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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/16 17:52:22
摘要：介绍了国内外流域侵蚀产沙平衡研究的主要成果。分析了流域泥沙的主要来源及国内外泥沙来源的主要研究方法；介绍了侵蚀泥沙的坡面～河道运移过程、坡面～河道耦合关系的研究现状；提出了当前河道泥沙存蓄与输移研究的主要问题，并分析了该领域目前研究的现状；对比分析了目前流域侵蚀产沙平衡研究中几个主要模型的适用范围与优缺点；提出了我国未来流域侵蚀产沙平衡研究中应注重发展的主要问题。
关键词：侵蚀产沙平衡研究现状未来发展
泥沙产生的危害是多种多样和广泛的，泥沙产生危害的形式取决于泥沙的数量和特性，而泥沙的数量和特性则受到侵蚀、输移和沉积过程的影响。为了了解泥沙危害的根本原因，确定引起这种危害的泥沙的来源，并提出可行的控制措施，就需要对这些过程有所了解。因此，流域侵蚀产沙平衡计算对泥沙的控制是十分有意义的。一项完整的泥沙平衡计算应包括流域内泥沙的输入、移动和沉积的计算，也就是应当提出：①表土和基岩的泥沙侵蚀速率，详细的侵蚀过程；②沉积的速率及地形地貌变化的详细过程；③泥沙从流域中流失的速率；④泥沙来源及沉积的空间分布情况等。
1流域侵蚀产沙平衡研究中的沙源与来沙量问题
对于一个汇流封闭的流域而言，河流泥沙的来源主要有三个方面：坡面来沙；沟道、河岸侵蚀；人类活动输入泥沙(如弃渣等)。一般情况下，坡面和沟道来沙是河流泥沙的主要来源，由于流域内土地利用方式等条件的不同，流域的不同位置对泥沙的贡献也不同。另外，在人类活动相对频繁的道路、排水沟等也是河流泥沙的重要来源和泥沙输送的重要通道。不同的土地利用方式及土壤地质条件等究竟对河流泥沙的贡献有多大一直是人们关注的主要问题，这对于调整土地利用方式及流域规划是十分有意义的。目前国内外在该方面的研究较多，尤其是我国对黄河流域泥沙来源与来沙量的研究取得了丰硕的成果，为流域泥沙治理提供了重点区域和治理方略。蒋德麒［1］对小流域坡沟泥沙分析认为，黄河中游小流域泥沙主要来源于沟道，但分析中未考虑坡面径流通过沟坡时增加的泥沙；一些学者［2～4］对坡面径流下沟对沟谷的影响研究结论差异较大，石辉认为差异的原因除研究方法不同外，可能是研究流域发育阶段不同所致；景可、徐建华等人［5，6］对黄河粗泥沙来源的界限、数量等进行了研究；王晓［7］采用“粒度分析法”对砒砂岩不同侵蚀类型区小流域泥沙来源的分析表明，泥沙主要来源于沟谷地；张平仓等人［8］分析了皇甫川流域各种产沙地层的产沙特征及机械组成，并与河口悬移质泥沙对比分析，得出流域不同地层的相对产沙量；陈浩［9］运用成因分析法的概念分析认为，黄河中游小流域的泥沙主要来自于坡面。从泥沙理化性质分析泥沙来源在我国黄河流域沙源分析中应用较为成熟，尤其是对黄河粗泥沙来源的研究更为深入，但黄河粗泥沙是在黄河这种特殊环境中产生的，并不意味着在其它流域有着同样的运用意义；杨明义等人［10］应用137Cs研究了安塞纸坊沟流域的泥沙来源情况，表明小流域泥沙主要来源于沟谷地。利用示踪法可望深化对泥沙运移、沉积过程的认识，在侵蚀动力学等研究中也可有广阔的前景。
