流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究進(jìn)展

1、流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究進(jìn)展摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究的主要成果。分析了流域泥沙的主要來(lái)源及國(guó)內(nèi)外泥沙來(lái)源的主要研究方法；介紹了侵蝕泥沙的坡面河道運(yùn)移過(guò)程、坡面河道耦合關(guān)系的研究現(xiàn)狀；提出了當(dāng)前河道泥沙存蓄與輸移研究的主要問(wèn)題，并分析了該領(lǐng)域目前研究的現(xiàn)狀；比照分析了目前流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中幾個(gè)主要模型的適用范圍與優(yōu)缺點(diǎn)；提出了我國(guó)將來(lái)流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中應(yīng)注重開(kāi)展的主要問(wèn)題。關(guān)鍵詞：侵蝕產(chǎn)沙平衡研究現(xiàn)狀將來(lái)開(kāi)展泥沙產(chǎn)生的危害是多種多樣和廣泛的，泥沙產(chǎn)生危害的形式取決于泥沙的數(shù)量和特性，而泥沙的數(shù)量和特性那么受到侵蝕、輸移和沉積過(guò)程的影響。為了理解泥沙危害的根本原因，確定引起這種危

2、害的泥沙的來(lái)源，并提出可行的控制措施，就需要對(duì)這些過(guò)程有所理解。因此，流域侵蝕產(chǎn)沙平衡計(jì)算對(duì)泥沙的控制是非常有意義的。一項(xiàng)完好的泥沙平衡計(jì)算應(yīng)包括流域內(nèi)泥沙的輸入、挪動(dòng)和沉積的計(jì)算，也就是應(yīng)當(dāng)提出：表土和基巖的泥沙侵蝕速率，詳細(xì)的侵蝕過(guò)程；沉積的速率及地形地貌變化的詳細(xì)過(guò)程；泥沙從流域中流失的速率；泥沙來(lái)源及沉積的空間分布情況等。1流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中的沙源與來(lái)沙量問(wèn)題對(duì)于一個(gè)匯流封閉的流域而言，河流泥沙的來(lái)源主要有三個(gè)方面：坡面來(lái)沙；溝道、河岸侵蝕；人類活動(dòng)輸入泥沙(如棄渣等)。一般情況下，坡面和溝道來(lái)沙是河流泥沙的主要來(lái)源，由于流域內(nèi)土地利用方式等條件的不同，流域的不同位置對(duì)泥沙的奉獻(xiàn)也

3、不同。另外，在人類活動(dòng)相對(duì)頻繁的道路、排水溝等也是河流泥沙的重要來(lái)源和泥沙輸送的重要通道。不同的土地利用方式及土壤地質(zhì)條件等終究對(duì)河流泥沙的奉獻(xiàn)有多大一直是人們關(guān)注的主要問(wèn)題，這對(duì)于調(diào)整土地利用方式及流域規(guī)劃是非常有意義的。目前國(guó)內(nèi)外在該方面的研究較多，尤其是我國(guó)對(duì)黃河流域泥沙來(lái)源與來(lái)沙量的研究獲得了豐碩的成果，為流域泥沙治理提供了重點(diǎn)區(qū)域和治理方略。蔣德麒1對(duì)小流域坡溝泥沙分析認(rèn)為，黃河中游小流域泥沙主要來(lái)源于溝道，但分析中未考慮坡面徑流通過(guò)溝坡時(shí)增加的泥沙；一些學(xué)者24對(duì)坡面徑流下溝對(duì)溝谷的影響研究結(jié)論差異較大，石輝認(rèn)為差異的原因除研究方法不同外，可能是研究流域發(fā)育階段不同所致；景可、徐建

4、華等人5，6對(duì)黃河粗泥沙來(lái)源的界限、數(shù)量等進(jìn)展了研究；王曉7采用“粒度分析法對(duì)砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來(lái)源的分析說(shuō)明，泥沙主要來(lái)源于溝谷地；張平倉(cāng)等人8分析了皇甫川流域各種產(chǎn)沙地層的產(chǎn)沙特征及機(jī)械組成，并與河口懸移質(zhì)泥沙比照分析，得出流域不同地層的相對(duì)產(chǎn)沙量；陳浩9運(yùn)用成因分析法的概念分析認(rèn)為，黃河中游小流域的泥沙主要來(lái)自于坡面。從泥沙理化性質(zhì)分析泥沙來(lái)源在我國(guó)黃河流域沙源分析中應(yīng)用較為成熟，尤其是對(duì)黃河粗泥沙來(lái)源的研究更為深化，但黃河粗泥沙是在黃河這種特殊環(huán)境中產(chǎn)生的，并不意味著在其它流域有著同樣的運(yùn)用意義；楊明義等人10應(yīng)用137s研究了安塞紙坊溝流域的泥沙來(lái)源情況，說(shuō)明小流域泥沙主

