2016年“8·17”暴雨西柳溝土壤侵蝕產(chǎn)沙量分析

楊吉山 史學(xué)建 侯素珍 李莉

摘要：內(nèi)蒙古“十大孔兌”之一的西柳溝流域土壤侵蝕十分嚴(yán)重，是黃河粗泥沙的重要來源區(qū)。發(fā)生在2016年8月的“8.17”暴雨的中心區(qū)域在西柳溝流域中上游，為了解“8·17”暴雨洪水過程中的土壤侵蝕和產(chǎn)沙情況，利用淤地壩實(shí)測(cè)淤積資料和通用土壤流失方程分析計(jì)算了西柳溝龍頭拐水文站以上流域的坡面侵蝕產(chǎn)沙量、溝道侵蝕產(chǎn)沙量和土壤侵蝕強(qiáng)度等。結(jié)果表明：“8·17”暴雨洪水中流域侵蝕產(chǎn)沙總量為893.80萬t，其中坡面產(chǎn)沙量為477.56萬t、溝道產(chǎn)沙量為416.24萬t，平均侵蝕強(qiáng)度為7 672.10t/km2.淤地壩攔沙量380.80萬t，龍頭拐水文站輸沙量為539.00萬t。該次暴雨洪水的侵蝕強(qiáng)度和侵蝕產(chǎn)沙量與歷史典型暴雨洪水的相比明顯變小，說明近年來西柳溝流域水土保持措施取得了顯著效果。分析表明，溝道是西柳溝流域侵蝕產(chǎn)沙的重要地貌部位，淤地壩在該次暴雨洪水中發(fā)揮了重要的攔沙作用。

關(guān)鍵詞：“8. 17”暴雨;土壤侵蝕;坡面侵蝕;溝道侵蝕;產(chǎn)沙量;通用土壤流失方程;西柳溝流域

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j .issn.1000 - 1379.2020.01.017

1 研究背景

西柳溝是內(nèi)蒙古“十大孔兌”之一，發(fā)源于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)柴登鎮(zhèn)宗兌村張家山，向北注入黃河。西柳溝河道全長(zhǎng)106.5 km，流域面積1 356 km2.其中龍頭拐水文站以上集水面積1165 km2，從行政區(qū)劃上看除最上游小部分流域?qū)儆跂|勝區(qū)外，其他約83%的流域?qū)儆谶_(dá)拉特旗。西柳溝流域溝壑密度為3 -4 km/km2，多年平均降水量271.2 mm，多年平均徑流量1.372億m3，多年平均輸沙量2 710萬t[1]。從地貌上看，西柳溝自南向北穿越三個(gè)地貌單元，上游是砒砂巖丘陵溝壑區(qū)，中游是庫布齊沙漠，下游是河口沖積扇。

西柳溝流域處于砒砂巖、風(fēng)沙分布區(qū)，土壤侵蝕十分嚴(yán)重，是黃河粗泥沙的重要來源區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1958-2010年的53 a間，西柳溝先后發(fā)生過15次較大的山洪災(zāi)害和7次洪水泥沙堵塞黃河的重大事件[2]。西柳溝流域水土保持綜合治理始于20世紀(jì)60年代，但在90年代以前因投入少、治理規(guī)模小而收效甚微[1].從1999年開始流域內(nèi)實(shí)施退耕還林還草、淤地壩建設(shè)等水土保持綜合治理措施，逐漸取得顯著的效果[3]。近年來西柳溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度顯著降低、入黃沙量顯著減少[4].不少學(xué)者對(duì)其水沙變化的原因進(jìn)行了探討[1.3-4]，但是由于土壤侵蝕、水沙變化原因非常復(fù)雜，因此對(duì)諸如坡面和溝道對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)、在極端暴雨條件下可能的侵蝕產(chǎn)沙量及泥沙來源等還沒有較為一致的認(rèn)識(shí)。

