黄土高塬沟壑区沟头溯源侵蚀分布特征及过程模拟

第1章 绪论 1.1 黄土塬沟头溯源侵蚀背景 黄土塬是顶面平坦宽阔、周边为沟谷切割的黄土堆积高地，又称黄土平台。黄土高原塬面总面积约为3.56万km2，其中，董志塬保存*完好、面积*大，有“天下黄土**塬”和“陇东粮仓”的美誉；洛川塬和长武塬是我国的优质苹果基地，“洛川苹果”被认定为中国驰名商标。可见，黄土塬在黄土高原农果业生产中占据十分重要的地位。然而，黄土塬正遭受沟头溯源侵蚀与沟岸坍塌蚕食的威胁，面积不断萎缩。据研究，1900～2001年陕西省洛川县旧县镇南沟沟头前进了262.5m，沟头前进速率达2.63m/a(桑广书等，2005，2002)；截至2008年，董志塬南小河沟小流域典型沟谷的沟头在2691年历史地貌上的平均前进速率高达4.19m/a(姚文波，2009)。沟头的迅速前进导致大面积塬面的优质农田遭到破坏，同时损坏民居、道路和厂房等生产生活设施，严重威胁粮食安全及当地居民的生产生活安全；沟头溯源产生的大量泥沙不断淤积到下游河床及水库中，可造成严重洪涝灾害。溯源侵蚀已经严重威胁塬区甚至下游区域的生态安全，“固沟保塬”已成为黄土高塬沟壑区十分紧迫的工作。 1.2 黄土塬溯源侵蚀研究目的与意义 从国家需求来看，保护塬面，防治沟头溯源，抑制溯源侵蚀发生发展，是一件造福黄土高塬沟壑区人民群众的伟大事业。从农业生产来看，塬面是黄土高塬沟壑区重要的农果业生产基地，倘若任由沟头溯源，必然导致大量的优质农田被破坏，造成区域性粮食短缺，引发严重的粮食安全问题。从生态环境治理来看，抑制溯源侵蚀发生发展，减少水土流失，避免面源污染，有利于植被生长发育，促进生态环境建设。从人民生产生活安全来看，保护塬面有利于民居安全、便利交通、保障人民生命财产安全。“固沟保塬”已成为确保黄土高塬沟壑区粮食和生态安全的紧迫任务，加强沟头溯源侵蚀研究是实现“固沟保塬”目标的科学理论基础。从学科发展来看，黄土高塬沟壑区沟头溯源侵蚀研究相对滞后，研究工作及相关文献资料较少，溯源侵蚀规律及发生发展机理尚不明确。沟头溯源侵蚀作为黄土高塬沟壑区水土流失的主要方式与塬面破坏的主要过程之一，其侵蚀规律与驱动机制已成为水土保持学科亟待解决的问题之一。探究黄土高塬沟壑区不同土地利用/植被覆盖条件下溯源侵蚀发生发展过程与驱动机制，可深化黄土高塬实施退耕还林、还草引起的土地利用方式改变或植被覆盖变化对该区土壤侵蚀过程影响的认识，有利于进一步了解和评价植被的蓄水减沙方式与效益，为黄土高塬沟壑区“固沟保塬”及区域土壤侵蚀模型的建立奠定理论基础，为塬区水土资源的持续利用与生态环境建设提供科学依据。 1.3 沟头溯源侵蚀研究进展 沟头溯源侵蚀作为黄土高原*活跃的沟谷侵蚀方式(陈永宗，1984)，是破坏黄土高原优质农田，摧毁当地民居、道路及生产设施，导致塬面大面积萎缩的主要原因(陈绍宇等，2009a)。各种侵蚀形式中，沟蚀对人类生产生活的影响*大，威胁程度*高，但有关沟蚀的研究成果仅占土壤侵蚀研究的10%左右(Castillo et al.， 2016)，导致人们对沟蚀过程中溯源侵蚀的认识十分有限，溯源侵蚀过程的定量表达是今后沟蚀过程研究的重点之一(郑粉莉等，2016)。目前，相关研究主要集中在沟头前进速率及其影响因素、沟头前进机制等方面。 1.3.1 沟头溯源侵蚀内涵与沟头特征 沟头溯源侵蚀，又称沟头前进，指坡面经受降雨形成径流后沿坡面向沟头流动，径流使沟头向相反方向前进，沟头上方来水以跌水形式冲击沟底，土体受到水流作用形成悬空土体，继而坍塌，沟头得以溯源。在许多研究中，沟头溯源侵蚀被纳入沟蚀的范畴(唐克丽，2004；程宏等，2003；陈永宗等，1988；景可，1986；朱显谟，1956)，沟谷发育过程中沟头溯源*为活跃，对地形的重塑起决定性作用(陈永宗，1984)。水力侵蚀及其产生的崩塌、滑塌等重力侵蚀是沟头溯源*重要的侵蚀方式。