5、要來(lái)源于溝谷地。利用示蹤法可望深化對(duì)泥沙運(yùn)移、沉積過(guò)程的認(rèn)識(shí)，在侵蝕動(dòng)力學(xué)等研究中也可有廣闊的前景。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也較多的利用水文站泥沙資料進(jìn)展沙源分析。利用觀測(cè)站資料研究時(shí)，泥沙測(cè)定只能給出輸沙量的非經(jīng)常樣本。通常利用水沙關(guān)系曲線來(lái)推算缺測(cè)日輸沙量；徑流小區(qū)資料分析也是研究泥沙來(lái)源的常用方法。小區(qū)多項(xiàng)選擇擇在泥沙侵蝕與輸移的典型區(qū)，進(jìn)展定點(diǎn)人工觀測(cè)或進(jìn)展室內(nèi)外模擬試驗(yàn)。小區(qū)試驗(yàn)為流域內(nèi)不同地貌部位及土地利用方式產(chǎn)沙量的區(qū)別提供了有效的根據(jù)，但觀測(cè)結(jié)果多應(yīng)用于小流域泥沙研究中，如何將小區(qū)和小流域研究成果應(yīng)用到較大流域，是目前泥沙研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一；大面積的人工調(diào)查進(jìn)展沙源和來(lái)沙量研究費(fèi)時(shí)費(fèi)力，

6、目前多采用大面積人工或遙感調(diào)查與徑流小區(qū)和典型小流域資料相結(jié)合的方法進(jìn)展大面積的沙源分析。我國(guó)關(guān)于流域沙源與來(lái)沙量的研究主要集中于黃河流域，這些研究對(duì)解決該區(qū)泥沙問(wèn)題提供了很好的根據(jù)，也為其他河流的研究積累了經(jīng)歷。2侵蝕泥沙的坡面河道耦合關(guān)系侵蝕泥沙的坡面河道過(guò)程是泥沙運(yùn)移過(guò)程中相對(duì)復(fù)雜的一個(gè)階段。這個(gè)階段水流聚集程度較弱、規(guī)律性較差，加之環(huán)境因素多變，對(duì)泥沙運(yùn)移的影響較大。在此階段中泥沙就地?cái)r蓄的作用對(duì)流域農(nóng)業(yè)及非農(nóng)業(yè)應(yīng)用都會(huì)起到很大的作用，尤其是流域內(nèi)不同泥沙攔蓄設(shè)施的引入對(duì)泥沙分布及運(yùn)移的連通性影響較大。許多研究說(shuō)明，只有部分坡面侵蝕泥沙直接被輸送到了河道，并且輸送泥沙量受到土地利用、地

7、形、降雨類型等的影響。流域面積越大水流的規(guī)律性就越強(qiáng)，坡面向河道輸沙的耦合關(guān)系就越弱11。2.1坡面侵蝕研究目前國(guó)外已經(jīng)建立起EPP等能反映流域坡面侵蝕過(guò)程的物理模型。我國(guó)近一二十年來(lái)在坡形、氣候等對(duì)坡面侵蝕、侵蝕分布規(guī)律等都有了深化的探究。前人關(guān)于坡長(zhǎng)、坡度等水沙影響的研究很多，但對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程影響的研究不多，次降雨條件下這方面的研究更不多見(jiàn)?？讈喥降热?2通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了坡長(zhǎng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響；靳長(zhǎng)興13那么從坡面流的能量理論出發(fā)對(duì)臨界坡度進(jìn)展了研究；鄭粉莉14在坡面降雨徑流侵蝕方面討論了上方來(lái)水等坡面侵蝕的關(guān)系，等等。我國(guó)近期的研究從研究方法上來(lái)看主要是采用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測(cè)天然和

8、人工降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙。從研究方向上來(lái)看主要是研究坡形、氣候、土地利用等對(duì)泥沙侵蝕的影響，對(duì)泥沙坡面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程研究較少。也有人利用“3S技術(shù)、示蹤技術(shù)等研究坡面侵蝕產(chǎn)沙的情況。黃詩(shī)峰等人15利用GIS技術(shù)對(duì)嘉陵江上游西漢水流域進(jìn)展了土壤侵蝕量的估算；田均良16利用元素示蹤法研究侵蝕泥沙在坡面沉積的分布特征及其影響因素，等等。筆者認(rèn)為我國(guó)在今后一定時(shí)期內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)坡面流水力學(xué)、坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)的研究，進(jìn)而對(duì)坡面徑流泥沙過(guò)程獲得更深化的理解，爭(zhēng)取研究建立可以反映侵蝕行為過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模型。2.2溝道侵蝕研究溝蝕預(yù)報(bào)開(kāi)展經(jīng)歷了70年代的隨機(jī)模型，80年代的過(guò)程模型和90年代實(shí)用化的過(guò)程，我國(guó)在溝蝕方面的