国内外学者也较多的利用水文站泥沙资料进行沙源分析。利用观测站资料研究时，泥沙测定只能给出输沙量的非经常样本。通常利用水沙关系曲线来推算缺测日输沙量；径流小区资料分析也是研究泥沙来源的常用方法。小区多选择在泥沙侵蚀与输移的典型区，进行定点人工观测或进行室内外模拟试验。小区试验为流域内不同地貌部位及土地利用方式产沙量的区别提供了有效的依据，但观测结果多应用于小流域泥沙研究中，如何将小区和小流域研究成果应用到较大流域，是目前泥沙研究中的重点和难点之一；大面积的人工调查进行沙源和来沙量研究费时费力，目前多采用大面积人工或遥感调查与径流小区和典型小流域资料相结合的方法进行大面积的沙源分析。我国关于流域沙源与来沙量的研究主要集中于黄河流域，这些研究对解决该区泥沙问题提供了很好的依据，也为其他河流的研究积累了经验。
2侵蚀泥沙的坡面～河道耦合关系
侵蚀泥沙的坡面～河道过程是泥沙运移过程中相对复杂的一个阶段。这个阶段水流汇集程度较弱、规律性较差，加之环境因素多变，对泥沙运移的影响较大。在此阶段中泥沙就地拦蓄的作用对流域农业及非农业应用都会起到很大的作用，尤其是流域内不同泥沙拦蓄设施的引入对泥沙分布及运移的连通性影响较大。许多研究表明，只有部分坡面侵蚀泥沙直接被输送到了河道，并且输送泥沙量受到土地利用、地形、降雨类型等的影响。流域面积越大水流的规律性就越强，坡面向河道输沙的耦合关系就越弱［11］。
2.1坡面侵蚀研究
目前国外已经建立起WEPP等能反映流域坡面侵蚀过程的物理模型。我国近一二十年来在坡形、气候等对坡面侵蚀、侵蚀分布规律等都有了深入的探索。前人关于坡长、坡度等水沙影响的研究很多，但对侵蚀产沙过程影响的研究不多，次降雨条件下这方面的研究更不多见。孔亚平等人［12］通过室内模拟试验研究了坡长对侵蚀产沙过程的影响；靳长兴［13］则从坡面流的能量理论出发对临界坡度进行了研究；郑粉莉［14］在坡面降雨径流侵蚀方面探讨了上方来水等坡面侵蚀的关系，等等。我国近期的研究从研究方法上来看主要是采用标准径流小区观测天然和人工降雨条件下的产流产沙。从研究方向上来看主要是研究坡形、气候、土地利用等对泥沙侵蚀的影响，对泥沙坡面运动的过程研究较少。也有人利用“3S”技术、示踪技术等研究坡面侵蚀产沙的情况。黄诗峰等人［15］利用GIS技术对嘉陵江上游西汉水流域进行了土壤侵蚀量的估算；田均良［16］利用元素示踪法研究侵蚀泥沙在坡面沉积的分布特征及其影响因素，等等。笔者认为我国在今后一定时期内应加强坡面流水力学、坡面侵蚀动力学的研究，进而对坡面径流泥沙过程获得更深入的了解，争取研究建立能够反映侵蚀行为过程的动态数值模型。
2.2沟道侵蚀研究
沟蚀预报发展经历了70年代的随机模型，80年代的过程模型和90年代实用化的过程，我国在沟蚀方面的研究如王治国［17］在黄土残源区利用人工降雨对土壤沟蚀类型进行了描述；白占国［18］据洛川源区典型沟谷地质地貌资料分析了不同历史时期沟谷侵蚀的速率；张科利等人［19］通过试验研究了坡面侵蚀过程中侵蚀方式发生演化的水动力学机理，对坡面侵蚀沟形成的机理进行了探讨；郑粉莉［20］对黄土区坡耕地的细沟和细沟间侵蚀也作出了许多研究；蔡强国、包为民等人［4，21］从不同的角度对侵蚀沟的发展进行了模型研究。但以上研究在沟蚀和沟间侵蚀定量化方面以及它们对土壤流失的贡献率都还需要进一步的探索。确定沟蚀发展的速率是一个相对困难的问题，不仅流域大小会影响到沟道侵蚀，而且许多已经发表的工作来自于短尺度的研究，这不能代表长期的趋势。不同时期的航空像片和摄影测量方法将有助于这方面的研究。另外，关于沟道发育的年龄或阶段等问题也应该在模型中加以考虑。
