楊 波,焦菊英,,馬曉武,趙文婷,凌 麒,張昕晗,王 飛2,,韓劍橋2,,杜鵬飛,叢佩娟,劉政鴻,陳 昊,戈文艷

〔1.中國(guó)科學(xué)院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,陜西 楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌712100;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049;4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌712100;5.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 國(guó)際泥沙研究培訓(xùn)中心,北京100038;6.水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京100053;7.陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心),陜西 西安710004〕

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第6次報(bào)告顯示,近年來(lái),全球氣候變化的影響和風(fēng)險(xiǎn)愈發(fā)復(fù)雜,氣象災(zāi)害頻發(fā),極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈增加態(tài)勢(shì)。研究[1-2]表明,歐亞旱地是最易受到氣候變化影響的地區(qū),極端氣候事件發(fā)生的可能性更大。資料[3-5]顯示,黃土高原近些年暴雨事件呈多發(fā)的態(tài)勢(shì)。因此,開(kāi)展該區(qū)暴雨侵蝕災(zāi)害調(diào)查,研究暴雨過(guò)后的侵蝕和洪水災(zāi)害顯得十分重要。

2022年7—8月,黃土高原多省區(qū)遭受大暴雨的襲擊。根據(jù)官方新聞消息和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)數(shù)據(jù)顯示,7月10—11日,陜西省榆林市定邊縣暴雨中心累積最大降雨量為114.3 mm,1 h最大雨強(qiáng)為56.3 mm,該次降雨已超全年總降雨量的1/4,暴雨導(dǎo)致大量的農(nóng)田被沖毀和淹沒(méi)。7月15日,陜甘寧3地分別暴發(fā)大暴雨,陜西省延安市安塞區(qū)、甘肅省慶陽(yáng)市慶城縣、寧夏回族自治區(qū)西吉縣暴雨中心當(dāng)日累積降雨量分別高達(dá)144,370,140.6 mm。8月10—11日,山西省呂梁市中陽(yáng)縣遭遇歷史罕見(jiàn)特大暴雨,暴雨從10日晚22時(shí)下至11日上午11時(shí),累積降雨高達(dá)205.8 mm。8月17日15時(shí),青海省大通縣突發(fā)瞬間強(qiáng)降雨,最大1 h雨強(qiáng)為40.6 mm,暴雨引發(fā)山洪,形成泥石流災(zāi)害,致使河流改道,2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)6個(gè)村1 517戶6 245人受災(zāi),并造成多人傷亡和失蹤(來(lái)源央視新聞客戶端);同日,位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗突發(fā)強(qiáng)降雨,最大累積降雨量為248.8 mm。8月21日晚,呂梁市臨縣暴雨中心最大1 h雨強(qiáng)達(dá)69.5 mm,暴雨導(dǎo)致李家坡低村受災(zāi)嚴(yán)重,降雨發(fā)生后的1 h內(nèi)洪水便漫過(guò)河道并高出路面3 m高,使得居民房屋淹沒(méi),人員和財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失。

由于受疫情影響,本研究團(tuán)隊(duì)分別于2022年7月14日至8月8日和8月19日至9月3日對(duì)陜西省榆林市定邊縣、延安市安塞區(qū)和山西省呂梁市中陽(yáng)縣和臨縣暴雨中心進(jìn)行了實(shí)地踏勘,通過(guò)對(duì)小流域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝,結(jié)合人工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的各種侵蝕現(xiàn)象及下游洪水災(zāi)害的實(shí)地調(diào)查,以期摸清場(chǎng)次暴雨下小流域土壤侵蝕災(zāi)害特征,為今后該區(qū)暴雨侵蝕災(zāi)害的預(yù)防和治理以及黃土高原地區(qū)生態(tài)保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

調(diào)查區(qū)定邊縣、安塞區(qū)、中陽(yáng)縣和臨縣均處于黃土高原腹地,區(qū)內(nèi)主要地貌類型為丘陵溝壑區(qū),海拔673.6～1 907 m。氣候類型為溫帶大陸性氣候,年均降雨量在316.9～518.6 mm,冬春干旱,夏秋濕潤(rùn)多雨,降雨主要集中在夏季,多以暴雨形式發(fā)生,時(shí)空分布不均,轄區(qū)內(nèi)全年平均氣溫3～18℃,土壤類型主要有黃綿土、沙黃土和灰褐土,轄區(qū)溝壑縱橫,粱峁遍布,川道狹長(zhǎng)、在暴雨條件下極易侵蝕,4縣暴雨調(diào)查流域詳見(jiàn)表1。

表1 調(diào)查流域基本信息

1 研究方法

1.1 調(diào)查內(nèi)容

此次調(diào)查,對(duì)4縣區(qū)的暴雨中心共計(jì)9個(gè)大小不同的小流域(表1)。通過(guò)實(shí)地調(diào)查和無(wú)人機(jī)影像提取,主要分析流域內(nèi)在場(chǎng)次暴雨條件下發(fā)生的坡面溝蝕、重力侵蝕、道路侵蝕、梯田損毀的量、淤地壩的淤積損毀情況以及流域下游村莊、農(nóng)田等洪水淹沒(méi)情況。