2016年8月16日至18日，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市出現(xiàn)了一次強(qiáng)降水過程（暴雨時(shí)段主要發(fā)生在8月17日，簡(jiǎn)稱“8·17”暴雨），西柳溝流域中上游位于該次暴雨的中心區(qū)域（見圖1）。由山洪預(yù)警平臺(tái)降雨量監(jiān)測(cè)資料可知，該次暴雨24 h降雨量超過100 mm的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)有33個(gè)，其中高頭窯站降雨量達(dá)404 mm。受此次降雨的影響，西柳溝出現(xiàn)了1989年以來的最大洪水，龍頭拐站洪峰流量2 760 m3/s（出現(xiàn)在8月17日15時(shí)）、最大含沙量為149 kg/m3、輸沙總量為539萬t。此次降雨為研究當(dāng)前下墊面和極端暴雨條件下西柳溝流域土壤侵蝕強(qiáng)度、泥沙來源等提供了條件。

2 研究方法

2.1 典型壩控小流域侵蝕產(chǎn)沙量測(cè)算

在“8·17”暴雨發(fā)生后的當(dāng)年10月及次年5月，在西柳溝流域選擇了6座沒有（或僅有少量）泥沙排出的典型淤地壩，采用剖面法對(duì)壩庫中泥沙淤積量進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)地測(cè)量，結(jié)果見表1。

由于壩控小流域溝道比較短，溝道對(duì)泥沙的調(diào)蓄作用不大，因此可以認(rèn)為這些壩庫的攔沙量即壩控流域的侵蝕產(chǎn)沙量。人工實(shí)地測(cè)量溝道下切侵蝕的平均深度和側(cè)向侵蝕的平均寬度，通過無人機(jī)攝影分析溝道的數(shù)量、長(zhǎng)度等指標(biāo)，進(jìn)而估算了該次暴雨洪水造成的溝道侵蝕量。

2.2 西柳溝流域坡面產(chǎn)沙量計(jì)算

西柳溝流域土壤侵蝕產(chǎn)沙包括坡面侵蝕產(chǎn)沙和溝道侵蝕產(chǎn)沙，采用通用土壤流失方程（ USLE）計(jì)算坡面產(chǎn)沙量。USLE科學(xué)地考慮了土壤侵蝕的主要影響因素，但是由于目前還存在一些不能量化的因素，在一個(gè)比較大的流域內(nèi)對(duì)植被覆蓋、耕作、管理等因子的平均狀況等進(jìn)行準(zhǔn)確賦值還存在困難，在計(jì)算單次暴雨的產(chǎn)沙量時(shí)可能產(chǎn)生較大的誤差。因此，用上述6個(gè)典型淤地壩控制小流域坡面產(chǎn)沙量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正，然后用于西柳溝流域坡面侵蝕產(chǎn)沙量的計(jì)算。USLE模型的形式為結(jié)果進(jìn)行校正。

（3）坡長(zhǎng)因子L和坡度因子Js的計(jì)算。根據(jù)分辨率為30 m的NDVI數(shù)據(jù)，采用Van Remortel等[9]提出的方法計(jì)算坡長(zhǎng)和坡度，采用LIU等[10-11]提出的公式計(jì)算坡長(zhǎng)因子L和坡度因子Js。坡長(zhǎng)因子L計(jì)算公式為

（5）植被覆蓋因子C的計(jì)算。西柳溝流域坡面主要植被類型為耐旱的稀疏草本和小灌木，夏季地面植被枯落物很少，因此在此主要考慮植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響，采用歸一化植被指數(shù)（ NDVI）計(jì)算植被覆蓋因子C[12-13]：

（7）水土保持措施因子P的計(jì)算。USLE中的P值是某種水土保持措施下的土壤流失量與順坡耕作條件下土壤流失量的比值，水土保持措施主要包括等高耕作、壟作和梯田等。西柳溝流域梯田很少，P值計(jì)算主要考慮農(nóng)田等高種植、田埂等對(duì)土壤侵蝕的影響。經(jīng)過試算，確定農(nóng)田P值取0.55.其他土地利用類型P值取1。計(jì)算采用的土地利用類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（ http：∥www.re sdc.cn/），分辨率為1 000 m。

