風蝕過程非常復雜，是多種自然因素和人為因素共同作用的結果。

山東風沙區的土地風沙化及土壤侵蝕狀況，在濕潤半濕潤風沙區具有廣泛的代表性和典型性。山東風沙區主要涉及魯北、魯西北、魯西南，風沙化土地主要分布在黃河故道和引黃灌渠沿線風蝕，造成土地退化、水土資源短缺、風沙蔓延、環境惡化等一系列生態問題，嚴重影響了當地群眾的生產生活，制約了經濟社會的可持續發展。經調查，2010年山東風沙區輕度以上風蝕面積為 8 100.59 km2，占土地總面積的15.89%，其中輕度風蝕面積為 3 919.91 km2、中度3 292.15 km2、強烈888.53 km2。自2012年3月起，在位山灌區沉沙池清淤高地安裝全自動風蝕監測設備(德國UGT公司生產)，同時配套自動氣象站，開展風蝕監測研究，分別于2012、2013年對風蝕研究區內土壤進行采樣，研究山東風沙區主要影響因子對風沙災害的影響，以期為該區域風沙治理方案的確定提供參考依據。

1 研究區概況

位山灌區位于山東聊城市，地理位置為115°22′～116°34′E、35°50′～37°02′N，灌區范圍主要分布在徒駭河、馬頰河流域及黃河兩岸。位山灌區始建于1958年，1962年停灌，1970年復灌，現渠首設計引水流量240 m3/s，設計灌溉面積36萬hm2，控制東昌府、臨清、茌平、高唐、陽谷、東阿、冠縣和開發區8個縣(市、區)的90個鄉(鎮)的全部或大部分耕地，總土地面積達5 380 km2，是黃河下游最大的引黃灌區，居全國特大型灌區第5位。位山灌區處于暖溫帶，光熱資源充足，無霜期較長，具有冬寒少雪、春旱多風、夏熱多雨、秋晴日照長的自然特點，以及春秋易旱、冬季干寒的氣象特征。灌區多年平均降水量為557.47 mm，其中6—9月份降水量為410.50 mm，占全年降水量的73.64%，降水量年際變化也很大，最大年降水量為987.0 mm，最小年降水量為309.7 mm，多年平均水面蒸發量為1 287.7 mm，為多年平均降水量的2.3倍。目前灌區內農作物以小麥、玉米為主，兼作棉花、花生、大豆等，復種指數為1.71。

2 研究方法

2.1 風蝕自動監測設備

SUSTRA(Suspension Sediment Trap)是由德國風蝕研究項目(German Wind Erosion Reserch Project)研制(Kuntze and Beinhauer, 1989)、德國UGT公司生產的用于風蝕監測的專業儀器設備，可監測自然界的風沙運動趨勢和土壤風蝕作用、土壤沙化與荒漠化監測、土壤有機質剝蝕等。SUSTRA風蝕監測系統帶有360°自動風向控制的沙塵采集裝置，風沙采集口始終朝向沙塵吹來的方向，收集隨風揚起的沙塵，并沉降到采集容器中，即時通過電子天平稱量，質量數據由數據采集器自動、連續采集記錄(數據采集器還可自動記錄收集沙塵的時間)，同時利用可選的外接氣象單元，同步監測記錄風蝕過程中的風速、風向、溫濕度和太陽輻射等氣象因子。

2.1.1 設備特點

SUSTRA風蝕監測系統具有如下特點：自動記錄風蝕沉淀物侵蝕的起始時間、強度，以及沉淀物隨時間變化的累計量；記錄相關過程中的氣象參數如風速、風向、溫濕度、雨量、太陽輻射、土壤水分與土壤溫度等；采集粒徑范圍為中等到細的沙塵，采集效率達80%。

2.1.2 技術指標

SUSTRA風蝕監測系統設備測量間隔為5 min，RAM內存容量可連續監測80 d(5 min時間間隔)；測量范圍為0～1 200 g，測量精度為0.1 g；進風口內徑50 mm、高度23 cm，通過調節稱重箱的埋深可以調節進風口離地面的高度。

2.2 風蝕量監測

在位山灌區沉沙池清淤高地安裝風蝕自動監測設備一套，自2012年3月至2013年8月進行24 h連續不間斷的風蝕量監測，歷時1.5 a。儀器安裝在開闊區域，滿足觀測試驗條件。風蝕監測設備自動集沙口距離地面25 cm，每15 min記錄一次數據，精度達0.1 g。

2.3 土壤顆粒組成測定

在2012、2013年位山灌區沉沙池清淤高地對地表(深度0～10 cm)土壤進行土壤養分及土壤顆粒組成分析，共設24個取樣點，每個取樣點隨機重復取樣3次。同時，采用激光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000粒度分析儀，馬爾文有限公司生產)對風蝕自動監測設備內收集的樣品進行顆粒分析。

