臺風“利奇馬”暴雨引發的土壤侵蝕調查研究
——以山東省臨朐縣為例

從辰宇，韓劍橋，2，焦菊英，2，馮 偉，馬春玲，謝夢霞，劉元昊，黑 哲，戈文艷，2，李連勝，王國振2，，王 飛，2

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.水利部水土保持監測中心，北京100000；4.中國科學院大學，北京100000；5.濰坊市水文局，山東 濰坊261000）

在全球氣候變化背景下，極端天氣可能頻繁出現。如何應對極端暴雨條件下的土壤侵蝕災害是中國乃至世界未來長期時間內需要面對的新問題［1］。實地調查極端暴雨影響下的土壤侵蝕特征及其原因，探尋水土保持在應對極端天氣中存在的問題，對減輕極端暴雨條件下的土壤侵蝕災害具有重要意義。

受2019年8月9號臺風“利奇馬”和冷空氣的共同影響，山東省遭受了極端暴雨災害。從8月11日20時至12 日16 時，濰坊市臨朐縣降水量385.4 mm，昌樂縣降水量380.1 mm，青州縣降水量351.9 mm，廣饒縣降水量343.9 mm，以及臨淄、淄川、博山縣等地均突破了當地單日降水極值紀錄［2］。特大暴雨對該地區的農業、交通、基礎設施等造成了重大損失，截至8月14日10時，“利奇馬”臺風共導致山東省5.03×106人受災，4.13×105人緊急轉移安置，8 000余人需緊急生活救助；6 700 余間房屋倒塌，1.60×105間房屋不同程度損壞；農作物受災面積6.43×105hm2，其中絕收4.95×104hm2；直接經濟損失9.01×109元［3］。位于暴雨中心的臨朐縣災害更為嚴重，其農地、道路土壤侵蝕劇烈。“利奇馬”臺風暴雨為研究極端暴雨下的土壤侵蝕災害提供了一個典型案例。為此，本文選取暴雨中心附近的臨朐縣曾家溝與耿家溝為代表性流域，于2019年8月15—22日進行了土壤侵蝕調查，旨在分析極端暴雨下的土壤侵蝕特征及水土流失治理中存在的問題，為極端暴雨下土壤侵蝕災害的防治提供科學依據。

1 研究區概況

研究區臨朐縣隸屬山東省濰坊市（北緯36°04′—36°37′，東經118°14′—118°49′），位于山東半島中部，沂山北麓，屬典型的北方丘陵輕度侵蝕區，暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，多年平均降水量592 mm。臨朐縣總面積1 831 km2，轄8個鎮，2個街道；2018年總人口9.26×105人。彌河由南向北穿臨朐縣境而過，境內流域面積1 438 km2，占臨朐縣總面積的78.5%［4］。“利奇馬”臺風暴雨在彌河流域匯集，導致彌河干流洪水峰高量大，造成下游壽光市堤防決堤，導致了嚴重的洪水災害。

治理程度較低的曾家溝和治理程度較高的耿家溝小流域，地處彌河上游，位于暴雨中心附近，受降雨影響最大，對于土壤侵蝕研究極具代表性（圖1）。該區域內溝道縱橫，比降大，溝壑密度1.7 km／km2，溝壑面積占總面積的1.61%，流域內土壤類型主要是棕壤和棕壤性土。該流域成土母質為花崗片麻巖，土層厚度一般50 cm 左右，層次不明顯，含礫石較多，下部為半風化的母巖［5］。土壤空隙度大，透水透氣性好，有機質含量低，酸堿性由中性到微堿性，土壤膠結力弱，易被雨水沖刷，造成水土流失。同時由于受地形、地質、地貌等自然條件的影響，加之人為不合理的開發利用，水土流失現象時有發生。

圖1 研究區雨量站位置及調查樣點土地利用類型

2 數據來源與研究方法

（1）降雨資料。由山東省濰坊市水文局收集了曾家溝、花峪與辛莊子雨量站在2019年“利奇馬”臺風過境期間的降雨資料，以及辛莊子雨量站1976—2017年的24 h最大降雨量。雨量站位置如圖1所示。通過2019年的降雨資料，分析該次暴雨的降雨過程，并根據有資料的辛莊子雨量站，采用皮爾遜Ⅲ型曲線計算該次暴雨中24 h最大降雨量的重現期［6］。

