周耀華，張 濤，郭國(guó)先，王天巍

（1武漢市水土保持監(jiān)測(cè)站，武漢430010；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；3武漢市黃陂區(qū)蔡店水保站，武漢430323）

水土流失預(yù)測(cè)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案中的重要內(nèi)容之一，是水土保持措施布局和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是項(xiàng)目區(qū)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1］。目前，大部分水土流失預(yù)測(cè)主要依據(jù)RULSE模型來(lái)估算。野外對(duì)于水土流失背景值的測(cè)定多采用徑流小區(qū)法，但是由于地形條件的限制，常常找不到合適的位置布設(shè)徑流小區(qū)，因此，水土流失背景值的數(shù)據(jù)很難監(jiān)測(cè)到。所以，在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，水土流失監(jiān)測(cè)徑流場(chǎng)的設(shè)立變得至關(guān)重要。徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理利用成為快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)某區(qū)域土壤流失量的有效途徑。同時(shí)該預(yù)測(cè)方法的研究將有利于探索區(qū)域水土流失規(guī)律，尋求水土流失防治途徑和方法［2］。

水土流失監(jiān)測(cè)設(shè)立的坡面徑流場(chǎng)是建立在自然坡面上的小集水區(qū)域。一般面積在1hm2左右，比自然徑流小區(qū)大［3］。大型坡面徑流場(chǎng)由于坡面寬闊，徑流易于集中，降雨產(chǎn)流后，坡面徑流形態(tài)除少部分為薄層片流外，大多為股流，侵蝕形態(tài)既有片蝕和細(xì)溝侵蝕，也有淺溝侵蝕、谷坡侵蝕及重力侵蝕，其測(cè)定的土壤流失量代表了自然坡面的實(shí)際土壤流失量［4］。這類(lèi)小區(qū)反映了下墊面異質(zhì)性相互作用后產(chǎn)生的土壤侵蝕狀況。坡面徑流場(chǎng)更貼近自然狀態(tài)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以直接用于實(shí)際工作需要。鄭粉莉、唐克麗等也研究得出大型徑流場(chǎng)所監(jiān)測(cè)的泥沙數(shù)據(jù)和小流域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，而徑流數(shù)據(jù)卻相差較大［4］。所以徑流場(chǎng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以作為特定區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制中非耕地水土流失背景值預(yù)測(cè)的類(lèi)比依據(jù)，預(yù)測(cè)該區(qū)域的土壤流失量。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中計(jì)算的水土流失背景值是土壤流失量，指土壤及其母質(zhì)在侵蝕營(yíng)力作用下，產(chǎn)生位移并通過(guò)某一觀察斷面的泥沙數(shù)量。用土壤流失量推演侵蝕量時(shí)，一般只需要除以泥沙輸移比，就能求得流域的土壤侵蝕量［5］。

本文以武漢市黃陂區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)于1986年在北部低山區(qū)建立野佛溝徑流場(chǎng)，1987年開(kāi)始開(kāi)展降雨、徑流泥沙監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)該徑流場(chǎng)多年來(lái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，模擬出預(yù)測(cè)土壤流失量的模型，以期為該區(qū)水土流失及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目背景值的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1．1 研究區(qū)概況

武漢市黃陂區(qū)位于武漢市中心城區(qū)北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°09′—114°37′，北緯30°41′—31°22′。東臨新洲區(qū)和紅安縣，北與大悟縣為界，西與孝感市和孝昌縣接壤。土地總面積2 257．20km2，總?cè)丝?10萬(wàn)，是武漢市面積最大和人口最多的一個(gè)區(qū)。全區(qū)境內(nèi)地勢(shì)北高南低，以丘陵平原為主，兼有低山、洼地等地貌類(lèi)型。屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16．3℃，年降雨量1 100～1 200mm，是武漢市水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。

野佛溝徑流場(chǎng)位于黃陂區(qū)蔡店鄉(xiāng)，以花崗巖、片麻巖發(fā)育的土壤為主，試驗(yàn)區(qū)垂直投影長(zhǎng)度277m，寬64．1m，封閉徑流場(chǎng)總面積1．775hm2，平均坡度25°。監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)林草覆蓋率31．7%，目前林草覆蓋率上升為71．5%。該區(qū)建有巴歇爾槽監(jiān)測(cè)站，巴歇爾槽長(zhǎng)5m，高1m，喉導(dǎo)寬0．5m，下設(shè)60°三角量水堰，堰口海拔高程147．4m。

