西南干热河谷山地小流域侵蚀产沙和输沙估算

Assessing the Soil Erosion and Sediment Delivery in a Hilly Catchment in Arid and Hot Valley in Southwest China

摘要: 将侵蚀产沙和泥沙传输衔接起来是全面评估土壤侵蚀及其环境影响的基础。当前大部分流域尺度的土壤侵蚀评估未能将二者衔接起来。针对西南干热河谷山地小流域，采用基于RUSLE模型对产沙的模拟，结合泥沙连通度指数为参数的泥沙输移率，估算小流域侵蚀产沙和输沙。结果表明，2024年流域总侵蚀产沙量2.90万t，输送到沟道的泥沙总量为0.55万t；流域泥沙输移率为0.19；耕地和草地分布区是流域内侵蚀产沙的主要来源；坡度为6˚~15˚坡度带是侵蚀产沙和输沙的主要来源区。未来需要从改善覆被及其空间格局的角度开展流域水土流失治理。

Abstract: Combining soil detachment and sediment delivery set the foundation for fully evaluation of soil erosion and the consequent impacts on environment. To date, combining soil detachment and sediment delivery is a challenge in soil erosion modelling. This work targets the hilly catchments in arid and hot valley in southwestern China to test the combination of the two stage of soil loss. The RUSLE and sediment delivery ratio estimated from sediment connectivity index were linked to estimate the soil erosion and sediment delivery in the catchments. The results show that the gross soil erosion of the catchment is 29,000 t in 2024, accompanied by a sediment delivery of 5500 t. The sediment delivery ratio is 0.19 on average. It was revealed that the arable land and grassland are the key sources of sediment. Areas with a slope gradient of 6˚ - 15˚ contributed most of the sediment to the channels. Future countermeasures to soil erosion are suggested to focus on the spatial arrangement of land cover to prevent sediment delivery.

1. 引言

土壤侵蚀是陆地上广泛存在且具有众多环境效应的地表过程[1]。区内的土壤流失降低土地生产力，同时通过泥沙输移影响下游的环境[2]。土壤侵蚀包括区内的侵蚀产沙和泥沙向沟道和洼地等目的地的传输两个方面[3]。将侵蚀产沙和泥沙传输衔接起来是全面评估土壤侵蚀及其环境影响的基础[1] [3]。小流域是土壤侵蚀评估的基本单元。当前大部分流域尺度的土壤侵蚀评估未能将二者衔接起来。其原因一是水土流失内涵的理解存在多种观点[3]，二是缺少将侵蚀产沙和输沙有效衔接起来的可靠的评估手段[4]。当前，大量流域水土流失研究以侵蚀产沙代表水土流失，而基于河流和沟道站点观测输沙的研究在与流域侵蚀产沙的衔接上存在困难[5]。对侵蚀产沙的观测和估算已经有众多的模型和方法。其中通用土壤流失方程(USLE模型)和修正通用水土流失方程(RUSLE) [6]-[8]是侵蚀产沙模拟最为广泛使用的模型。侵蚀产生的泥沙传输到沟道、河流以及沉积洼地的可能性受到水流路径长度以及沿途的地形、植被覆盖状况等因素的影响[5] [9]。为将侵蚀产沙和泥沙传输衔接起来，先后发展出WATEM/SEDEM模型[10]、LISEM模型[4]以及Lapsus模型[11]等众多分布式侵蚀模型。综合水流路径及其地形、植被状况构建的泥沙连通度指数[12] [13]，发展了量化泥沙输移率的方法，成为估算泥沙传输量的新途径。本研究基于RUSLE模型对产沙的模拟，结合基于地形、植被覆盖等流域属性构建的流域内各位置与沟道的泥沙连通度指数为参数的泥沙输移率[14]，估算小流域侵蚀产沙和输沙。

2. 研究方法

2.1. 研究区概况

盐井小流域是典型的干热河谷山地小流域，地处四川省盐源县城南边，流域面积5.6平方公里。属亚热带季风气候区，区内高差大，坡度较大，垂直分带明显，根据海拔高度可分为亚热带半湿润气候(海拔2000 m以下，雅砻江河谷)、暖温带–温带湿润、半湿润气候(盐源盆地，3200 m以下)、寒温带湿润气候(海拔3200 m以上) 3种气候类型。根据盐源气象站近30年气象资料，研究区年平均气温12.2℃，极端最高气温32.5℃，极端最低气温−11℃，最大积雪深度13 cm，≥10℃有效积温为3631.5℃；多年平均降水量838.3 mm，多集中在5~9月，多年平均蒸发量2352 mm，年平均日照2260小时，年平均无霜期201天，年平均相对湿度28%，主导风向为SW~W，多年平均风速2.2 m/s。土壤类型以黄棕壤和棕壤为主，表土层覆盖厚度5~20 cm。植被组合以具常绿阔叶林区与高原山地植被的过渡性质为特征，植被分布与气候特征相适应，呈较明显的垂直带谱分布特点。海拔1600 m~2100 m之间为干热河谷区稀树灌木草丛植被带，主要植物为余甘子、油桐、清香木、车嗓子、白刺花、羊蹄甲、番木瓜和由仙人掌、霸王鞭组成的肉质灌丛。流域内以旱地农业为主。

