水利工程論文-流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究進(jìn)展摘要：介紹了國內(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源及國內(nèi)外泥沙來源的主要研究方法；介紹了侵蝕泥沙的坡面河道運(yùn)移過程、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題，并分析了該領(lǐng)域目前研究的現(xiàn)狀；對比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)；提出了我國未來流域侵蝕產(chǎn)沙平衡研究中應(yīng)注重發(fā)展的主要問題。關(guān)鍵詞：侵蝕產(chǎn)沙平衡研究現(xiàn)狀未來發(fā)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)量和特性則受到侵蝕、輸移和沉積過程的影響。為了了解泥沙危害的根本原因，確定引起這種危害的泥沙的來源，并提出可行的控制措施，就需要對這些過程有所了解。因此，流域侵蝕產(chǎn)沙平衡計(jì)算對泥沙的控制是十分有意義的。一項(xiàng)完整的泥沙平衡計(jì)算應(yīng)包括流域內(nèi)泥沙的輸入、移動(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)的侵蝕過程；沉積的速率及地形地貌變化的詳細(xì)過程；泥沙從流域中流失的速率；泥沙來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沙量問題對于一個(gè)匯流封閉的流域而言，河流泥沙的來源主要有三個(gè)方面：坡面來沙；溝道、河岸侵蝕；人類活動(dòng)輸入泥沙(如棄渣等)。一般情況下，坡面和溝道來沙是河流泥沙的主要來源，由于流域內(nèi)土地利用方式等條件的不同，流域的不同位置對泥沙的貢獻(xiàn)也不同。另外，在人類活動(dòng)相對頻繁的道路、排水溝等也是河流泥沙的重要來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)條件等究竟對河流泥沙的貢獻(xiàn)有多大一直是人們關(guān)注的主要問題，這對于調(diào)整土地利用方式及流域規(guī)劃是十分有意義的。目前國內(nèi)外在該方面的研究較多，尤其是我國對黃河流域泥沙來源與來沙量的研究取得了豐碩的成果，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對小流域坡溝泥沙分析認(rèn)為，黃河中游小流域泥沙主要來源于溝道，但分析中未考慮坡面徑流通過溝坡時(shí)增加的泥沙；一些學(xué)者24對坡面徑流下溝對溝谷的影響研究結(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、徐建華等人5，6對黃河粗泥沙來源的界限、數(shù)量等進(jìn)行了研究；王曉7采用“粒度分析法”對砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來源的分析表明，泥沙主要來源于溝谷地；張平倉等人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)泥沙對比分析，得出流域不同地層的相對產(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自于坡面。從泥沙理化性質(zhì)分析泥沙來源在我國黃河流域沙源分析中應(yīng)用較為成熟，尤其是對黃河粗泥沙來源的研究更為深入，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137Cs研究了安塞紙坊溝流域的泥沙來源情況，表明小流域泥沙主要來源于溝谷地。利用示蹤法可望深化對泥沙運(yùn)移、沉積過程的認(rèn)識(shí)，在侵蝕動(dòng)力學(xué)等研究中也可有廣闊的前景。國內(nèi)外學(xué)者也較多的利用水文站泥沙資料進(jìn)行沙源分析。利用觀測站資料研究時(shí)，泥沙測定只能給出輸沙量的非經(jīng)常樣本。通常利用水沙關(guān)系曲線來推算缺測日輸沙量；徑流小區(qū)資料分析也是研究泥沙來源的常用方法。小區(qū)多選擇在泥沙侵蝕與輸移的典型區(qū)，進(jìn)行定點(diǎn)人工觀測或進(jìn)行室內(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)別提供了有效的依據(jù)，但觀測結(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)行沙源和來沙量研究費(fèi)時(shí)費(fèi)力，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)行大面積的沙源分析。我國關(guān)于流域沙源與來沙量的研究主要集中于黃河流域，這些研究對解決該區(qū)泥沙問題提供了很好的依據(jù)，也為其他河流的研究積累了經(jīng)驗(yàn)。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程是泥沙運(yùn)移過程中相對復(fù)雜的一個(gè)階段。