2.3坡面～河道耦合关系研究
侵蚀泥沙坡面～河道耦合关系的问题，Skempton等人(1953)很早就提出并进行了一定的研究。Katerina(2002)将其简明的定义为坡面与河道间水文和地貌过程的连通性［22］。实际上人们对坡面～河道耦合并没有非常统一的认识。近年来此方面的研究使人们对侵蚀泥沙的坡面～河道运移过程有了更深入的认识。MichaelC等人［２３］通过实地测量对次降雨侵蚀泥沙的坡面～河道过程进行描述，但若要了解区域泥沙运移的一般规律还需要进行长期的观测；JolantaSwiechowicz［24］则借助137Cs研究泥沙的坡面～河道过程，这种方法在国内外的应用也取得了较为满意的结果，但对于较大流域的研究在精度上会存在一定的问题；Katerina等人[22］利用GIS技术对流域进行了以栅格为基础的划分，在此基础上讨论了侵蚀泥沙的坡面～河道耦合形式与耦合程度，并建立起描述坡面～河道相互作用的二维模型用以定量的研究流域水沙的运动。我国在该方面也有较深入的研究，石辉等人［25］通过室内模拟试验对坡沟侵蚀关系的研究表明：坡沟侵蚀关系随小流域的沟道发育而变化，呈现出沟道侵蚀量逐渐减少，坡面侵蚀量逐渐增大的总趋势；陈浩等人［26］根据坡面水下沟时在沟坡(道)上“净产沙增量”的概念，探讨了沿程含沙水流侵蚀特性和坡沟侵蚀关系及产沙机理；蔡强国等人［4］从泥沙输移的物理过程出发，依据流域野外小区观测与模拟降雨试验建立了一个适用于黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙过程模型，模型分为坡面、沟坡和沟道子模型；包为民［21］提出了小流域水沙耦合概念模型，从坡面、沟道产汇沙等方面考虑构成了一个具有明确物理意义的流域水沙耦合模型。蔡强国、包为民的研究都是基于一定物理过程和物理基础的，开始向着构建物理模型的方向靠近，但在模型中对于坡面～沟道的耦合关系仍不够紧凑。对于流域的坡沟侵蚀耦合关系仍有不同的观点，因为侵蚀泥沙的坡面～河道过程规律性差、干扰因素作用显著，所以这一过程是泥沙运移过程中相对复杂的一个阶段。目前，对于这一过程规律的掌握仍有许多需要进一步解决的问题。参考文献：
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关于河道泥沙输移有三个关键性问题：河道泥沙存蓄量；泥沙存蓄与输移时间；沉积泥沙的空间分布。由于侵蚀与产沙之间数值差异的存在，泥沙的动态存蓄将是一个不可回避的问题。河道内存蓄泥沙动态变化的定量研究将会有助于估算河道泥沙存蓄与流域产沙之间的动态关系，并且可以对不同河段泥沙的存蓄特征进行比较与解释。
河道内泥沙的运动与区域洪水的性质及河道的形状关系密切，径流的季节变化会导致河道内泥沙的相应变化；河道特征与泥沙的输移距离、不同粒径泥沙的分布等也有着直接的相互作用关系。人们总结了一些方法用以研究此类问题。如MatthiasHinderer［27］利用地貌形态变化计算泥沙输移问题；JackLewis[28］利用分层随机抽样法进行泥沙平衡研究；A.R．Orpin等人［29］利用不同泥沙粒径分布规律进行泥沙输移平衡的研究等。