在涧地和残留沟谷中多发育以崩塌为主要溯源方式的侵蚀沟头，而甘肃东部塬区的沟头前进大多是径流对沟头壁和沟坡的冲淘作用所致。沟头前进速率在很大程度上取决于汇水面积，且与沟头地形形态密切相关。上方汇水量较小条件下，沟头沟坡坡度较小的沟头前进速率较慢，沟头多呈尖峰形；对于汇水区域较大的沟头，如果沟头沟坡较陡，强降雨形成的径流流速较大，多在沟头形成近似抛物线形的冲击水流，沟头土体在水流作用下不断崩塌，沟道底部被水流冲击形成水蚀洼地，降雨汇集形成的水流沿沟头陡坡面冲淘，使沟头陡坡土壤被侵蚀并向上方凹陷，从而形成临空土体，临空土体一旦失稳崩塌，沟头则前进，沟沿线多呈圆弧形。黄土高塬沟壑区的许多沟头靠近道路和居民点，由于道路表面容重较大，有利于塬面径流的形成和流通，且流经路面的径流量较大，易加剧沟头溯源，溯源方向和道路走向基本相同。 溯源侵蚀与侵蚀沟的形成过程密切相关，被认为是切沟发育的主要方式(伍永秋等，2000)。国内外针对溯源侵蚀的研究并不多见，主要集中于侵蚀沟发育过程中的沟头溯源。韩鹏等(2002)将坡面细沟发育过程中溯源侵蚀和沟壁崩塌产沙量从总侵蚀量中分离出来，并认为溯源侵蚀是细沟主要产沙方式，溯源侵蚀量占细沟侵蚀量的50%以上。沟谷发育过程是一个完整的系统，由“细沟、浅沟、切沟、冲沟、坳沟”的发展组成(张新和，2007；关君蔚，1995；景可，1986)。在黄土高原，降雨形成超渗产流，径流向低处流动过程中逐渐汇聚形成集中股流，当径流剪切力大于土壤临界抗剪强度后，坡面出现细沟，并逐渐向浅沟发育；由于沟道的不断发育和扩展，其汇集径流能力增强，在沟道发育过程中常伴随着崩塌等重力侵蚀现象，随着径流的汇集下切，切沟逐渐形成，切沟横剖面呈V形，沟道径流对沟壁土壤冲淘使沟壁不断拓宽，*终形成冲沟，冲沟横剖面多呈U形(刘元保等，1988；陈永宗，1984；甘枝茂，1980)。何雨等(1999)详细研究了丘陵区不同侵蚀沟谷的宽深比变化，认为坳沟是沟谷发育过程中*稳定阶段，冲沟则是沟道发育过程中*活跃的侵蚀阶段。郑粉莉等(2006)认为在浅沟侵蚀初期，沟头前进速率大于沟壁扩张和沟床下切速率；中期沟头前进变缓，沟壁扩张和沟床下切作用明显；后期大量的跌坑相互连接后形成切沟，即发生切沟溯源侵蚀(程宏等，2006)。 沟头溯源侵蚀因土壤、地形、降雨及上方汇流的不同呈现显著的差异性，溯源沟头类型因划分依据的不同，划分结果也有所不同。刘增文等(2003)根据侵蚀沟将沟头分为原生侵蚀沟头和次生侵蚀沟头，根据发育程度又将其分为顶极型、遏止型和前进型沟头。南岭(2011)根据沟头形态将金沙江干热河谷冲沟沟头分为跌水状沟头和平缓状沟头，并认为沟道侵蚀的泥沙主要来自沟头土体崩塌。Stein等(1993)认为沟头可以分为轮转型沟头和阶状沟头，与南岭(2011)对冲沟的划分结果相似。中国科学院东北地理与农业生态研究所对黑土区沟头活跃程度进行了研究，并在该研究基础上将侵蚀沟划分为活跃性、半活跃性和稳定性三类(闫业超等，2007)。陈绍宇等(2009a，2009b)对董志塬沟头进行了大量野外调查和总结，将沟头分为水力冲刷型、陷穴诱发型、裂缝诱发型和人为诱发型。Zhu等(2008)根据沟头垂直方向上的形态将沟头分为单阶梯沟头和多阶梯沟头。Sidorchuk(1999)认为沟道发育过程可简单分为迅速演变阶段和平稳阶段。Dietrich等(1993)认为不同水流对沟头切割作用不同，依据水流对沟头的切割深度可将沟头分为微变沟头、微型沟头和中型沟头等。 1.3.2 沟头溯源侵蚀研究方法 有关沟头溯源侵蚀的观测方法较多，参数不一，各观测结果也难以比较，至今未能形成一套标准化的沟头溯源侵蚀速率(前进速率)及控制因素的观测研究方法。目前的观测研究方法主要有以下几种。 (1) 手工测量法。该法是用卷尺、微地形剖面仪(Casali et al.