1.2 調(diào)查方法

本次調(diào)查主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)測(cè)和無(wú)人機(jī)航拍相結(jié)合的方式?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采用樣帶法,沿小流域從上游往下游調(diào)查,對(duì)所經(jīng)過(guò)的范圍內(nèi)所有的侵蝕現(xiàn)象均進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和記錄。主要包括:坡面侵蝕溝需測(cè)量其長(zhǎng)、寬、深,記錄其坡度、土地利用類型、植被蓋度等數(shù)據(jù),其中細(xì)溝測(cè)量采用樣方法從坡頂至坡腳用等間距斷面法測(cè)量;梯田調(diào)查需測(cè)量田面的寬度,田埂寬度、高度,田坎的高度、損毀處的長(zhǎng)寬深等數(shù)據(jù);測(cè)量淤地壩淹沒(méi)高度和淤積厚度,對(duì)損毀的淤地壩測(cè)量損毀處的長(zhǎng)寬深等數(shù)據(jù);下游村莊淹沒(méi)調(diào)查,主要通過(guò)測(cè)量其淹沒(méi)和淤積高度,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詢問(wèn)的方法進(jìn)行淹沒(méi)災(zāi)害調(diào)查。流域?qū)崪y(cè)調(diào)查點(diǎn)均需通過(guò)奧維軟件定位打點(diǎn),容重通過(guò)環(huán)刀取樣。無(wú)人機(jī)航攝主要采用仿地飛行的方式,型號(hào)為DJI大疆精靈4RTK智能航拍無(wú)人機(jī),飛行高度控制在200 m以內(nèi)。對(duì)飛行完成的航拍照片進(jìn)行影像拼接處理,可得到小流域現(xiàn)場(chǎng)高清影像圖和DEM高程等不同格式文件,室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理。

1.3 調(diào)查區(qū)暴雨資料的收集與分析

各地降雨資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)、地方氣象局和官方發(fā)布的新聞消息。按照王萬(wàn)忠、焦菊英等人[6-7]對(duì)黃土高原暴雨的劃分標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)60 min和24 h降雨量達(dá)到60 mm和200 mm時(shí)該次降雨為特大暴雨。定邊1 h最大雨強(qiáng)為56.3 mm,24 h累積降雨總量為114.3 mm,安塞24 h累積降雨量為144 mm,均位于100.1～200 mm范圍,兩地均屬于大暴雨標(biāo)準(zhǔn);而中陽(yáng)和臨縣降雨總量均達(dá)到特大暴雨60 min或者24 h累積降雨量大于60 mm和200 mm的標(biāo)準(zhǔn),調(diào)查發(fā)現(xiàn)中陽(yáng)縣暴雨歷時(shí)13 h,累積降雨量就已經(jīng)達(dá)到了205.8 mm,遠(yuǎn)高于24 h累積降雨量達(dá)200 mm的特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)。

2 土壤侵蝕與洪水災(zāi)害特征

2.1 土壤侵蝕特征

2.1.1 細(xì)溝侵蝕 細(xì)溝侵蝕是坡面主要發(fā)生的侵蝕類型之一[8-9]。通過(guò)對(duì)4個(gè)縣區(qū)暴雨中心的9個(gè)小流域調(diào)查發(fā)現(xiàn),細(xì)溝侵蝕多發(fā)生于坡耕地上,4縣中存在有坡耕地較多的是定邊縣,其他3縣流域內(nèi)以梯田耕地和林草地為主,因此細(xì)溝侵蝕較少。對(duì)定邊縣小流域坡耕地調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地主要種植作物為玉米、蕎麥和苴麻,坡度主要集中在5°～15°,坡耕地侵蝕溝發(fā)育較多,其中細(xì)溝侵蝕多發(fā)生于蕎麥地和休閑地上。坡耕地侵蝕量隨坡度和上方匯水面積的增大而增大,與作物蓋度大小成反比。在次暴雨條件下坡耕地細(xì)溝侵蝕模數(shù)平均高達(dá)33 227 t/km2,侵蝕溝平均寬、深分別為0.35和0.25 m,其中裸露的休閑地細(xì)溝侵蝕模數(shù)高達(dá)35 338～46 244 t/(km2·a),種植蕎麥的坡耕地侵蝕模數(shù)為22 588～36 988 t/(km2·a),休閑地平均侵蝕模數(shù)是蕎麥地1.44倍,細(xì)溝密度分別為0.6～0.68 m/m2,0.27～0.46 m/m2,休閑地細(xì)溝密度高于蕎麥地(表2)。