我国在此方面的许多研究也都表明了泥沙存蓄变化与区域降雨径流的关系最为密切，如黄河中游某些支流河道具有“小水淤，大水冲”的特性，近年来由于降雨洪水较小，河道存蓄泥沙量较大。高进［30］通过对不同形状河流沙洲发育长度的理论分析了河流泥沙淤积规律，建立起沙洲发育模型；王士强［31］应用动床阻力及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系建立了黄河下游河床变形数学模型，该模型的特点是能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲等情况。
目前，采用同位素示踪方法研究河道泥沙存蓄变化的研究较多。SimonJ等人［32］通过“水库理论”对河道泥沙的输移与存蓄进行了研究。“水库理论”是定量研究河道内泥沙存蓄与输移时间的一种方式，是对水库中径流平均存蓄与输出时间在概念上的一种借用。通过应用，SimonJ等人对河道内不同区段泥沙输移时间进行了较为精确的估算，对存蓄泥沙的活动等情况进行了定量研究。但以示踪法研究通常存在这样的问题：(1)示踪物质在河道内停留的时间至少要和泥沙平均停留的时间相等，而泥沙在河道内有可能停留上百年的时间；(2)如果不同时期输入河道内的泥沙充分混合，河道内泥沙的存蓄周期与驻留时间也很难确定。以特制试验设备辅助研究或许是解决河道泥沙的输移与存蓄变化过程研究的有效方法之一。英国学者D．M.Lawler［33］等人研制了一种用以自动监测河流泥沙的侵蚀、输移与沉积情况的“光电侵蚀探针”，其最大的优点在于它可以长期自动连续监测河流泥沙的侵蚀、输移与沉积，这对于没有或较少水文测站的区域连续观测泥沙是十分有意义的。
4流域侵蚀产沙平衡研究中的模型问题
尽管极端降雨条件会产生大量的泥沙，但侵蚀模型对平均侵蚀率的测量仍然是很好的泥沙预测方式。通用土壤流失方程(USLE)可以模拟单坡面长期的泥沙侵蚀，但USLE模型预测的坡面侵蚀并未考虑坡面凹陷处的沉积问题。然而，一部分冲积物或崩积物会在其运移过程中发生沉积，而且流域的范围越大发生沉积的机会就越多。下面提到的几个侵蚀预测模型都是可以模拟泥沙运移过程的模型，它们分别是用来模拟单次降雨过程和长期侵蚀过程，以及模拟单坡面侵蚀和不同尺度全流域侵蚀产沙的。大部分的模型都是用来模拟单次降水侵蚀的，如EROSION3D［34］、EUROSEM［35］、KINEROS2［36］、ANSWERS［37］、AgNPSm［38］。应用这类模型最主要的问题是初始条件的确定，因此，这类模型通常被用来模拟不同降水的设计。在时间上具有连续性的模型如WEPP［39］和OPUS［40］，这类模型比上面提到的模型更为复杂，因为他们还可以用来模拟土壤水分运动、植物生长等两次降水期间的过程。因此，这类模型的优点在于初始条件可以自动提供，并且可以相对容易地对一系列降水进行计算。
大部分在时间上具有连续性的模型都是用于模拟单坡面侵蚀的，这与模拟全流域侵蚀模型具有明显的区别［41］。模拟全流域土壤侵蚀的模型需要对流域空间进行离散化和参数化处理，一般采用两种方式。一是基于栅格的空间离散化处理(EROSION3D、ANSWERS、AgNPSm)。但是栅格的大小会对模拟结果产生很大的影响，因此，可研究流域的最大尺度是由栅格的最大数量所决定的。另一种方法是将流域根据一定的参数标准划分成若干个具有代表性的坡面(KINEROS2、EUROSEM)，这些坡面通过沟道连接起来，进而通过模型模拟泥沙的输移过程。