丹東市寬甸縣小城子小流域土壤侵蝕特征分析

單楚硯

(丹東市水務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000)

1 小流域概況

小城子小流域位于丹東市寬甸縣北部的牛毛塢鎮(zhèn)，地處E124°58′37″-125°04′36″，N40°54′05″-40°57′40″。流域總面積60.93 km2，形狀呈長方形，地貌類型為低山丘陵區(qū)，海拔500-1000m，相對高差200-500m。區(qū)內(nèi)溝壑發(fā)育，山體連貫，谷坡和緩，形態(tài)各異，多為“U”型谷，河谷兩側(cè)有小型平地，河流下切較弱。氣候?qū)儆诩撅L(fēng)南溫帶大陸性氣候，年均降水量1100mm，是東北地區(qū)降雨和暴雨中心，全年降雨量70%集中于6、7、8三個(gè)月，降水年際率變化大，多以暴雨的形式出現(xiàn)，50a以來的最多年降雨量1815.0mm(1985年)，最小年雨量659.5mm(1965年)，比率達(dá)到2.8，平均蒸發(fā)量850mm/a。

該流域?qū)儆邙喚G江水系，地表徑流量0.18億m3，地表水以雨水補(bǔ)給為主，其枯豐變化與降水同步。每年1、2、11、12為枯水期，3、4、5、9、10為平水期，6、7、8月為豐水期，75-80%的徑流集中于6-8月洪雨季，而3-5月徑流量僅占12%。徑流深度自東向西遞減，徑流深600-700mm，徑流系數(shù)05-0.6，變差系數(shù)0.3。調(diào)查顯示，流域內(nèi)>1000m的溝道有32條，500-1000m的溝道有98條，<500m的溝道有140-160 條，溝道總長度180-210km，溝壑密度為 4.15 km/km2。

2 RUSLE模型

根據(jù)小城子小流域相關(guān)資料，對流域內(nèi)土壤流失量考慮利用RUSLE模型計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

A=R×K×S×L×C×P

(1)

式中：A為單位面積上年均細(xì)溝侵蝕及坡地坡面侵蝕量；R、K、S、L、C、P分別代表降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度、坡長、植被覆蓋和水保措施因子。

2.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力反映了降雨徑流可能產(chǎn)生土壤侵蝕的能力，RUSLE模型中的R數(shù)值體現(xiàn)了降水總量、徑流速度、雨滴擊濺與土壤侵蝕的關(guān)系[1-2]。一般地，難以直接測得降雨侵蝕力因子R值，可通過Wischmeier典型計(jì)算公式和相關(guān)降雨參數(shù)計(jì)算確定。文章借鑒馬良等[3]研究提出的R=0.141Pa1.560降雨侵蝕力簡易計(jì)算公式，結(jié)合多年平均降水量(1100mm)和相關(guān)降水資料計(jì)算其降雨侵蝕力因子值。考慮到小城子小流域總面積較小實(shí)際情況，整個(gè)區(qū)域的R因子值均采用同一值。

2.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性反映了土壤被水力沖蝕、搬運(yùn)、分離的難以程度[4]，也是驅(qū)動水土流失的內(nèi)在動力。K因子是指單位降雨侵蝕力指數(shù)對連續(xù)休耕情況下坡度>9°坡面所造成的土壤流失率，常用的計(jì)算方法有EPIC模型估算法、可蝕性諾莫圖法和Shirazi公式法等。

除河流水域外，小城子小流域土壤共分為5個(gè)土類，即沼澤土、草甸土、水稻土、暗棕壤土和棕壤土，其中棕壤土屬于地帶性土壤，集中分布于河谷平原高階地和低山丘陵、坡角平地上，該類土壤面積為57.88km2。小城子小流域各土壤土壤的K因子值，見表1。

表1 小城子小流域各土壤土壤的K因子值

2.3 地形因子

文章擬利用Remortel算法計(jì)算小城子小流域LS值，即利用適用于細(xì)溝與細(xì)溝間侵蝕之比中等情形的Remortel第4版AML程序算法修改的坡長指數(shù)(m)，對其按照相應(yīng)的坡度插值計(jì)算[5]。考慮到小城子小流域大部分區(qū)域坡度均>10°的實(shí)際，結(jié)合劉寶元提出的陡坡坡度公式計(jì)算坡度因子值，其表達(dá)式為：