表2 定邊縣調(diào)查坡耕地細(xì)溝侵蝕特征

2.1.2 淺溝侵蝕 淺溝主要發(fā)育在呈瓦背狀地形的坡面[10-11],淺溝侵蝕在黃土高原坡耕地侵蝕中占有較大比例。

在該次暴雨條件下,定邊縣退耕后的草地淺溝溝槽無(wú)明顯侵蝕現(xiàn)象(圖1),表明草地植被具有良好的抵抗暴雨侵蝕的作用。

圖1 草地淺溝溝槽無(wú)侵蝕(左)與坡耕地(蕎麥地)淺溝侵蝕(右)對(duì)比(焦菊英拍攝于20220731)

調(diào)查發(fā)現(xiàn),坡耕地在次暴雨條件下可一次性形成淺溝侵蝕,由細(xì)溝匯流而形成的淺溝侵蝕在該地較為常見(jiàn)(圖2),且淺溝侵蝕特征多為寬淺型,侵蝕寬度多集中分布于0.96～3.11 m,深度集中分布于0.2～0.4 m之間,淺溝侵蝕深度與細(xì)溝侵蝕深度相似,這與該地耕層深度有關(guān),該縣位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)和毛烏素沙地交界處,土壤類型多為沙黃土,通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民詢問(wèn)發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地耕作多采用機(jī)械翻土和耕種,耕層深度多為0.3 m,耕層以內(nèi)的土質(zhì)較為疏松,耕層以下質(zhì)地較為堅(jiān)硬,加之沙黃土沙粒含量較多,黏粒含量少,因此耕作層易被侵蝕。調(diào)查小流域內(nèi)坡耕地淺溝侵蝕強(qiáng)度達(dá)到了4 799.11～9 122.95 t/km2。

圖2 陜西省定邊縣小流域內(nèi)種植蕎麥的坡耕地次暴雨下形成的寬淺型淺溝侵蝕

2.1.3 切溝侵蝕 調(diào)查發(fā)現(xiàn),定邊、中陽(yáng)和臨縣在暴雨條件下溝道和坡面均有切溝形成,其中定邊切溝侵蝕發(fā)育較多,在各土地利用類型下均有新形成的切溝侵蝕;而中陽(yáng)、臨縣由于以梯田為主,切溝多發(fā)育在溝道部分,表現(xiàn)為溝道下切侵蝕。在暴雨條件下,坡耕地從分水嶺由上至下,侵蝕溝經(jīng)歷了由細(xì)溝—淺溝—切溝的發(fā)育階段(圖3a),切溝的形成表示徑流已經(jīng)高度集中,徑流剪切力顯著增大,不僅導(dǎo)致休閑的裸地侵蝕嚴(yán)重,也使得有較好植被覆蓋的草地被侵蝕,形成了無(wú)法被橫跨耕作的永久性侵蝕溝[12-13]。定邊縣小流域在次暴雨條件下坡耕地新形成的切溝侵蝕長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)111.5 m,寬度最高可達(dá)6.4 m,最深處達(dá)到了5 m,寬深比為1.28,表明侵蝕拓寬作用大于下切作用,單條切溝侵蝕量可達(dá)527.63 t,該匯水單元內(nèi)切溝侵蝕強(qiáng)度為6 595.39 t/km2。山西中陽(yáng)縣和臨縣在特大暴雨條件下溝道下切嚴(yán)重,下切最深可達(dá)2.14～5.23 m,長(zhǎng)寬分別為20.4～41 m和4.7～18 m,下切侵蝕量為270.84～6 819.12 t(圖3b)。

圖3 次暴雨條件下新形成的切溝侵蝕(楊波拍攝于20220731,20220829)

2.1.4 重力侵蝕 在暴雨條件下,發(fā)現(xiàn)流域易發(fā)生的重力侵蝕主要是崩塌和滑坡這兩類,其中定邊縣小流域土地利用類型主要以耕地和草地為主,流域整體植被蓋度較低,攔蓄降雨的能力較差,且該地的沙黃土水分入滲能力強(qiáng),易在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)重力侵蝕多發(fā)生于溝道兩側(cè),主要是由于溝道徑流匯集較多,易造成溝底下切,導(dǎo)致兩側(cè)坡體底部失穩(wěn)而發(fā)生整體下滑的現(xiàn)象,通過(guò)無(wú)人機(jī)影像解譯,發(fā)現(xiàn)定邊縣在2～3 km2的小流域內(nèi)范圍內(nèi),發(fā)生重力侵蝕的地方達(dá)到了21～29處,最大滑坡體面積達(dá)到了3 583 m2。山西中陽(yáng)縣和臨縣在特大暴雨條件下重力侵蝕易發(fā)生在道路兩側(cè)(圖4a),該區(qū)土地利用類型主要為梯田耕地和林地,整體植被蓋度較好,侵蝕主要以重力侵蝕為主,單處重力侵蝕面積集中分布于5.52～64.66 m2。