2.2. 侵蚀产沙和输沙估算

采用基于栅格的WATEM/SEDEM模型框架[1] [10] [15]模拟侵蚀产沙和泥沙传输。WATEM/SEDEM包括侵蚀量模拟、泥沙传输能力估算和泥沙传输模拟三部分。本研究采用基于景观泥沙连通度指数构建的泥沙输移率[14]表征泥沙传输能力，流域泥沙传输量为侵蚀产沙量与输移率的乘积。该模型最终输出结果包括每个栅格的侵蚀产沙量和向流域沟道的泥沙输出量。

2.2.1. 侵蚀产沙量

土壤侵蚀产沙量采用修正通用土壤流失方程(RUSLE) [8]计算。

$E=R\times K\times LS\times C\times P$ (1)

E是栅格年土壤侵蚀产沙量(kg m⁻² a⁻¹)；R是降雨侵蚀力(MJ mm m⁻² h⁻¹ a⁻¹)；K是土壤抗蚀性因子(kg h MJ⁻¹ mm⁻¹)，利用EPIC模型中采用的计算方法；L为坡长因子，S为坡度因子，二者合称地形因子，采用ALOS 12.5 m分辨率的DEM (https://search.asf.alaska.edu/#/)计算；C是植被覆盖因子，根据蔡崇法等[16]提出的基于覆盖度的确定方法计算得到，植被覆盖度基于哨兵2号多光谱影像生产的NDVI，采用像元二分法计算[17]；P是土壤保持措施，参考廖瑞恩等[18]在西南高山峡谷区的研究根据土地利用类型赋值。土地覆被类型利用吉林1号高分辨率卫星数据解译获得，分辨率为2.3 m。流域内的土地覆被类型包括森林、灌丛、耕地、草地和不透水表面(包含硬化路面、砾石覆盖区、裸土、裸岩、建筑区)。

2.2.2. 泥沙传输能力和传输量

泥沙输移量根据侵蚀产沙量和泥沙输移率计算[14]。流域泥沙输移率指流域内任意位置侵蚀产沙随径流搬运到目的地的比例[19]。本研究中泥沙搬运目的地指与流域出口连通的沟道。在泥沙传输过程中，沿泥沙传输路径的输沙能力由坡度、地表粗糙度、上坡汇水面积等因素决定。泥沙传输路径上泥沙传输的通畅程度可由泥沙连通度指数表示。泥沙连通度指以地表径流为载体的泥沙由产生地向目的地传输的顺利程度，是上坡汇水面积、坡度、植被覆盖情况和下坡传输路径长度、坡度和植被覆盖情况的函数。本研究选取用于表征流域内两位置之间通过泥沙和径流连通的概率的IC指数[20]用来量化景观泥沙连通度：

$I{C}_i=\lg \frac{D_{up}}{D_{dn}}=\lg \frac{\overline{C}\overline{S}\sqrt{A}}{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n\frac{d_i}{C_i{S}_i}}$ (2)

其中，$D_{up}$ 为上坡传输因子，$D_{dn}$ 为下坡传输因子，$\overline{C}$ 为上坡汇流区平均植被覆盖因子，$\overline{S}$ 为上坡平均坡度，A为上坡汇水面积，$d_i$ 为栅格i到目标土地利用栅格中间经栅格i的水流路径长度，$C_i$ 为所经过栅格i的植被覆盖因子，$S_i$ 为所经过栅格i的坡度，n为所经过栅格的数量。

表征泥沙传输能力的泥沙输移率基于IC指数构建，以每个栅格为单位计算[14]：

$SD{R}_i=\frac{SD{R}_{\max }}{1+\exp \left(\frac{I{C}_0-I{C}_i}{k}\right)}$ (3)

其中，$SD{R}_{\max }$ 为当地理论最大泥沙输移率，本研究取流域最大值0.73 [21]，$I{C}_0$ 和k为SDR和IC拟合曲线形状的参数，分别为0.5和2.0 [14]。

基于地侵蚀产沙量和泥沙输移率，流域内栅格单元i的侵蚀泥沙输送到目的地的泥沙量($S{D}_i$ )为：

$S{D}_i=E_i\times SD{R}_i$ (4)