， 2006)等工具，沿冲沟长度每隔一定距离测量其横截面特征值(上底宽、下底宽、高度、沟岸长度和坡度等)，计算不同时间溯源侵蚀的容积变化，据此推算溯源侵蚀量，是被广泛应用的一种方法(Casali et al.， 2006)。该方法简单、直接、成本较低，可用于短期测定，但具有较大的局限性。例如，测量费时费力，不适合大尺度范围测定，而且测算精度不高，取决于沟头溯源侵蚀形态的复杂程度及测量时间间隔。 (2) 侵蚀针测量法。该法是在沟头边缘每隔一定距离布置侵蚀铁针或水泥桩作为基准点，雨季后用水准仪或全站仪测定沟头发育边缘与侵蚀针(桩)的位置变化，进而测算土壤侵蚀量。该法是溯源侵蚀监测的经典方法，Vandekerckhove等(2001)和Ionita(2006)分别在西班牙和罗马尼亚应用这种方法对溯源侵蚀进行监测，取得了较理想的观测结果。该法的优点在于精度较高，能够进行短期监测，而且较地面手工测量法而言省时省力。其缺点是在沟头边缘布置铁针或水泥桩，可能会加剧沟头沟缘的不稳定性甚至促进裂隙的产生。另外，沟头内部因崩塌、下切作用等产生的形态、体积的变化也难以测量，导致计算总侵蚀量时产生误差。 (3) 数字化地形图监测法(Martínez-Casasnovas， 2003; Betts et al.， 1999)。这是目前应用*为广泛的溯源侵蚀速率和产沙量的研究方法。该方法是利用多时段航片解译或者数字化地形图，得到多时段的溯源侵蚀发生区域的数字高程模型(digital elevation model， DEM)，溯源侵蚀在两时段的DEM体积之差，即该时段发生的侵蚀量。该法迅速、简便、易于实现周期监测，而且能够计算溯源侵蚀因地表径流、重力侵蚀和溯源侵蚀下切作用等产生的总侵蚀量，并确定侵蚀活跃部位，绘制出溯源侵蚀图形。DEM的缺点是多数航片比例尺太小(多在1∶10000以下)，对于形态变化小的溯源侵蚀，如每年几十厘米的沟头前进速率，由于分辨率只能进行中长期监测，满足不了短时间尺度监测要求。Fan等(2011)采用地理信息系统(geographic information system，GIS)建立数字高程模型对汶川“5？12”地震滑坡体积及二次灾害进行了经验统计和评估。张怀珍等(2012)采用遥感-地理信息系统(remote sensing-geographic information system，RS-GIS)对汶川重灾区泥石流沟内崩滑物空间分布进行了定量评估。李瑾杨(2013)利用三维激光扫描仪进行了基于点云数据的冲沟溯源侵蚀过程动态可视化研究与实现。 (4) 其他方法。近年来，有些学者进行了一些新监测方法的探索，其中较典型的有热气球照相法(Ries， 2003)和树木断代法(Vandekerckhove et al.， 2001)。热气球照相法是利用热气球在350m以下的近地面拍摄大比例尺(1∶200～1∶10000)的照片，获得高清晰的影像。该方法大大弥补了航片的不足，可以监测数厘米的溯源侵蚀形态变化，其不足之处在于，购置成套设备价格昂贵，调查费用高。另外，热气球的稳定性很容易受到风的影响，拍摄的照片常存在不同程度的倾斜，造成像点的位移和方向偏差。树木断代法是一种基于树木年代学的长期监测方法，该方法是将受溯源侵蚀影响的树木或其部分根系作为断代标示物，先用树木年代学方法确定其年代，再根据该年代在溯源侵蚀发生以前、以后或发生过程中，来估算溯源侵蚀发生的大致年代，以此推算溯源侵蚀速率。由于该方法得到的只是溯源侵蚀形成或发生的大致年代，时间精度得不到保障，仅适用推断历史时期发生的侵蚀事件，存在较大局限性。 可见，溯源侵蚀研究主要通过沟头动态监测实现，已有的研究方法包括手工测量法(Casali et al.， 2006)、侵蚀针(桩)测量法(Ionita， 2006; Vandekerckhove et al.， 2001)、树木断代法(Vandekerckhove et al.， 2001)、航片解译法(Vandekerck