一般而言,重力侵蝕產(chǎn)物以泥沙的形式被徑流輸移至下游形成淤積,而本次在定邊縣調(diào)查發(fā)現(xiàn),重力侵蝕形成的土塊被含沙徑流運(yùn)移至下游的過(guò)程中經(jīng)過(guò)滾動(dòng)打磨和泥沙包裹形成了大小不等近似球形的土球(圖4b)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),土球形態(tài)小的直徑有10～20 cm,大的有2～3 m;與常規(guī)重力侵蝕產(chǎn)物相比,土球造成的侵蝕量要更大,也進(jìn)一步反映出該區(qū)重力侵蝕的嚴(yán)重性,且土球在運(yùn)移過(guò)程比一般泥沙輸移對(duì)下游的莊稼、壩體等設(shè)施造成的破壞力更強(qiáng)。

圖4 暴雨條件下形成的滑坡重力侵蝕及其產(chǎn)生的土球

2.1.5 道路侵蝕 道路侵蝕在歷次大暴雨中都是不可忽視的一種侵蝕現(xiàn)象,道路侵蝕對(duì)流域的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率較大[14-15],因此本文將其單獨(dú)作為一節(jié)分析。在降雨產(chǎn)流的情況下,道路在流域中就成了天然的匯流路徑,其顯著增加大了流域的水文連通性,大量的坡面徑流匯入道路,導(dǎo)致侵蝕嚴(yán)重。同樣,在此次暴雨調(diào)查過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)定邊、安塞、中陽(yáng)、臨縣4縣暴雨區(qū)內(nèi)生產(chǎn)道路均產(chǎn)生了嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象,但不同地區(qū)道路侵蝕具有一定的差異性。定邊縣流域內(nèi)均為土質(zhì)生產(chǎn)道路,且該區(qū)存在有較多的坡地,導(dǎo)致在發(fā)生暴雨情況下,道路容易匯聚較多的徑流,造成了嚴(yán)重的道路侵蝕,流域內(nèi)生產(chǎn)道路侵蝕寬度由幾十厘米到幾米不等(如圖5a所示)。一條3 m寬的道路被侵蝕所截?cái)?侵蝕最深處可達(dá)4～5 m(圖5b)。盡管安塞降雨大于定邊縣,但因流域內(nèi)生產(chǎn)道路大多修建了撥水溝、排水溝,大部分徑流被集中排出,導(dǎo)致道路侵蝕較定邊輕。

圖5 定邊縣小流域道路侵蝕

山西省中陽(yáng)縣小流域,道路均為不透水面的水泥道路,流域內(nèi)水泥道路修建已達(dá)到了100%,水泥道路已通往各個(gè)田塊,不透水路面在暴雨條件下整體不易被侵蝕,但在此次特大暴雨情況下,水泥道路在轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)較多的損毀,該區(qū)道路損毀大都是徑流從道路外側(cè)排出時(shí)對(duì)道路路基的沖刷和掏蝕導(dǎo)致水泥道路出現(xiàn)眾多的懸空(圖6a),且從道路稍遠(yuǎn)處并不易被發(fā)現(xiàn),不僅造成了侵蝕,也存在嚴(yán)重的安全隱患,威脅過(guò)往的行人和車輛安全。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),一條1～2 km水泥道路發(fā)現(xiàn)了11處損毀,損毀寬度為0.72～7.8 m之間。

山西臨縣大部分農(nóng)田生產(chǎn)道路也為不透水面的水泥道路,但比中陽(yáng)縣相比,水泥道路占比稍小,流域內(nèi)還分布有土質(zhì)道路,但該區(qū)小流域內(nèi)同樣以梯田耕地為主,坡耕地極少,因此坡面匯流至道路的徑流不及定邊縣,使得該區(qū)道路侵蝕強(qiáng)度相對(duì)定邊較輕(圖6b),該區(qū)道路侵蝕寬深分別為0.41～8.6 m和0.13～5.3 m之間。

圖6 小流域道路侵蝕

2.2 水土保持措施損毀特征

2.2.1 梯田損毀 近年來(lái)黃土高原地區(qū)梯田面積進(jìn)一步增大,有新修建的坡改梯,也有對(duì)部分老梯田進(jìn)行的改造,梯田作為水土保持工程措施的一種,不僅有效起到了保持水土、降低坡地土壤侵蝕的作用,也為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民提供了平整可供機(jī)械操作的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田。但在特大暴雨下,梯田仍會(huì)存在部分損毀,調(diào)查發(fā)現(xiàn)新修梯田和老式梯田在暴雨條件下?lián)p毀差異明顯(圖7a—7b)。