3. 结果

3.1. 流域土地覆被和土壤侵蚀因子

2024年，盐井小流域土地覆被中灌丛占比最大，约占土地总面积的29%，森林占18%，草地占15%，耕地占16%，包括硬化道路、建筑用地、裸岩等在内的不透水表面占流域总面积的22% (表1、图1)。植被覆盖因子为0.05。管理措施因子平均为0.58。2024年流域所在区域降雨497.1 mm，83%的降雨量集中在8月和9月，由此导致较强的降雨侵蚀力，约为2314 MJ mm m⁻² h⁻¹ a⁻¹。流域土壤可蚀性因子为0.19 kg h MJ⁻¹ mm⁻¹。流域平均坡度为22.5˚，地形因子平均约为4.8。

Table 1. Acreage of land covers in Yanjing catchments

表1. 盐井小流域各类土地覆被面积

类型	森林	灌丛	耕地	草地	不透水表面
面积(公顷)	102	163	88	88	122

Figure 1. Spatial pattern of land cover (a), topographic factor (b), vegetation cover factor (c) and soil erosion control factor (d)

图1. 盐井小流域土地覆被(a)、地形因子(b)、植被覆盖因子(c)和管理措施因子(d)分布格局

3.2. 流域土壤侵蚀和输沙的空间分布

盐井小流域土壤侵蚀强度高于容许侵蚀强度(50 t hm⁻²) [22]的区域比重大(图2)。流域总侵蚀产沙量2.90万t，输送到沟道的泥沙总量为0.55万t。土壤侵蚀强度 >50 t hm⁻²的区域面积占比较大，约占流域面积的38% (图3)。输沙强度总体较低，输沙强度 <5 t hm⁻²的区域占流域总面积的55%。基于流域连通度指数计算的流域平均泥沙输移率为0.18。通过模拟得到的流域输沙与侵蚀产沙的比值计算，流域平均泥沙输移率为0.19。

Figure 2. Spatial variation of soil erosion (a), index of sediment connectivity (b), sediment delivery ratio (c) and sediment flux (d)

图2. 盐井小流域土壤侵蚀强度(a)、泥沙连通度指数(b)、泥沙输移率(c)和输沙量(d)分布

Figure 3. Area. percentage composition of soil erosion intensity (a) and sediment delivery intensity (b) in Yanjing catchments

图3. 盐井小流域土壤侵蚀强度(a)和输沙强度(b)面积占比构成

3.3. 土地利用类型区和坡度带侵蚀和输沙强度

耕地和草地是流域土壤侵蚀发生的主要区域，贡献了流域土壤侵蚀量的80%以上，也是向沟道输送泥沙最多的两个土地覆被类型(图4)。

Figure 4. Soil erosion intensity (a), gross soil erosion (b), sediment delivery intensity (c) and sediment delivery amount (d) of land cover zones in Yanjing catchments

图4. 盐井小流域各土地利用类型区土壤侵蚀强度(a)侵蚀量(b)、输沙强度(c)和输沙量(d)

从各坡度带来看，流域内坡度为25˚~35˚的坡度带是土壤侵蚀产沙强度和输沙强度最高的区域(图5)。虽然森林等植被大量分布在这个坡度带，但由于坡度陡峭，土壤侵蚀量强度较大，但侵蚀量低于坡度为6˚~15˚的坡度带。坡度为6˚~15˚坡度带土壤侵蚀强度仅次于坡度为25˚~35˚的区域。这里是耕地的主要分布区，而耕地水土流失强度较高。但从土壤侵蚀量和输沙量来看，该坡度带是流域侵蚀产沙和输沙的主要区域(图5)。

4. 结论

将侵蚀产沙与输沙相结合是评估流域水土流失的现实需求。本研究基于RUSLE模型对产沙的模拟，

Figure 5. Soil erosion intensity (a), gross soil erosion (b), sediment delivery intensity (c) and sediment delivery amount (d) of slope zones in Yanjing catchments

图5. 盐井小流域各坡度带土壤侵蚀强度(a)侵蚀量(b)、输沙强度(c)和输沙量(d)

结合基于地形、植被覆盖等流域属性构建的流域内各位置与沟道的泥沙连通度指数为参数的泥沙输移率，估算了盐井小流域侵蚀产沙和输沙。结果表明，流域总侵蚀产沙量2.90万t，输送到沟道的泥沙总量为0.55万t；流域泥沙输移率为0.19；耕地和草地分布区是流域内侵蚀产沙的主要来源；耕地分布面积大、坡度为6˚~15˚坡度带是侵蚀产沙和输沙的主要来源区。未来需要从改善覆被及其空间格局的角度开展流域水土流失治理。