将侵蚀模型与地理分析软件进行不同程度的耦合是近年来泥沙平衡研究中模型研究的主要方向之一。蔡强国等人［4］(1996)在IDRISI软件的支持下建立了一个具有一定物理基础的能表示侵蚀产沙过程的小流域次降雨侵蚀模型。模型考虑了降雨入渗、径流分散等过程，将水流在流域的汇流、输移过程引入到模型当中，从机理上对侵蚀过程进行了定量分析。GiorgioA．Benporad等人［42］采用分布式模型模拟水、沙量平衡。通过GIS处理将该流域离散化为栅格形式，建模以栅格为基础，与栅格整合的模拟方程通过流域出口处的水沙资料进行模型修正。结果显示，分布式数学模拟能够较为精确地模拟流域以月和年为单位的水沙运动情况。他们的研究通过GIS处理与时间修正在一定程度上已经打破了模型研究的空间与时间尺度限制。
确定可用的侵蚀模型是一项很复杂的任务，侵蚀模型必须经过修正之后才能用于模拟泥沙的过程。其中主要的问题是模型参数的转换、无观察站点区域初始条件的设置及利用长系列资料进行模拟时模型的适用性问题。准确的实地资料非常重要，因为它们常常是侵蚀产沙建模的重要限制性因素，如果分布资料不够全面，对于较大尺度的流域而言模型的选定将是很困难的。对于长系列资料的模拟，同时期泥沙沉积的调查十分必要，因为只有这样才能对资料模拟的结果进行校验。
5流域侵蚀产沙平衡研究展望
流域侵蚀产沙平衡研究关系到我国生态环境建设、水利工程的使用与建设等方方面面，总结分析我国泥沙研究的现状，针对我国泥沙平衡研究中存在的问题，借鉴国外好的研究思路与研究方法，进行系统的、泥沙运移过程的平衡计算将是十分有意义的。
5.1基本资料的科学观测
在流域侵蚀产沙平衡研究中，丰富而准确的资料是泥沙研究的生命线。因此，科学合理地布设观测站点，对部分观测站点进行适当的调整，进行水文泥沙的长期、连续观测是获得水文泥沙研究资料的基础，更是流域侵蚀产沙平衡研究发展的前提条件。
5.2因地制宜的泥沙运移过程研究
目前，对于泥沙输移预报问题我们还需要了解更多的、更为细致的输移过程。对于流域内侵蚀泥沙不同粒径之间的关系；流域内侵蚀泥沙的停留时间与重新移动问题；侵蚀泥沙坡面过程与沟道过程的不同；侵蚀泥沙的停留时间与重新移动的耦合关系；适当时间尺度范围内坡面与沟道间的动态相互作用关系；侵蚀系统内不同部位侵蚀泥沙的相互关系及如何评价等问题仍然需要更为深入的研究。
目前国内尚未研究出类似于美国USLE的单坡面侵蚀模型，更未见类似于WEPP的物理过程模型，致使我国目前土壤侵蚀定量化缺乏实据，今后一段时期内应当攻关此方面的研究。我国幅员辽阔，地域间自然条件差异较大，除了进行通用性较强的物理模型的研究外，开展区域性产沙经验模型的研究同样具有不可替代的作用。我国关于泥沙侵蚀阶段的研究与预测模型探讨较多，但能够反映泥沙运移全过程的模型较少，因此，对于全流域泥沙输移过程的研究也应该加强。
5.3综合研究方法
泥沙从侵蚀到沉积是一个复杂的过程，因此，泥沙平衡的研究也应该是一个系统工程。单一的方法一般越难以解决全流域泥沙运移研究的问题。采取多种研究方法的综合使用，充分发挥“3S”技术等高新技术在泥沙资料的获得与分析等方面的巨大作用，在我国的泥沙平衡计算研究中仍有很大的发展空间。
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