①在定邊縣,小流域梯田田面平整,接近0°。老梯田田坎及田埂基本完好,梯田田坎坡度均值為35.8°,蓋度約為10%;除上方坡地匯水聚集的梯田地塊存在部分田埂受損和田坎崩塌現(xiàn)象以外,基本無(wú)明顯侵蝕。田埂損毀的平均長(zhǎng)、寬、深分別為0.85,0.4 m和0.5 m,侵蝕體積均值為0.17 m3。但新修梯田由于土質(zhì)疏松,且基本無(wú)作物,田塊裸露,在徑流匯集下容易被侵蝕損毀,易發(fā)生侵蝕的地方主要有連接各級(jí)梯田的道路、田面和田坎(圖7c—7d);梯田道路侵蝕長(zhǎng)度最高達(dá)20～180 m,溝寬0.23～1.9 m,溝深0.15～2 m;田坎崩塌長(zhǎng)、寬、深分別為10～30,0.35～2.3 m和0.1～1.9 m,單塊梯田侵蝕量新梯田顯著高于老梯田。②在安塞縣坊塌流域分別于雨季前后(2022年4月和2021年11月)修建了兩次梯田,現(xiàn)有梯田面積約占流域總面積的27.11%,經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),雨季前所修梯田田面裸露,雨季后所修梯田種植有玉米、土豆、高粱、大豆等作物。在該次暴雨中,雨季前新修梯田田面出現(xiàn)多條侵蝕溝,平均長(zhǎng)度為7.20 m,寬度為1.00 m,深度為1.11 m,平均侵蝕量為9.91 m3;而雨季后新修梯田平均侵蝕量為4.68 m3,為雨季前新修梯田的0.47倍。部分梯田在田面匯水處的田坎發(fā)生損毀,平均損毀長(zhǎng)度為5.03 m。作為田面匯水出口,梯田與道路的連接處溝蝕嚴(yán)重,溝長(zhǎng)多為12 m,溝寬介于0.15～1.60 m,平均寬度為0.76 m,溝深介于0.09～1.80 m,平均深度為0.84 m。且雨季前新修梯田田面疏松,低洼處多存有陷穴,平均長(zhǎng)1.21 m、寬1.09 m、深3.82 m。③在中陽(yáng)縣金羅流域,梯田因年久失修,多已變成無(wú)埂梯田。流域內(nèi)梯田利用率高,可大致分為農(nóng)作物梯田和經(jīng)濟(jì)林梯田兩類。種植玉米、土豆等農(nóng)作物的梯田多為順坡耕作,坡度約為19°,經(jīng)此暴雨,田面細(xì)溝開(kāi)始發(fā)育,細(xì)溝長(zhǎng)度范圍在1.03～7.80 m之間,差異較大,寬度和深度則分別介于0.11～1.40 m和0.09～1.10 m之間,均值分別為0.49 m和0.37 m。以核桃等經(jīng)濟(jì)林為主的梯田平均坡度為8°,多發(fā)生梯田田坎損毀,損毀田坎最長(zhǎng)可達(dá)7.7 m,厚度則為0.29 m。④臨縣的梯田由于修建時(shí)間較為久遠(yuǎn),且缺乏維護(hù),梯田田埂均不復(fù)存在。由于缺乏田埂的保護(hù)作用,雨水在田面邊緣低洼處匯集,在水分飽和后,造成梯田田坎滑塌,滑塌的平均長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為5.13,3.69,0.56 m。梯田田面多種植核桃等經(jīng)濟(jì)作物和玉米、土豆等農(nóng)作物。

圖7 陜西省定邊縣新老梯田侵蝕對(duì)比

2.2.2 淤地壩損毀 淤地壩是黃土高原地區(qū)防治水土流失,淤積良田的重要水保工程措施[16-17]。作者團(tuán)隊(duì)對(duì)4縣暴雨中心流域,共調(diào)查淤地壩27個(gè)(表3),定邊、安塞、中陽(yáng)和臨縣調(diào)查淤地壩分別為20,3,3個(gè)和1個(gè)。在以上27個(gè)壩體中,其中同時(shí)擁有壩體、溢洪道、放水建筑物三大件的淤地壩為0,25個(gè)壩有壩體和溢洪道兩大件,僅兩個(gè)淤地壩只有壩體。在定邊調(diào)查發(fā)現(xiàn),該地區(qū)淤地壩有6個(gè)壩體被損毀,4個(gè)出現(xiàn)了漫壩,占該區(qū)調(diào)查淤地壩總量的30%和20%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)淤地壩壩體多為村鎮(zhèn)道路的一部分,上方為水泥交通道路的均修建有較高標(biāo)準(zhǔn)的溢洪道,基本能滿足大暴雨洪水排放標(biāo)準(zhǔn)。該區(qū)淤地壩淹沒(méi)和淤積高度分別為1.53～4.30 m和0.24～1.00 m范圍內(nèi)。損毀處寬度和深度分別為1.5～15.1 m和11～18.2 m。