2.3 西柳溝流域淤地壩攔沙量的計(jì)算

西柳溝流域有107座淤地壩，這些淤地壩修建于1993-2013年。達(dá)拉特旗水土保持局分別于2015年汛后和2016年汛后對(duì)西柳溝流域淤地壩累計(jì)淤積量進(jìn)行了測(cè)量，兩次測(cè)量結(jié)果分別為265.73萬、558.65萬m3（見表2）。2016年淤積量主要是由“8·17”暴雨造成的，因此可以認(rèn)為西柳溝流域淤地壩在“8·17”暴雨中的攔沙量為2016年與2015年兩次測(cè)量值之差，即292. 92萬m3，按照1.3g/cm3的容重計(jì)算，為380.80萬t。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 坡面侵蝕強(qiáng)度

采用上述公式計(jì)算6個(gè)典型淤地壩壩控小流域坡面侵蝕產(chǎn)沙量，與實(shí)測(cè)侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系見圖2.可以看出二者的相關(guān)關(guān)系較好，因此可以用上述公式計(jì)算西柳溝全流域坡面侵蝕產(chǎn)沙量。

采用上述公式和ArcMaD軟件計(jì)算西柳溝流域各柵格單元（尺寸為30 mX30 m）的土壤侵蝕強(qiáng)度，并利用圖2中建立的坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的關(guān)系式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，得到西柳溝流域侵蝕強(qiáng)度分布圖（見圖3）。統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到龍頭拐水文站以上流域平均坡面侵蝕強(qiáng)度為4 099.23 t/km2、坡面侵蝕產(chǎn)沙量為477.56萬t。

從該次暴雨中土壤侵蝕強(qiáng)度的分布看，中部區(qū)域侵蝕強(qiáng)度最大，向上下游兩端侵蝕強(qiáng)度逐漸減小，這與降雨強(qiáng)度的分布基本一致。從西柳溝流域龍頭拐以上流域看，北部是庫布齊沙漠，由于沙地雨水入滲快，不易形成地面徑流，因此溝道稀少，水力侵蝕量比較小，以風(fēng)蝕為主;中部為蓋黃土砒砂巖區(qū)，上覆沙黃土層厚度從北部的1-2 m減小到南部的十幾厘米，上面的沙土利于雨水入滲，而下伏的砒砂巖入滲率小，有利于溝道發(fā)育，水力侵蝕和重力侵蝕都很嚴(yán)重，呈現(xiàn)出溝深坡陡的地形;南部區(qū)域砒砂巖出露，溝道較稀疏，水力侵蝕和重力侵蝕都不及中部強(qiáng)烈。此次暴雨中心正好落在土壤侵蝕嚴(yán)重的中部區(qū)域，這是造成土壤侵蝕強(qiáng)烈的原因。

3.2 溝道侵蝕產(chǎn)沙量

根據(jù)如下公式估算溝道侵蝕產(chǎn)沙量：

“8·17”洪水期間西柳溝流域有10座淤地壩被沖毀，根據(jù)實(shí)地觀測(cè)資料估算，沖毀的壩體、壩內(nèi)泥沙總增沙量為26萬t。根據(jù)實(shí)地觀測(cè)，“8·17”洪水過后主河床稍微有所沖刷，而河漫灘上有薄層泥沙淤積，總體估算河床處于沖淤相對(duì)平衡狀態(tài)，即河床沖淤量可以忽略不計(jì)。龍頭拐水文站實(shí)測(cè)輸沙量為539. 00萬t，淤地壩攔沙量為380.80萬t.由此可以計(jì)算得到龍頭拐以上流域侵蝕產(chǎn)沙總量為893.80萬t。上述模型計(jì)算的坡面侵蝕產(chǎn)沙量為477.56萬t.可以計(jì)算得到溝道侵蝕產(chǎn)沙量為416.24萬t。西柳溝龍頭拐以上流域在“8·17”洪水期間侵蝕產(chǎn)沙量平衡計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