(2)

在LS因子計(jì)算過程中，仍然考慮適用于細(xì)溝侵蝕比率中等情形的坡長指數(shù)(m)，并通過設(shè)計(jì)AML程序確定。坡面上細(xì)溝間侵蝕比率β與坡長指數(shù)m的大小直接相關(guān)，兩者間的關(guān)系式為：

m=β/(1+β)

(3)

式中：β值與細(xì)溝侵蝕對土壤敏感性的強(qiáng)弱有關(guān)，考慮到研究區(qū)土地利用、土壤類型、植被條件和降水狀況等因素，本研究取細(xì)溝侵蝕對土壤敏感性適中時(shí)的β值，可利用下式計(jì)算確定[6]：

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(4)

式中：θ為坡度。

2.4 植被覆蓋因子

植被覆蓋因子C是指同等條件下適時(shí)翻耕、連續(xù)休閑對照土地地上與耕作農(nóng)地上的土壤流失量之比，取值0-1之間，無量綱。植被覆蓋因子反映了土壤侵蝕率速率受土地管理、耕作方式的影響，一般用于保護(hù)規(guī)劃與各種管理措施的相互關(guān)系分析[7-9]。植被覆蓋和水保措施因子均發(fā)揮著積極作用，有利于抑制土壤侵蝕動力。目前，計(jì)算C因子的方法較多，不同計(jì)算方法都存在各自的不足且各有所長，其應(yīng)用范圍和使用尺寸不同[10]。文章結(jié)合前提獲取的覆蓋類型、土地利用等高精度數(shù)據(jù)和相關(guān)研究資料，擬應(yīng)用直接賦值法計(jì)算植被覆蓋因子值。

2.5 水保措施因子

水保措施因子P是指順坡耕作塊地未實(shí)施水保措施之前和特定水保措施下的水土流失量之比，水保措施通過調(diào)整斜坡坡度、水流形態(tài)、表面流匯流方向等降低徑流速率和徑流量，從而發(fā)揮抑制土壤侵蝕的作用[11]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中主要有梯田修筑、等高耕作和等高帶狀種植等水保措施，P因子值處于0-1之間，0、1代表不產(chǎn)生土壤侵蝕和未采取水保措施的地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和所處低山丘陵區(qū)的實(shí)際，不同土地利用類型下小城子小流域C、P因子值，見表2。

表2 不同土地利用類型下小城子小流域C、P因子值

3 結(jié)果分析

3.1 小城子小流域侵蝕狀況

根據(jù)《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，小城子小流域現(xiàn)有水土流失面積2.82km2，其中輕度侵蝕1.92km2，中度侵蝕0.9km2，所占比例為68%、32%。流域內(nèi)土壤侵蝕平均值為2150t/km2·a，以水蝕為主，重力、風(fēng)力、凍融侵蝕相伴發(fā)生，年均土壤流失量達(dá)到1.8萬t。土壤侵蝕強(qiáng)度分級，見表3。

表3 土壤侵蝕強(qiáng)度分級

此外，流域內(nèi)除極少量的有林地外，其它土地均有不同程度的水土流失，坡耕地上普遍存在著層狀面蝕、細(xì)溝侵蝕，溝沿線附近溝蝕、坍塌嚴(yán)重，溝坡則因植被覆蓋度的不同存在不同程度的鱗片狀面蝕、溝蝕等。因此，坡耕地和溝坡應(yīng)作為流域土壤侵蝕重點(diǎn)防治區(qū)。

3.2 不同用地類型的土壤侵蝕

小城子小流域土地總面積60.93km2，其中農(nóng)地3.7km2，占比6.01%；林地53.27km2，占比85.93%；園地1.33km2，占比2.14%；交通運(yùn)輸用地0.26km2，占比0.65%；水域及水利設(shè)施用地1.06km2，占比1.71%；城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)用地0.15km2，占比0.24 %；草地0.75 km2，占比1.21 %，其它用地0.42km2，所占比例0.68%，不同用地類型土壤侵蝕有關(guān)參數(shù)，見圖1。

圖1 不同用地類型土壤侵蝕有關(guān)參數(shù)