表3 暴雨調(diào)查區(qū)淤地壩淤積損毀情況

安塞縣方塌流域3個(gè)淤地壩均未出現(xiàn)損毀和漫壩,且淤積厚度和淹沒(méi)高度均較小,分別為0.03～0.04 m和0.24～0.3 m,主要是由于該區(qū)林草等植被蓋度較高,且流域內(nèi)梯田和排水等水土保持工程措施相對(duì)較完善,能有效抵抗暴雨的侵蝕。由于中陽(yáng)縣調(diào)查流域內(nèi)淤地壩分布較少,外加降雨量和雨強(qiáng)極大,中陽(yáng)縣調(diào)查流域內(nèi)3個(gè)淤地壩均發(fā)生了不同程度的損毀和漫壩(圖8a—8b),損毀寬度和深度達(dá)7～12 m和8.5～5.7 m,調(diào)查發(fā)現(xiàn)壩地內(nèi)洪峰高度超過(guò)了壩地1～2 m高;此次暴雨不僅導(dǎo)致中陽(yáng)縣小流域內(nèi)重力侵蝕嚴(yán)重,也使得該流域整體沖刷嚴(yán)重(圖8c—8d),調(diào)查顯示坡面植被上泥沙淤積厚度可達(dá)0.04～0.08 m,由于該區(qū)不透水道路較多,坡面沖刷物在路面形成堆積,厚度約為0.2～0.35 m,致使流域侵蝕現(xiàn)象十分明顯,侵蝕程度十分劇烈。

圖8 山西省中陽(yáng)縣金羅流域淤地壩調(diào)查(楊波拍攝于20220821)

2.3 流域下游洪水淹沒(méi)災(zāi)害

在4個(gè)調(diào)查區(qū),除安塞方塌流域下游無(wú)淹沒(méi)災(zāi)害之外,其余3縣區(qū)暴雨中心流域下游均發(fā)生了十分嚴(yán)重的淹沒(méi)災(zāi)害。定邊縣流域下游農(nóng)田和房屋淤積高度分別為0.09～0.90 m和0.04～0.20 m,受災(zāi)最嚴(yán)重的是王來(lái)灘村(圖9),該村房屋淹沒(méi)高度0.2～0.34 m。通過(guò)詢問(wèn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶得知,該村2022年種植約有334 hm2畝的農(nóng)地,在這次洪水淹沒(méi)下能收獲的不到800畝,不到總種植面積的20%,農(nóng)地受災(zāi)十分嚴(yán)重。洪水不僅造成了農(nóng)地被淹沒(méi),也使得農(nóng)民的家畜和財(cái)產(chǎn)遭受了一定的損失。

圖9 陜西省定邊縣調(diào)查流域下游洪水淹沒(méi)調(diào)查(焦菊英拍攝于20220714)

山西中陽(yáng)縣和臨縣在此次暴雨情況下淹沒(méi)災(zāi)害相比于定邊更加嚴(yán)重,主要受災(zāi)對(duì)象為下游的居民區(qū)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該次暴雨使得中陽(yáng)縣金羅鎮(zhèn)金羅大街洪澇災(zāi)害嚴(yán)重,居民房屋內(nèi)部淹沒(méi)高度達(dá)到了1.75～2.1 m不等,根據(jù)官方發(fā)布的消息(央視新聞客戶端),此次特大暴雨不僅造成居民財(cái)產(chǎn)損失巨大,也造成了離隰高速第一標(biāo)段5人遇難。臨縣暴雨下游受災(zāi)最嚴(yán)重的在玉坪鄉(xiāng)李家坡底村,該村緊鄰河道,據(jù)調(diào)查,在暴雨發(fā)生后的1 h內(nèi)洪水便漫過(guò)河道涌入了村莊。李家坡底村主街道淹沒(méi)高度為0.9～1.3 m之間,而眾多的農(nóng)戶房屋位置低于主街道和主河道河堤,使得村莊最低處的農(nóng)戶房屋淹沒(méi)超過(guò)了3 m多,受災(zāi)嚴(yán)重。

3 對(duì)暴雨侵蝕與洪水災(zāi)害的認(rèn)識(shí)

3.1 工程建設(shè)引發(fā)侵蝕災(zāi)害問(wèn)題

定邊縣屬于能源大縣,該區(qū)遍布有眾多的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和石油鉆井平臺(tái)(如圖10a所示),因修建一座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),配套需要修建一條乃至多條工程道路,在此次暴雨條件下,該道路也成為了侵蝕的策源地,另一方面,由于該區(qū)鄉(xiāng)村交通道路未設(shè)置排水溝,徑流匯集后隨意排放也易形成強(qiáng)烈的侵蝕,見(jiàn)圖10b所示,一段長(zhǎng)下坡的交通道路在暴雨下徑流匯集,在道路轉(zhuǎn)彎處水流下泄至下游坡面和梯田,盡管坡面有草地所覆蓋,但由于路面匯流集中,沖刷能力較強(qiáng),草地坡面也可被侵蝕,同時(shí)導(dǎo)致下部8階梯田被全部沖毀,侵蝕溝直至溝底,形成了一條長(zhǎng)寬深最大分別為150,26 m和3.5 m的巨大侵蝕溝,侵蝕體積約有1.30×104m3。因此該地需注重工程建設(shè)與保持水土之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,做到二者共同向好發(fā)展。