（2）坡面侵蝕資料。通過布設樣帶／樣方對兩個小流域內坡面不同土地利用（梯田、林草地、撂荒地）及作物類型（山楂、蘋果、板栗、玉米、花生等）的侵蝕情況進行調查與測量，并記錄樣方的經緯度、坡度、作物種類及其蓋度。共調查了20個樣地，其中撂荒地4個，農用地13個，林草地3個。樣地位置如圖1所示。對于每類土地利用的樣地，布設長度為10 m 的斷面，由坡上一直測到坡下［7］。若是連續的梯田階群，對于田坎上的細溝或滑塌也進行測量，樣地的分布及具體情況見表1。對于比較小的坡地，選擇了2 m×2 m的小樣方（個別小田塊采用1 m×1 m 進行測量，表1中的樣地A16-18）。對于樣地的每條細溝，每隔0.2 m 測量一個斷面，由坡上到坡下依次量取各斷面內的寬度和深度；對于田坎上的滑塌或切溝，根據坡長、坡度以及測量的難易程度測量3～5個斷面不等。結合無人機影像統計的小流域內不同類型農地的面積，采用容積法計算侵蝕量和侵蝕模數［8］。容重根據文獻［9］取1.36 g／cm3。

表1 臺風“利奇馬”暴雨的土壤侵蝕調查樣地布設情況

道路侵蝕采用抽樣調查的方法，調查區域以曾家溝為主，選擇了兩條生產道路，以20 m 為單位長度測量溝蝕的規模，每間隔0.5 m 測量一個斷面。第一條道路分為了4個路段，第二條道路分為了3個單位進行測量，并在奧維地圖定位。在侵蝕模數計算時，路面土壤容重采取1.7 g／cm3，測量區段道路的面積是利用奧維地圖勾畫出測量區邊界獲得，以此計算侵蝕模數。

對于河道沖淤，針對彌河黃山水文站控制區域的河床沖變化情況，共布置樣點4 個。采用現場測量和無人機拍攝相結合調查方法開展調查，采用植物根莖或水泥面定位該次暴雨的淤積厚度。

3 結果與分析

3.1 “利 奇馬”臺風暴雨過程

圖2為曾家溝、花峪、辛莊子水文站在該次暴雨期間（20190810—20190813）的暴雨過程線。暴雨開始于20190810上午9：00 左右，持續將近48 h，直至20190812日上午8：00才基本停止。其中曾家溝為暴雨中心，瞬時最大雨強為240 mm／h，24 h最大降雨量為450 mm，累積降雨量達到576 mm。花峪與辛莊子累積降雨量分別為552 mm 和502 mm，低于暴雨中心曾家溝。辛莊子雨量站24 h 最大降雨量為405 mm，根據皮爾遜Ⅲ型曲線計算頻率，重現期達到了50 a一遇（圖3）。

3.2 坡面侵蝕特征

3.2.1 不同土地利用類型的細溝侵蝕特征 對于撂荒地與林草地，由于土壤擾動小，植被覆蓋良好，能很好抵御該次暴雨侵蝕，無細溝侵蝕發生。如耿家溝楊樹林坡面的覆蓋度達到90%，撂荒地的植被覆蓋度25%～80%不等，并有一定的生物結皮，基本沒有細溝侵蝕（圖4）；在曾家溝選取的4階撂荒梯田及其他兩處撂荒梯田，田面在該次暴雨下均沒有產生細溝侵蝕（圖5）。

圖2 20190810－20190813曾家溝、花峪與辛莊子雨量站累積降雨量過程

圖3 辛莊子雨量站24 h最大降雨量頻率曲線

圖4 耿家溝的楊樹林（左，馬春玲攝于20190819）和梯田撂荒地（右，焦菊英攝于20190819）

選取的13塊不同類型的農地在該次暴雨下田面細溝侵蝕的情況如表2所示。調查小流域坡耕地比例很小，以3～5 m 寬的梯田為主，且坡耕地坡長較短、梯田田面較窄。5塊坡耕地有細溝發育，平均長度變化在1.1～2.8 m，平均寬度0.2～0.3 m，平均深度0.05～0.09 m，細溝侵蝕模數4 560～19 500 t／km2。細溝發育與坡耕地的位置密切相關，樣地A6，A9，A16在坡頂，坡度小，匯水面積也小，細溝侵蝕模數分別為6 200，4 560和7 000 t／km2；而坡度大，上方有一定匯水面積的玉米地細溝侵蝕模數接近20 000 t／km2（圖6）。