9、研究如王治國(guó)17在黃土殘?jiān)磪^(qū)利用人工降雨對(duì)土壤溝蝕類型進(jìn)展了描繪；白占國(guó)18據(jù)洛川源區(qū)典型溝谷地質(zhì)地貌資料分析了不同歷史時(shí)期溝谷侵蝕的速率；張科利等人19通過(guò)試驗(yàn)研究了坡面侵蝕過(guò)程中侵蝕方式發(fā)生演化的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，對(duì)坡面侵蝕溝形成的機(jī)理進(jìn)展了討論；鄭粉莉20對(duì)黃土區(qū)坡耕地的細(xì)溝和細(xì)溝間侵蝕也作出了許多研究；蔡強(qiáng)國(guó)、包為民等人4，21從不同的角度對(duì)侵蝕溝的開(kāi)展進(jìn)展了模型研究。但以上研究在溝蝕和溝間侵蝕定量化方面以及它們對(duì)土壤流失的奉獻(xiàn)率都還需要進(jìn)一步的探究。確定溝蝕開(kāi)展的速率是一個(gè)相對(duì)困難的問(wèn)題，不僅流域大小會(huì)影響到溝道侵蝕，而且許多已經(jīng)發(fā)表的工作來(lái)自于短尺度的研究，這不能代表長(zhǎng)期的趨勢(shì)。不同時(shí)

10、期的航空像片和攝影測(cè)量方法將有助于這方面的研究。另外，關(guān)于溝道發(fā)育的年齡或階段等問(wèn)題也應(yīng)該在模型中加以考慮。2.3坡面河道耦合關(guān)系研究侵蝕泥沙坡面河道耦合關(guān)系的問(wèn)題，Skeptn等人(1953)很早就提出并進(jìn)展了一定的研究。Katerina(2002)將其簡(jiǎn)明的定義為坡面與河道間水文和地貌過(guò)程的連通性22。實(shí)際上人們對(duì)坡面河道耦合并沒(méi)有非常統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)此方面的研究使人們對(duì)侵蝕泥沙的坡面河道運(yùn)移過(guò)程有了更深化的認(rèn)識(shí)。ihael等人通過(guò)實(shí)地測(cè)量對(duì)次降雨侵蝕泥沙的坡面河道過(guò)程進(jìn)展描繪，但假設(shè)要理解區(qū)域泥沙運(yùn)移的一般規(guī)律還需要進(jìn)展長(zhǎng)期的觀測(cè)；JlantaSiehiz24那么借助137s研究泥沙的

11、坡面河道過(guò)程，這種方法在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也獲得了較為滿意的結(jié)果，但對(duì)于較大流域的研究在精度上會(huì)存在一定的問(wèn)題；Katerina等人22利用GIS技術(shù)對(duì)流域進(jìn)展了以柵格為根底的劃分，在此根底上討論了侵蝕泥沙的坡面河道耦合形式與耦合程度，并建立起描繪坡面河道互相作用的二維模型用以定量的研究流域水沙的運(yùn)動(dòng)。我國(guó)在該方面也有較深化的研究，石輝等人25通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)坡溝侵蝕關(guān)系的研究說(shuō)明：坡溝侵蝕關(guān)系隨小流域的溝道發(fā)育而變化，呈現(xiàn)出溝道侵蝕量逐漸減少，坡面侵蝕量逐漸增大的總趨勢(shì)；陳浩等人26根據(jù)坡面水下溝時(shí)在溝坡(道)上“凈產(chǎn)沙增量的概念，討論了沿程含沙水流侵蝕特性和坡溝侵蝕關(guān)系及產(chǎn)沙機(jī)理；蔡強(qiáng)國(guó)等人4從泥沙輸移的物理過(guò)程出發(fā)，根據(jù)流域野外小區(qū)觀測(cè)與模擬降雨試驗(yàn)建立了一個(gè)適用于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程模型，模型分為坡面、溝坡和溝道子模型；包為民21提出了小流域水沙耦合概念模型，從坡面、溝道產(chǎn)匯沙等方面考慮構(gòu)成了一個(gè)具有明確物