這個(gè)階段水流匯集程度較弱、規(guī)律性較差，加之環(huán)境因素多變，對泥沙運(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)施的引入對泥沙分布及運(yùn)移的連通性影響較大。許多研究表明，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外已經(jīng)建立起WEPP等能反映流域坡面侵蝕過程的物理模型。我國近一二十年來在坡形、氣候等對坡面侵蝕、侵蝕分布規(guī)律等都有了深入的探索。前人關(guān)于坡長、坡度等水沙影響的研究很多，但對侵蝕產(chǎn)沙過程影響的研究不多，次降雨條件下這方面的研究更不多見?？讈喥降热?2通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了坡長對侵蝕產(chǎn)沙過程的影響；靳長興13則從坡面流的能量理論出發(fā)對臨界坡度進(jìn)行了研究；鄭粉莉14在坡面降雨徑流侵蝕方面探討了上方來水等坡面侵蝕的關(guān)系，等等。我國近期的研究從研究方法上來看主要是采用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測天然和人工降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙。從研究方向上來看主要是研究坡形、氣候、土地利用等對泥沙侵蝕的影響，對泥沙坡面運(yùn)動(dòng)的過程研究較少。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。黃詩峰等人15利用GIS技術(shù)對嘉陵江上游西漢水流域進(jìn)行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)而對坡面徑流泥沙過程獲得更深入的了解，爭取研究建立能夠反映侵蝕行為過程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模型。2.2溝道侵蝕研究溝蝕預(yù)報(bào)發(fā)展經(jīng)歷了70年代的隨機(jī)模型，80年代的過程模型和90年代實(shí)用化的過程，我國在溝蝕方面的研究如王治國17在黃土殘?jiān)磪^(qū)利用人工降雨對土壤溝蝕類型進(jìn)行了描述；白占國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通過試驗(yàn)研究了坡面侵蝕過程中侵蝕方式發(fā)生演化的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，對坡面侵蝕溝形成的機(jī)理進(jìn)行了探討；鄭粉莉20對黃土區(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、包為民等人4，21從不同的角度對侵蝕溝的發(fā)展進(jìn)行了模型研究。但以上研究在溝蝕和溝間侵蝕定量化方面以及它們對土壤流失的貢獻(xiàn)率都還需要進(jìn)一步的探索。確定溝蝕發(fā)展的速率是一個(gè)相對困難的問題，不僅流域大小會(huì)影響到溝道侵蝕，而且許多已經(jīng)發(fā)表的工作來自于短尺度的研究，這不能代表長期的趨勢。不同時(shí)期的航空像片和攝影測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)系的問題，Skempton等人(1953)很早就提出并進(jìn)行了一定的研究。Katerina(2002)將其簡明的定義為坡面與河道間水文和地貌過程的連通性22。實(shí)際上人們對坡面河道耦合并沒有非常統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。近年來此方面的研究使人們對侵蝕泥沙的坡面河道運(yùn)移過程有了更深入的認(rèn)識(shí)。MichaelC等人通過實(shí)地測量對次降雨侵蝕泥沙的坡面河道過程進(jìn)行描述，但若要了解區(qū)域泥沙運(yùn)移的一般規(guī)律還需要進(jìn)行長期的觀測；JolantaSwiechowicz24則借助137Cs研究泥沙的坡面河道過程，這種方法在國內(nèi)外的應(yīng)用也取得了較為滿意的結(jié)果，但對于較大流域的研究在精度上會(huì)存在一定的問題；Katerina等人22利用GIS技術(shù)對流域進(jìn)行了以柵格為基礎(chǔ)的劃分，在此基礎(chǔ)上討論了侵蝕泥沙的坡面河道耦合形式與耦合程度，并建立起描述坡面河道相互作用的二維模型用以定量的研究流域水沙的運(yùn)動(dòng)。我國在該方面也有較深入的研究，石輝等人25通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)對坡溝侵蝕關(guān)系的研究表明：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；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，探討了沿程含沙水流侵蝕特性和坡溝侵蝕關(guān)系及