表2 臺風“利奇馬”暴雨引起的不同地類農地細溝侵蝕特征參數

圖5 曾家溝撂荒地（焦菊英攝于20190818）

圖6 坡耕地玉米地的細溝侵蝕（焦菊英攝于20190818）

而對于梯田，大多數情況下坡面沒有細溝發生，一般是在承接上方匯水的田面會產生細溝。例如A5樣地，是一片蘋果園，包括5～6階梯田和坡面沖溝地段，二者相連一起，梯田部分有使用除草劑后的枯草覆蓋，田面沒有細溝發生；而在凹形坡面承接上方道路匯水的部位，細溝長度可達24.38 m，甚至在下方發育成切溝（圖7），整塊蘋果園的細溝侵蝕模數為4 806 t／km2。A7樣地為10階梯田花生，在第4階以下由于匯水造成田面細溝發生，在第5階以下的地邊發育有切溝，田坎滑塌嚴重（圖8），樣地細溝侵蝕模數為1 600 t／km2。A8樣地為8 階的山楂園，由于上方匯水面積大并有滑坡發生，上方匯水造成田面和樹盤邊有細溝發生（圖9），樣地細溝侵蝕模數為1 418 t／km2。

圖7 蘋果園地侵蝕（焦菊英攝于20190819）

圖8 梯田花生地侵蝕（焦菊英攝于20190819）

圖9 梯田山楂地侵蝕（焦菊英攝于20190817）

3.2.2 不同土地利用類型的田坎滑塌特征 在該次暴雨中，梯田田坎滑塌嚴重（圖10）。調查樣地滑塌的平均長度1.1～5.6 m，平均寬度0.7～6.4 m，平均厚度0.2～0.5 m，樣地田坎侵蝕模數在301～36 321 t／km2（表3）。

田坎滑塌最輕的是A10樣地，上面7 階梯田種植丹參，下面兩階梯田種植紅薯，該梯田群為坡改梯工程，整地質量比較高，僅有1 處滑塌。花生地均為覆膜種植，地膜在地面形成一個不透水層，雨水的入滲量有限，大多隨地形走勢在地面匯集形成股流，造成田坎滑塌嚴重（圖11），最大的侵蝕寬度大6.9 m。A11的山楂與A12的玉米樣地的田坎滑塌也很嚴重（附圖31a，31b），滑塌侵蝕模數達10 000～12 000 t／km2。

對于撂荒梯田，田坎基本上完好，只是在曾家溝選取的4階撂荒梯田中僅有一階梯田的田坎發生1處滑塌（長4.7 m，寬1.4 m，厚0.353 m）堆積在下一階田面。

圖10 曾家溝（左）和耿家溝（右）的田坎滑塌（焦菊英攝于20190818）

表3 臺風“利奇馬”暴雨引起的不同地類農地的田坎滑塌侵蝕特征

3.3 道路侵蝕

表4統計了曾家溝小流域生產道路侵蝕情況。曾家溝的生產道路主要分布在耕地和園地中間，多為土石路面，基本無路邊溝等排水措施。暴雨過程中道路充當了坡面的排水通道，侵蝕嚴重，甚至基巖出露（附圖31c）。測量區域內道路平均侵蝕寬度為3.05 m，平均侵蝕深度為0.655 m，平均侵蝕模數為28 391.29 t／km2，其中最大的侵蝕模數為71 490 t／km2，最小的侵蝕模數為4 816 t／km2。承接上方匯水較多的部位，有切溝形成。在耿家溝小流域內排水措施較為完備的區域，降雨和耕地里面的雨水會隨著排水溝流走，道路侵蝕輕微（附圖31d）。

圖11 花生地的田坎滑塌（謝夢霞攝于20190819）

表4 臺風“利奇馬”暴雨引起的曾家溝道路侵蝕參數統計結果

在進入曾家溝村的硬化路面，雖外表結構完整并無塌陷損毀。但因緊鄰溝道，在溝內暴漲水流的掏蝕下，部分道路的路基被沖毀，其中最嚴重沖毀路基被沖出一個長11 m，深1.07 m，高0.85 m 的凹穴，調查期間車輛已不能通過（圖12）。耿家溝臨河水泥路路基采用漿砌石守護，基本無路基掏蝕現象發生。