1．2 數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍

野佛溝徑流場(chǎng)共進(jìn)行了23a的徑流和泥沙監(jiān)測(cè)，根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》SL278－2002，“徑流頻率計(jì)算依據(jù)的資料系列應(yīng)在30a以上”，所以降雨徑流需要繼續(xù)監(jiān)測(cè)8a以上或插補(bǔ)延長(zhǎng)，才能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。懸移質(zhì)泥沙“統(tǒng)計(jì)系列長(zhǎng)度定為20a”，推移質(zhì)泥沙統(tǒng)計(jì)系列長(zhǎng)度“不宜少于10a”，野佛溝徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)站泥沙監(jiān)測(cè)資料超過(guò)20a，可將統(tǒng)計(jì)泥沙特征值作為黃陂北部低山區(qū)河流、水庫(kù)、塘堰泥沙淤積預(yù)測(cè)，土壤流失量可以作為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制中非耕地水土流失背景值預(yù)測(cè)的類(lèi)比依據(jù)。

1．3 研究方法

黃陂區(qū)北部低山區(qū)非耕地水土流失背景值預(yù)測(cè)時(shí)運(yùn)用了我國(guó)相關(guān)學(xué)者改進(jìn)后的、適用于我國(guó)水土流失評(píng)價(jià)的RUSLE模型［6］，其表達(dá)式如下：

式中：A——土壤年流失量；f——使A代表我國(guó)單位量綱［t／（km2·a）］的綜合轉(zhuǎn)換常數(shù)；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可侵蝕性因子；LS——坡長(zhǎng)坡度因子的乘積；CP——植被與經(jīng)營(yíng)管理因子、水土保持措施因子的乘積；LS、CP為無(wú)量量綱單位。

在各參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，降雨侵蝕力因子R、土壤可侵蝕性因子K的確定非常困難，所以在同一個(gè)水土流失類(lèi)型區(qū)內(nèi)，近似認(rèn)為R、K不變，僅考慮坡長(zhǎng)、坡度、植被與經(jīng)營(yíng)管理因子的變化。本文根據(jù)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)和通用土壤流失方程RUSLE的特點(diǎn)，利用類(lèi)比法［7］推導(dǎo)土壤流失預(yù)測(cè)模型。

2 結(jié)果與分析

2．1 野佛溝徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

野佛溝徑流場(chǎng)主要監(jiān)測(cè)了降雨、徑流、泥沙和土壤流失量。其中1997年因進(jìn)水喉道嚴(yán)重下沉，只監(jiān)測(cè)了降雨量，未監(jiān)測(cè)土壤流失量。監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 野佛溝徑流場(chǎng)水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得出徑流場(chǎng)內(nèi)多年平均徑流系數(shù)μ1＝0．402，平均徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ1＝0．114，變異系數(shù)Cv1＝σ1／μ1＝0．283。多年平均土壤流失量μ2＝186t／（km2·a），土壤流失量標(biāo)準(zhǔn)差σ2＝391，變異系數(shù)Cv2＝σ2／μ2＝2．10。土壤流失量標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)大，這可能是由于土壤流失量受影響因子的影響后波動(dòng)較大，所以變化比較明顯。

隨著年降雨量的增大，徑流深度也在增大，而降雨量與土壤流失量的相關(guān)性不明顯（圖1），這是因?yàn)橥寥懒魇Я渴墉h(huán)境因素的影響遠(yuǎn)比徑流深度的影響復(fù)雜［8］，同時(shí)也說(shuō)明土壤流失量與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)。1987年土壤流失量明顯高于其他年份，經(jīng)調(diào)查，主要原因是1986年建設(shè)巴歇爾槽監(jiān)測(cè)站時(shí)，在徑流場(chǎng)內(nèi)采用魚(yú)鱗坑植樹(shù)擾動(dòng)地表，導(dǎo)致1987年流失量明顯提高，該年監(jiān)測(cè)受人為活動(dòng)的影響，理論上說(shuō)應(yīng)該剔除該年監(jiān)測(cè)結(jié)果，但是考慮到該類(lèi)型區(qū)其他小流域都可能會(huì)受到不同程度的人為活動(dòng)影響，為了保持應(yīng)用該結(jié)果的一致性所以不剔除該年監(jiān)測(cè)結(jié)果。但是2001年、2006年、2009年的土壤流失量明顯偏低，為了保證與實(shí)際侵蝕情況的一致性，在計(jì)算過(guò)程中剔除了這三年監(jiān)測(cè)的土壤流失量。

圖1 降雨、徑流和土壤流失量變化規(guī)律

2．2 水土流失預(yù)測(cè)模型的建立

以徑流場(chǎng)多年平均土壤流失量為類(lèi)比依據(jù)，采用比例估算法預(yù)測(cè)黃陂區(qū)北部低山區(qū)土壤流失背景值，即：

項(xiàng)目區(qū)土壤流失量＝186×LS×CP／L0S0×

2．2．1 模型參數(shù)的計(jì)算

（1）坡長(zhǎng)坡度因子LS的確定。坡長(zhǎng)坡度因子反映的是地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響［9］，LS的確定根據(jù)《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)》推薦的適用于南方紅壤區(qū)的公式：