2.4 風速、土壤濕度及周圍環境監測

結合自動氣象站對研究區氣象參數進行24 h記錄，為了與風蝕記錄相吻合，設定為每15 min記錄一組數據。自動氣象站監測風速、瞬時風速、風向、土壤濕度、溫度、降雨量等。試驗時，監測土壤濕度的探頭分別放在距離土壤表面30、60、90 cm處。周圍環境變化情況：在2012年3月底、4月初整地種植棉花，在2012年4月沉沙高地地表幾乎全部裸露，2012年底實施覆淤還耕技術后，至2013年4月地表覆蓋約20 cm高小麥。

3 研究結果

3.1 風蝕量及風蝕規律分析

3.1.1 風蝕量監測結果

由風蝕監測結果可以得出，2012年3月至2013年8月監測風蝕量共計316.6 g，考慮到儀器的精度為0.1 g，15 min內風蝕量為0.1 g的不計入，則有135組風蝕量數據，共產生風蝕量265.49 g。監測期間風蝕量集中在3、4月份，分別占監測期間風蝕量的45.62%、51.97%。對135組風蝕數據進行分析，連續30 min產生風蝕的事件共9次，其中有4次連續1 h以上均產生風蝕；無植被覆蓋情況下，最小起沙風速為3.71 m/s，最大起沙風速為7.74 m/s，最小起沙瞬時風速約為5.94 m/s，最大起沙瞬時風速約為12.62 m/s。

由于研究區風蝕量主要集中在3、4月份，因此選擇監測時間相對完整的2012、2013年4月的風蝕量及氣象參數進行對比分析，結果見表1。對比2012、2013年4月份氣象條件，2012年4月降雨量為64.00 mm，比2013年4月的9.18 mm多54.82 mm，但2012年4月風蝕量卻比2013年4月多155.9 g。這是因為周圍環境條件發生了變化，2012年4月位山灌區研究區未開展治理，沉沙高地地表幾乎全部裸露，在2012年底實施了覆淤還耕措施后，至2013年4月地表覆蓋了約20 cm高的小麥，植被覆蓋度明顯增加，受植被覆蓋度變化影響，侵蝕量大幅度降低，減少了約98%。由表1知，有作物覆蓋(2013年4月)的最小起沙風速為4.82 m/s，無作物覆蓋(2012年4月)的最小起沙風速為3.71 m/s；有作物覆蓋的最小起沙瞬時風速為8.72 m/s，無作物覆蓋的最小起沙瞬時風速為5.94 m/s；有作物覆蓋時達到最小起沙風速(4.82 m/s)的時間為46 h，無作物覆蓋時達到最小起沙風速(3.71 m/s)的時間為134 h。

表1 2012年4月與2013年4月研究區各參數比較

3.1.2 風蝕量與風速的關系

在位山灌區，風蝕災害的主要貢獻因素是風速。考慮到位山灌區在2012年3月底、4月初整地種植棉花，整地以后土壤表層含水量在同一時間段內基本一致，周圍環境一致性高，為保證溫度一致，選擇11:00—15:00的侵蝕數據共40組，對同一時間風蝕量與風速、瞬時風速的關系進行分析。

用SPSS數據統計分析軟件進一步對風蝕量與起沙風速、起沙瞬時風速之間的關系進行分析，建立了風蝕量與起沙風速、起沙瞬時風速之間的指數關系。在外界環境高度一致的情況下，起沙風速大于3.71 m/s時，風蝕量與起沙風速之間存在很好的指數關系，即y=0.001e1.206x，R2=0.885；起沙瞬時風速大于5.94 m/s時，風蝕量與起沙瞬時風速之間存在較好的指數關系，即y=0.003e0.65x，R2=0.600。

3.2 風蝕影響因子及影響機理

3.2.1 土壤顆粒組成

由于顆粒間黏聚力、地表粗糙度與持水力等不同，不同粒徑土壤的風蝕臨界風速值差異顯著，因此由不同粒級的顆粒組成的質地不同的土壤在相同風力作用下的風蝕量大不相同。根據粒徑不同，土壤顆粒在風的作用下將以懸移、躍移及表層蠕移的形式運動。一般情況下，粒徑小于0.1 mm的土壤顆粒以懸移的形式運動，約有88.5%的土壤顆粒以懸移質的形式運動到較遠的地方；粒徑為0.1～0.15 mm的土壤顆粒最容易以躍移的形式運動，躍移質都在地面附近運動；粒徑為0.5～1.0 mm的土壤顆粒一般以表層蠕移的形式運動[1]。

對研究區表層土壤顆粒進行分析，分別統計粒徑<0.25、0.25～0.5 mm的土壤顆粒含量，分析結果表明，表層土壤顆粒粒徑絕大部分小于0.25 mm，其中粒徑為0.1～0.25 mm的土壤顆粒占全部土壤顆粒的10%以上，具備風蝕和土壤沙化的條件。