圖10 陜西省定邊縣工程建設(shè)形成的侵蝕(趙文婷拍攝于20220730)

除未設(shè)置排水溝造成侵蝕外,我們也發(fā)現(xiàn)了交通道路因修建有排水溝但不合理排放引發(fā)的侵蝕現(xiàn)象。如圖11所示,該區(qū)村鎮(zhèn)交通道路多修建有長(zhǎng)寬分別為1 m×1 m的排水溝,該排水溝尾端均修建在了小流域坡面處(圖11a—11b),由于水泥道路為不透水路面,較容易集中降雨所形成的徑流,特別是大暴雨情況下,排水溝的修建使得徑流速度更快,流量更大,導(dǎo)致流域坡面被沖出了很多的大切溝,切溝長(zhǎng)寬深分別為25.8～32.68,16.57～18.31 m和1.5～2.1 m,最大一處侵蝕體積高達(dá)897.56 m3;現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在一段長(zhǎng)度為357 m的路段,就發(fā)現(xiàn)了3處排水溝將水直接排至流域坡面,造成嚴(yán)重的人為侵蝕。在山西臨縣道路雖然修建有排水設(shè)施,但因缺乏管護(hù)和維修,使得排水管道損壞,從而造農(nóng)作物損毀和農(nóng)地侵蝕現(xiàn)象(圖11c—11d)。

圖11 道路排水不合理形成的侵蝕

綜上所述,流域內(nèi)修建交通道路和土質(zhì)生產(chǎn)道路時(shí)應(yīng)同時(shí)修建排水溝,雖需增大一定的費(fèi)用,但可避免因暴雨損毀而重復(fù)修補(bǔ)導(dǎo)致人力物力和財(cái)力的多重消耗,排水溝的修建應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范,能抵御一定的暴雨洪水,同時(shí)對(duì)修建的排水溝合理放置排水口所在位置,避免因排水口位置放置不合理而造成人為的二次侵蝕現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)已修建排水設(shè)置的道路應(yīng)定期進(jìn)行巡護(hù),加大宣傳力度,可對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶設(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)制度,以增大當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的積極性,從而可有效降低因人為管護(hù)不及時(shí)不完善而造成的侵蝕問(wèn)題。

3.2 坡耕地耕作引發(fā)的侵蝕災(zāi)害問(wèn)題

坡耕地侵蝕主要發(fā)生在定邊縣,且存在順坡耕作現(xiàn)象。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)坡耕地主要以緩坡為主,其緩坡耕地最多可達(dá)小流域總面積的20%,侵蝕主要以細(xì)溝侵蝕為主,強(qiáng)度較大,加上該地主要種植農(nóng)作物為玉米和蕎麥兩種,該地區(qū)蕎麥在暴雨調(diào)查期間基本為生長(zhǎng)初期,植株較小,蕎麥作物本身根系并不發(fā)達(dá),密度小且扎根淺(＜20 cm),抗侵蝕能力很差。而玉米在雨季生長(zhǎng)已接近成熟期,地上植被蓋度較高,地下部分扎根較深且穩(wěn)定,調(diào)查發(fā)現(xiàn)同樣的地塊,種植玉米的侵蝕要遠(yuǎn)小于蕎麥地侵蝕,除部分田邊有少許細(xì)溝侵蝕外,田內(nèi)基本無(wú)明顯侵蝕,且鋪設(shè)地膜的玉米地抗侵蝕能力要高于未鋪設(shè)地膜的田塊(圖12)。因考慮到蕎麥在當(dāng)?shù)貙儆谔厣r(nóng)產(chǎn)品且該地會(huì)舉辦蕎麥文化旅游節(jié),因此該地可加大坡改梯力度,在梯田上種植蕎麥可達(dá)到經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益雙豐收的效果。

圖12 陜西省定邊縣鋪設(shè)地膜的玉米地邊侵蝕(楊波拍攝于20220731)

3.3 河道占用引起的下游洪澇災(zāi)害問(wèn)題

對(duì)山西省中陽(yáng)縣和臨縣受災(zāi)最嚴(yán)重的下游村鎮(zhèn)調(diào)查發(fā)現(xiàn),嚴(yán)重的河道占用使得洪澇災(zāi)害加重。中陽(yáng)縣金羅大街正上方流域出口河道被居民房屋所占用,原本在出口上方200 m處寬為幾十米的河道突然縮窄至2～3 m寬,嚴(yán)重制約了河道的行洪泄洪能力。經(jīng)調(diào)查該河道在平時(shí)枯水期被居民當(dāng)作垃圾堆放場(chǎng),隨意向河道傾倒垃圾,致使河道堵塞,在暴雨時(shí)淤積抬高河床進(jìn)一步增大洪澇風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),在下游河道修建的多處橋梁也顯著降低了河道的泄洪能力。在暴雨發(fā)生時(shí)由于上游洪水夾雜有各種樹(shù)木枝干以及其他雜物,在經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)容易被堵塞,尤其是橋梁為多涵洞橋梁時(shí)洪水極易堵塞形成雍水對(duì)兩岸居民和建筑設(shè)施造成嚴(yán)重的淹沒(méi)損毀現(xiàn)象。建議當(dāng)?shù)丶哟髮?duì)流域出口和河道的排查工作,對(duì)發(fā)現(xiàn)占用河道的現(xiàn)象早發(fā)現(xiàn)早解決。對(duì)部分舊橋梁可實(shí)施改建,新修建的橋梁其涵洞應(yīng)少而寬,以利于行洪,降低洪澇災(zāi)害。