因此，道路侵蝕展現了路面匯流侵蝕與路基掏蝕兩種形式，而有坡面排水措施與路基守護的道路侵蝕強度較弱。

圖12 暴雨后被掏刷的水泥路路基（戈文艷攝于20190819）

3.4 河道沖淤

從調查結果來看，河道岸坡崩塌劇烈。因在彎頂處灘槽高程較大，且處于洪水頂沖位置，崩塌更為劇烈，符合河床演變的一般規律（如圖13，附圖31e，31f）。對比發現，實施了護岸工程等險工的部位，基本無崩塌。

圖13 暴雨后彌河岸坡沖刷情況（韓劍橋攝于20190820）

河道回流區、兩河交匯、攔河壩以及橋梁上游等淤積量較大。在河道凸岸回流區內，灘體淤積明顯。如黃山水文站下游右岸的玉米地淤積深度達10.0 cm左右（表5）。兩河交匯區域，由于洪水水流相互頂托，比降減小，匯流區域有淤積，如辛莊觀測站河道淤積8.0～32.0 cm。攔河壩淤積較嚴重，淤積面基本與壩體高度平齊（如附圖31g所示）。橋梁上游由于阻水作用，有泥沙淤積產生（如附圖31h所示）。

表5 臺風“利奇馬”暴雨引起的主要河灘地的沖淤情況

4 結論

（1）關于坡面侵蝕。①林草措施具有抵御暴雨侵蝕的能力。臺風“利奇馬”暴雨中耿家溝與曾家溝的撂荒地、林草地均未發生細溝侵蝕，而農地的溝蝕和田坎滑塌侵蝕嚴重。建議加強農地田坎植被的培育與保護。②覆膜農地田坎滑塌侵蝕尤為突出。臺風“利奇馬”暴雨中覆膜花生地比玉米地的田坎滑塌侵蝕更嚴重，農地覆膜雖然減少了田面侵蝕，但提高了田面集流效率，在排水不暢條件下，匯水造成田坎部位強烈的切溝和滑塌侵蝕。建議在雨季對覆膜進行清理并妥善處理。③排水措施完善的地方土壤侵蝕弱。臺風“利奇馬”暴雨中沒有排水措施的A11山楂地的侵蝕模數是修建了截排水溝A5蘋果地的2倍。建議針對不同部位和利用的土地設計并修建適宜的蓄排水措施，與流域形成相互連通蓄排水網絡系統。④采用適宜農藝措施（如排水溝、方形樹盤、使用除草劑保留枯草覆蓋、石坎、植被田坎等）的農地，土壤侵蝕明顯較弱。建議在配套基礎蓄排水措施的同時，加強對農民的水土保持型農藝措施培訓，平時注重田面、田坎、排水措施、道路等的維護與管理。⑤本次調查區在土石山區，土壤為粗骨土，臺風“利奇馬”暴雨中細顆粒隨片蝕流失，礫石存留在土壤表面，加重了土壤的粗骨化。建議加強田面保護，修筑田埂并配置植物籬。

（2）關于道路侵蝕。①無排水措施道路徑流侵蝕嚴重。耿家溝修建有水泥排水溝的道路幾乎完好無損。建議選擇合適草灌植物種植在邊坡，沿道路內測邊坡設置排水溝以此來減弱坡面上方匯集雨水沖刷路面。②臨河道路路基易受洪水掏蝕。建議在路基處修建護坡工程，防止水流對路基的直接掏蝕，減輕暴雨過程中對基礎設施的損毀，保障防汛救災工作的順利開展。

（3）關于河道沖淤。①暴雨洪水中，河道岸坡尤其彎頂處崩塌嚴重，易引發河勢變化，導致堤防破壞，涉河建筑物運行困難等問題，建議增加河道險工數量，優化河道險工布局。②攔河壩、橋梁上游等涉河工程上游及下游附近淤積嚴重，攔河壩上游淤積甚至高于壩頂高程，淤積影響河道行洪。建議優化建筑物結構，減低涉河建筑物壅水高度和回水范圍，并提出有效的運行策略，提高河道防洪能力。③河流交匯處干支流相互頂托，造成泥沙沉積，影響河道行洪。建議修建工程設施引導兩河水流，避免河道淤積削弱行洪能力。

致謝：本次考察由水利部水土保持監測中心組織并資助，謹此致謝！