3.2.2 土壤水分含量

土壤風蝕量對土壤水分含量特別敏感，水分可通過提高起沙風速進而影響風蝕量。土壤水分含量越大，土壤顆粒之間的黏附性越大，在同樣的風速吹蝕下越不容易被風吹蝕。反之，含水量低的土壤，更容易遭受風力的吹蝕。物質的風蝕可蝕性與土壤含水量成反比[2]，發生土壤風蝕的上限含水量為3%～4%[3]，當含水量超過4%時，一般不會出現風蝕[4]。土壤風蝕量隨含水量的平方呈線性減小趨勢[5]。

研究區旱、風同季，旱季降水量僅為全年的15%，但大風日數卻占全年的50%。低降水量及高蒸發量導致土壤水分含量低，地表沙性物質結構松散，在大風天氣下風蝕極易發生。通過對研究區連續2年土壤含水量的觀測，3—4月份土壤含水量最低，表層土壤平均含水量在2.5%左右，容易發生風蝕。

3.2.3 風 速

不同粒徑的土壤顆粒起沙風速不一樣。對于較粗的土壤顆粒，根據朱震達等[6]在中國沙漠地區的觀測結果，粒徑0.1～0.25 mm的土壤顆粒起沙風速(距地面2 m處的風速，下同)為4.0 m/s，粒徑0.25～0.5 mm的土壤顆粒起沙風速為5.6 m/s。隨著土壤顆粒粒徑的減小，其起沙風速也相應減小。

據觀測，研究區風速大于3.71 m/s時開始飛沙。山東風沙區大風產生風蝕主要集中在3、4月份，持續達到3 h以上起沙風速的天數平均為10 d/a左右。對位山灌區連續2年風蝕量與風速關系的分析結果表明，風蝕量很大程度上取決于風速的大小和持續時間，風速對風蝕災害的貢獻最大。

3.2.4 植被覆蓋

風力侵蝕主要發生在近地表，著生于地表的植被可對風蝕過程發生干擾。植被直接覆蓋地表，避免了覆蓋部分風與沙的直接接觸從而防止風蝕過程的發生，同時植被可減小一定高度內氣流對地表的動量傳輸，并攔截風沙流使沙粒沉積。隨著植被覆蓋度的增加，風沙土的風蝕率急劇下降，當植被覆蓋度超過30%時，基本上無風蝕發生。

根據研究區的實際情況，建議在風蝕區種植小麥，增加風蝕季節植被覆蓋度，以減少春季整地產生的風蝕。

4 結 語

本研究課題引入了先進的風蝕監測設施，首次在位于山東風沙區的位山灌區沉沙池清淤高地開展了24 h 不間斷監測試驗，監測風蝕量，對影響沙化區風蝕災害的主要貢獻因素(風速)開展了定量研究，建立了風蝕量與起沙風速、起沙瞬時風速之間的指數關系，為研究區風沙治理方案的制訂提供了數據參考。

(1)研究結果顯示，無植被覆蓋情況下最小起沙風速為3.71m/s，最大起沙風速為7.74m/s，最小起沙瞬時風速約為5.94m/s，最大起沙瞬時風速約為12.62m/s；有作物覆蓋時最小起沙風速為4.82m/s，最小起沙瞬時風速為8.72m/s，比無作物覆蓋時提高了30%～47%。起沙風速大于3.71m/s的情況下，風蝕量與起沙風速之間的指數關系為y=0.001e1.206x，R2=0.885，起沙瞬時風速大于5.94m/s的情況下，風蝕量與起沙瞬時風速之間的指數關系為y=0.003×e0.65x，R2=0.600，說明風蝕量很大程度上取決于起沙風速的大小和持續時間，特別是有作物覆蓋情況下大于4.82m/s的起沙風速和無作物覆蓋情況下大于3.71m/s的起沙風速對侵蝕量貢獻最大。

(2)根據山東風沙區大風產生風蝕主要集中在3、4月份的情況，建議在風蝕區種植小麥等不需要春季整地的農作物，以減少春季整地產生的風蝕量，同時考慮作物留茬，通過作物留茬減弱風速和吸附土粒防止發生風蝕。麥田留高茬(20～30 cm)可使一般地表粗糙度提高近12倍，近地風速降低約50%，土壤含水率提高10%～15%。

[參考文獻]

[1] 許曉華,史紅玲.位山灌區泥沙淤積對生態環境的影響及對策分析[J].灌溉排水學報,2007,26(4):32-37.

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[5] 董治寶,陳渭南,李振山,等.風沙土水分抗風蝕性研究[J].水土保持通報,1996,16(2):17-22.

[6] 朱震達,吳正,劉恕.中國沙漠概論[M].修訂版.北京:科學出版社,1980:1-10.