3.4 加快推進(jìn)小流域蓄排工程建設(shè)

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),暴雨調(diào)查的各流域中,僅延安市安塞區(qū)方塌流域具有相對(duì)完善的小流域蓄排設(shè)施。該流域水土保持工程措施主要有水窖、道路排水渠、撥水溝、梯田,加之該流域林草措施生長(zhǎng)較好,植被蓋度較大,盡管該區(qū)暴雨降雨量高于定邊縣,但侵蝕程度卻低于定邊縣。其他無(wú)蓄排工程的流域,由于“重蓄輕排”,多數(shù)流域沒(méi)有整體蓄水與排洪規(guī)劃,流域現(xiàn)有的主要工程措施淤地壩大部分庫(kù)容已接近或達(dá)到淤滿標(biāo)準(zhǔn),在大暴雨條件下,極易發(fā)生損毀和漫壩,從而造成了從水沙源頭的坡面—溝坡—溝道—河道的產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙過(guò)程的侵蝕洪水災(zāi)害鏈。另外,也較少考慮流域地貌單元之間的匯水連通關(guān)系,導(dǎo)致抵御暴雨洪水災(zāi)害的能力有限,同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)雨洪資源的高效利用,甚至在一些地方出現(xiàn)“不下雨就干旱,一下雨就成災(zāi)”的尷尬局面。因此,加強(qiáng)暴雨區(qū)損毀淤地壩的修復(fù)和病險(xiǎn)淤地壩的除險(xiǎn)加固工作、積極推行采用新技術(shù)、新工藝、新材料和新方法的高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩。另外,因地制宜、科學(xué)規(guī)范,加強(qiáng)小流域整體規(guī)劃,布設(shè)從坡面到溝道乃至河道的蓄水和排水工程,既能對(duì)侵蝕災(zāi)害鏈實(shí)施斷鏈,又可實(shí)現(xiàn)雨洪資源高效利用目標(biāo)與極端洪澇災(zāi)害有效防治目標(biāo)的“蓄排協(xié)調(diào)”,從源頭解決用水安全、防洪安全與生態(tài)安全是當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間該區(qū)急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文通過(guò)野外實(shí)地踏勘與無(wú)人機(jī)影像判別相結(jié)合的方法,對(duì)典型暴雨條件下黃土高原小流域土壤侵蝕和下游洪水淹沒(méi)災(zāi)害特征進(jìn)行了調(diào)查和分析。

經(jīng)過(guò)多年的退耕還林和水土流失治理,流域生態(tài)恢復(fù)明顯,小流域內(nèi)現(xiàn)行的水保措施能較好地抵御一般暴雨侵蝕,但在大暴雨乃至特大暴雨條件下,流域內(nèi)侵蝕災(zāi)害依然嚴(yán)重,坡耕地極易發(fā)生侵蝕,且主要以細(xì)溝侵蝕為主,侵蝕模數(shù)為22 588～46 244 t/(km2·a);草地?zé)o明顯溝蝕現(xiàn)象。重力侵蝕在流域總侵蝕中占比較重。道路侵蝕和損毀嚴(yán)重,有排水設(shè)施的道路侵蝕明顯小于未設(shè)置排水設(shè)施的道路。梯田損毀主要發(fā)生在田面、田埂和田坎處,新修梯田損毀顯著大于老梯田,當(dāng)年雨季前修的梯田損毀也顯著大于上年雨季后修的梯田。流域內(nèi)各淤地壩攔沙作用明顯,但在暴雨情況下仍存在較多的損毀和漫壩現(xiàn)象,且大部分淤地壩淤積已達(dá)到庫(kù)容上限。小流域蓄排措施缺乏,不合理的工程建設(shè),隨意放牧,水保設(shè)施管護(hù)不到位,不合理地占用河道均會(huì)加劇流域侵蝕和洪水災(zāi)害。優(yōu)化設(shè)計(jì)并布局流域內(nèi)整體的“蓄排協(xié)調(diào)”設(shè)施是當(dāng)前黃土高原地區(qū)水土保持工作高質(zhì)量發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。

致謝:在此次暴雨調(diào)查工作中,得到了水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心、陜西省水土保持局、定邊縣水利局等單位的大力支持,謹(jǐn)此深表感謝。