3.3 討論

（1）由上述計(jì)算結(jié)果可知，“8·17”暴雨過程造成西柳溝龍頭拐以上流域侵蝕產(chǎn)沙總量為893.80萬t，侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)約為7 672.10 t/km2.可見在此次暴雨過程中土壤侵蝕還是很強(qiáng)烈的。這一點(diǎn)從淤地壩攔沙量也可以看到，2016年以前西柳溝流域淤地壩總攔沙量為265.73萬m3.而“8·17”暴雨造成淤地壩攔沙量為292.92萬m3，根據(jù)西柳溝淤地壩建設(shè)的時(shí)間分布估算，本次暴雨造成的土壤侵蝕量相當(dāng)于此前6-7 a土壤侵蝕量之和。但是與過去幾十年西柳溝發(fā)生的典型暴雨相比，“8·17”暴雨洪水過程呈現(xiàn)出降雨量大、洪峰小、輸沙量小的特點(diǎn)，例如與1989年、1966年、1973年發(fā)生的暴雨相比，本次降雨量最大，但是洪峰流量、最大含沙量、輸沙量小得多（見表4），反映出近年來退耕還林、禁牧、淤地壩建設(shè)等水土保持措施的減沙效益十分顯著。

（2）在“8·17”暴雨洪水造成的侵蝕產(chǎn)沙總量中，有接近一半（46.6%）的泥沙來自溝道侵蝕，溝道侵蝕的部位包括溝頭溯源侵蝕、溝道的下切侵蝕和溝岸崩塌等。雨后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，我們看到幾乎所有的溝頭都發(fā)生了溯源侵蝕，下切侵蝕主要發(fā)生在縱比降較大的支溝，發(fā)生溝岸崩塌的部位很多，因此可以認(rèn)為溝頭侵蝕和溝岸崩塌是該次暴雨洪水中溝道侵蝕泥沙的主要來源。另外，大雨后土壤含水量增大，經(jīng)過冬季的凍融風(fēng)化過程，第二年春季在溝道可見到大量的重力侵蝕堆積物，為下一次暴雨洪水提供了豐富的泥沙來源，也說明溝道中原來堆積的土體也是該次暴雨洪水泥沙的重要來源。

（3）西柳溝流域淤地壩控制面積262.65 km2，占龍頭拐以上流域面積的22.55%.但是在“8·17”暴雨洪水過程中淤地壩攔沙量占侵蝕產(chǎn)沙總量的42.6%.可見即使不計(jì)淤地壩排出的沙量，淤地壩攔沙模數(shù)也是龍頭拐以上流域平均侵蝕強(qiáng)度的1.89倍。這主要有兩方面的原因：首先，西柳溝流域淤地壩主要分布在上游中下部的左側(cè)區(qū)域，這一區(qū)域正好是“8·17”暴雨強(qiáng)度比較大的區(qū)域;其次，淤地壩的選址一般都在土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域，而土壤侵蝕嚴(yán)重的原因是土壤抗蝕性較弱、溝頭等地形陡峭、重力侵蝕活躍。因此，利用壩控流域推算全流域的土壤侵蝕強(qiáng)度一般會(huì)偏大，這種情況在其他流域也存在。

4 結(jié)論

利用淤地壩實(shí)測(cè)淤積資料和通用土壤流失方程分析計(jì)算了西柳溝龍頭拐水文站以上流域的坡面侵蝕產(chǎn)沙量、溝道侵蝕產(chǎn)沙量和土壤侵蝕強(qiáng)度等，結(jié)果表明：在“8·17”暴雨洪水中流域侵蝕產(chǎn)沙總量為893.80萬t、平均侵蝕強(qiáng)度為7 672.10 t/km2，相當(dāng)于此前6-7a土壤侵蝕產(chǎn)沙總量，可見該次暴雨導(dǎo)致的土壤侵蝕強(qiáng)度是偏大的，但與歷史上典型暴雨造成的侵蝕強(qiáng)度相比明顯變小，說明近年來西柳溝流域水土保持措施取得了顯著的減蝕效果;“8·17”暴雨過程中西柳溝龍頭拐以上溝道產(chǎn)沙量為416. 24萬t，占流域總產(chǎn)沙量的46.6%，溝道是西柳溝流域侵蝕產(chǎn)沙的重要地貌部位;“8·17”暴雨洪水過程中淤地壩攔沙量為380.80萬t，占侵蝕產(chǎn)沙總量的42.6%，淤地壩發(fā)揮了重要的攔沙作用。

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【責(zé)任編輯 張智民】

收稿日期：2019-08-17

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2016YFC0402408）;黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（HKY-JBYW- 2017 - 16）

作者簡(jiǎn)介：楊吉山（1969-），男，河南開封人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水土保持研究工作