式中：h——相對(duì)高差；β——地面平均坡度角（°）。

野佛溝徑流場(chǎng)的相對(duì)高差：

野佛溝徑流場(chǎng)的坡長(zhǎng)坡度因子：

（2）植被與經(jīng)營(yíng)管理因子、水土保持措施因子的確定。植被與經(jīng)營(yíng)管理因子、水土保持因子CP表征自然植被和人為水保措施通過(guò)截留、改良土壤結(jié)構(gòu)、改變地表粗糙度等對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生的抑制作用［10］。C、P取值范圍為0～1。地面完全裸露時(shí)C值為1，當(dāng)?shù)孛姹Ｗo(hù)良好時(shí)C值為0．001；未采取任何水保措施的地區(qū)P值為1，水土保持很好、無(wú)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)P值為0．001。C值的確定綜合參考植被覆蓋度（表2）與土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)（表3），P值的確定綜合參考耕地類(lèi)型數(shù)據(jù)和地形坡度數(shù)據(jù)（表4）。

表2 不同植被覆蓋條件下的C值

表3 不同土地利用條件下的C值

表4 不同坡度和水保條件下的P值

通過(guò)計(jì)算得出監(jiān)測(cè)期野佛溝徑流場(chǎng)平均林草覆蓋率為51．6%，所以其植被與經(jīng)營(yíng)管理因子取有林地C0＝0．11，水土保持措施因子取等高壟作P0＝0．3。

將以野佛溝徑流場(chǎng)計(jì)算出的各個(gè)參數(shù)值代入，即得出黃陂區(qū)北部低山區(qū)水土流失背景值的預(yù)測(cè)模型：

項(xiàng)目區(qū)土壤流失量

2．2．2 預(yù)測(cè)模型應(yīng)用范圍 不同區(qū)域地形地貌、氣象、植被類(lèi)型、土壤、擾動(dòng)地表組成物質(zhì)及形態(tài)、侵蝕類(lèi)型等各個(gè)方面都會(huì)有所不同。所以在類(lèi)比法選擇時(shí)，要充分考慮水土流失主要因子的相似性、可比性［11］。該預(yù)測(cè)模型只適用于武漢黃陂區(qū)北部低山區(qū)，同一個(gè)水土流失類(lèi)型區(qū)內(nèi)，近似認(rèn)為R、K不變，所以在該區(qū)域內(nèi)依據(jù)上述方法，合理確定預(yù)測(cè)小流域的坡長(zhǎng)坡度因子LS，植被與經(jīng)營(yíng)管理因子、水土保持因子CP就能估算出項(xiàng)目區(qū)水土流失背景值。

2．3 水土流失預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

根據(jù)建立的預(yù)測(cè)模型，在武漢黃陂區(qū)北部低山區(qū)選取不同土地利用狀況下的片區(qū)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如表5所示。

表5 不同土地利用方式下土壤流失量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較 t／（km2·a）

表5表明，在不同的土地利用條件下，應(yīng)用建立的土壤流失預(yù)測(cè)模型得出的土壤流失預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值十分接近，由此可見(jiàn)由小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)研究得出的土壤流失預(yù)測(cè)模型在武漢黃陂區(qū)北部低山區(qū)是適用的。

3 結(jié) 論

在水土流失重點(diǎn)治理區(qū)建立的大型坡面徑流場(chǎng)不僅可以研究流域內(nèi)不同地形部位的泥沙來(lái)源和產(chǎn)沙部位，而且可以研究整個(gè)坡面土壤侵蝕過(guò)程及土壤侵蝕與泥沙搬運(yùn)的關(guān)系，建立坡面土壤流失預(yù)報(bào)方程［4］。野佛溝徑流場(chǎng)23a實(shí)測(cè)土壤流失量特征值即可用于黃陂北部低山區(qū)河流、水庫(kù)、塘堰泥沙淤積預(yù)測(cè)，同時(shí)建立的武漢市黃陂北部低山區(qū)水土流失背景值預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)該區(qū)非耕地水土流失背景值，需要強(qiáng)調(diào)的是，預(yù)測(cè)得出的土壤流失量是土壤侵蝕量的一部分。該區(qū)降雨、土壤抗蝕性基本相同，僅需考慮坡長(zhǎng)坡度因子、植被與經(jīng)營(yíng)管理因子、水土保持因子的變化對(duì)土壤流失量的影響，建立的模型計(jì)算方法科學(xué)，是從土壤流失監(jiān)測(cè)到土壤流失預(yù)測(cè)研究的重大突破，為區(qū)域水土流失背景值的預(yù)測(cè)提供了一種新的思路。

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