從圖1可以看出，土壤侵蝕模數(shù)最大的是其它用地類型，從土壤侵蝕量和侵蝕面積所占比例的層面上，農(nóng)地屬于小城子小流域侵蝕較嚴(yán)重的地類，在所有用地類型中農(nóng)地的侵蝕量最高，對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率達(dá)到64.5%，侵蝕模數(shù)也較高為3951.0t/km2·a；其次是城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)，對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率為19.7%，侵蝕模數(shù)為3245.1t/km2·a。其他土地利用類型與之相比，侵蝕量占比相對較低。從侵蝕強(qiáng)度的層面講，各土地利用類型以輕度、中度侵蝕為主，只有其它用地(如采石場、特殊用地)達(dá)到強(qiáng)烈侵蝕。由各類土地利用類型的侵蝕強(qiáng)度、侵蝕量和占地面積可知，旱地的面積大、侵蝕強(qiáng)度高且侵蝕量突出，應(yīng)作為該小流域亟待整治的地類；城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)和園地應(yīng)作為重點(diǎn)治理和預(yù)防地類，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注與預(yù)防林地、草地的水土流失。

3.3 不同地形條件的土壤侵蝕

在探討土壤侵蝕與地形坡度的空間配置問題時(shí)，有學(xué)者提出了多種劃分坡度等級的方法。文章結(jié)合相關(guān)資料，將坡度劃分成≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°共6個(gè)等級，小城子小流域坡度分級統(tǒng)計(jì)，見表4；經(jīng)空間疊加確定土壤侵蝕有關(guān)參數(shù)，不同地形坡度的侵蝕參數(shù)，見圖2。

表4 小城子小流域坡度分級統(tǒng)計(jì)

小城子小流域總面積為6093.09hm2，其中坡度≥35°、25°-35°、15°-25°、8°-15°、5°-8°、≤5°的面積分別為4899.14hm2、556.06hm2、624.87hm2、502.75hm2、382.49hm2、377.52hm2，所占比例依次為80.74%、8.97%、10.08%、8.11%、6.17%、6.09%，即80%以上區(qū)域的坡度均≥35°。

圖2 不同地形坡度的侵蝕參數(shù)

從圖2可以看出，隨著坡度的增加土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，尤其是坡度>25°后呈現(xiàn)出更加明顯的上升趨勢。具體而言，地形坡度≤5°時(shí)，土壤侵蝕量受坡度的影響較弱，坡度≤5°的面積占比為6.09%，對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率為1.6%，土壤侵蝕模數(shù)也較低為174t/km2·a，屬于微度侵蝕。隨著坡度的不斷增大，面積占比以及對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率不斷增大，由此表明地形逐漸對土壤侵蝕發(fā)揮作用。坡度≥35°后，小流域面積占比和對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率快速增大，該條件下的面積占比為80.74%，總侵蝕量貢獻(xiàn)率接近67.8%，表明該坡段對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率和面積比例均達(dá)到最高，應(yīng)作為水土保持重點(diǎn)治理坡段。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)估算，小城子小流域土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到2150t/km2·a，流域內(nèi)水土流失面積2.82km2，其中輕度侵蝕1.92km2，中度侵蝕0.9km2。該計(jì)算結(jié)果與2013年水保治理項(xiàng)目實(shí)際調(diào)查情況基本一致，RUSLE模型具有較高的計(jì)算精度。

2)流域內(nèi)侵蝕類型以水蝕為主，重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕相伴發(fā)生，年均土壤流失量達(dá)到1.8萬t。土壤侵蝕模數(shù)最大的是其它用地類型，農(nóng)地屬于侵蝕較嚴(yán)重的地類，在所有用地類型中其侵蝕量最高，對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率達(dá)到64.5%，侵蝕模數(shù)也較高；其次是城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)，對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率為19.7%。

3)從不同用地類型上，旱地的面積大、侵蝕強(qiáng)度高且侵蝕量突出，應(yīng)作為該小流域亟待整治的地類；城鄉(xiāng)、工礦、居民點(diǎn)和園地應(yīng)作為重點(diǎn)治理和預(yù)防地類，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注與預(yù)防林地、草地的水土流失。隨著坡度的增加土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，尤其是坡度>25°后呈現(xiàn)出更加明顯的上升趨勢。坡度≥35°后，該坡段對總侵蝕量的貢獻(xiàn)率和面積比例均達(dá)到最高，應(yīng)作為水土保持重點(diǎn)治理坡段。