沙棘在砒砂岩区小流域冻融风化侵蚀中的作用_杨具瑞.pdf

第 16卷第 4 期 2002年 12月 水土保持学报 Journal of Soil and Water Conservation Vol 16No 4 Dec 2002 沙棘在砒砂岩区小流域冻融风化侵蚀中的作用 杨具瑞 1 方 铎 1 毕慈芬 2 乔旺林 3 李桂芬 4 李文萍 1 1 四川大学高速水力学国家重点实验室 成都 610065 2 黄河上中游管理局 西安 710043 3 内蒙古鄂尔多斯市水保所 鄂尔多斯 017000 4 中国水利水电科学研究院 北京 100085 摘要 通过对砒砂岩区西召沟小流域冻融风化侵蚀实测资料的分析 认为砒砂岩区冻融风化侵蚀主要发生在裸 露沟谷坡面 其冻融风化侵蚀与砒砂岩的种类有关 与同种砒砂岩相比 种植沙棘 7年后 支沟上 中 下游的坡面 冻融风化侵蚀模数平均从 11 748 t km2降为 3 535 t km2 降低 69 9 单位长度沟沿线与沟角线和的冻融风化侵 蚀量平均从 0 097 4m3 m降为 0 004m3 m 降低 95 9 冻融风化侵蚀量占整个沟道总产沙量的百分比上游从 76 1 降到 52 6 下游从 6 4 升到 13 2 可见沙棘在防止冻融风化侵蚀方面的作用是非常明显的 关键词 砒砂岩 小流域 冻融风化 沙棘 中图分类号 S157 1 文献标识码 A 文章编号 1009 2242 2002 04 0041 04 Action of Seabuckthorn in Freeze thaw and Weathering Erosion of Small Watershed in Soft Rock Area YANG Ju rui 1 FANG Duo1 BI Ci fen2 QIAO Wang lin3 LI Gui fen 4 LI Wen ping 1 1 State Key Hydraulics Laboratory of High Speed Flows Sichuan University Chengdu 610065 2 The Upper and Middle Reaches Management Bureau of Yellow River Xi an710043 3 Institute of Soil and Watr Conservation of Eerduosi Eerduosi 017000 4 China Institute of Water Resources and Hydropower Research Beijing 100085 Abstract Based on the analyzing the metrical data of freeze thaw and weathering erosion of small watershed in soft rock area it got the conclusion of the freeze thaw and weathering erosion of small watershed in soft rock area took placed on bare ditch slope and the quantity of erosion was related to the varies of soft rock After 7 years seabuckthorn growing the erosionindex of the slope area was lower from 16 165 t km 2 to 4 240 t km 2 The ero sion index of line of gully erosion was lower from 0 097 4 m3 m2to 0 004 m3 m2 The ratio of freeze thaw and weathering erosionin total erosion reduced from 76 1 to 52 6 in gully upstream and the ratio of freeze thaw and weathering erosion in total erosion increased from 6 4 to 13 2 So the action of seabuckthorn in the freeze thaw and weathering erosion of small watershed in soft rock area is very obvious Key words soft rock small watershed freeze thaw and weathering seabuckthorn 砒砂岩区地处鄂尔多斯高原 具体指陕西内蒙接壤处直接入黄河的一级支流和十大孔兑地区 地质构造松 软 地面支离破碎 沟壑密度大 地理地貌独特 这里是黄河流域基岩集中产沙的主要来源区 也是我国沙尘暴 来源地之一 砒砂岩区总面积为 11 682 km 2 占晋陕蒙接壤地区总面积的 22 5 其中完全连片裸露区面积为 6 262 8 km 2 占砒砂岩区总面积的 53 6 盖沙砒砂岩区面积 2 795 3 km2 占砒砂岩区总面积的 23 9 该区 水土流失以冻融风化侵蚀和重力侵蚀为主 且存在着特殊的风水两相侵蚀产沙机制 1 冻融风化侵蚀主要发生 在冬春季 风向多与沟道垂直或高角度相交 砒砂岩区产沙主要集中在沟壑 根据毕慈芬的观察 西召沟小流域 沟谷产沙量占总产沙量的 90 而冻融风化等引起的风蚀非径流产沙量占沟谷产沙量的 90 其中大部分为风 力在沟谷的产沙量 小部分为流域面上风力般运的泥沙在沟谷的堆积量 2 针对砒砂岩区水土流失的特点和危 害 1992 年黄河中游治理局在内蒙东胜区选择西召沟小流域为试点 专门立题为 砒砂岩区植物柔性坝的试验 研究 开展水土流失调查和沙棘防治水土流失的示范研究 1995 年开始种植沙棘 并且对沙棘在拦沙 缓洪 削 峰和恢复生态等方面的作用进行了研究 但对沙棘在冻融风化侵蚀方面的作用没有涉及 本文在他们试验研究 工作的基础上 通过实测冻融风化侵蚀资料的分析 研究了砒砂岩区沟谷冻融风化侵蚀特征 探讨了沙棘在冻 融风化侵蚀方面的作用 为砒砂岩区水土流失治理提供科学依据 收稿日期 2002 07 28 基金项目 长江三峡工程泥沙问题 九五 项目 95 5 4 黄河上中游管理局项目 96 dd 019 作者简介 杨具瑞 男 生于 1964 年 博士 副教授 主要从事水土保持和水利工程研究 DOI 10 13870 ki stbcxb 2002 04 011 1 冻融风化侵蚀量和侵蚀厚度的测量 表 1 冻融风化侵蚀量的测量结果 测量点东六支沟东八支沟东五支沟东一支沟 冻融风化侵蚀量 m3沟沿线长度 m 4515507202870 上游沟角线长度 m 3004484061397 风化沟谷坡面面积 m2 27005340003620012819 沟谷坡顶流域坡面面积 m2 508415900670068300 沟道长度 m 20075150313 5 沟道宽度 m 2322 沟道比降 466 367 657 363 3 沟谷坡面坡度 35 536 537 537 5 坡长度 m 4749537 冻融风化侵蚀量 m3 42457313 沟沿线长度 m 3689303701940 沟角线长度 m 4042653091508 中游风化沟谷坡面面积 m2 963486001086010344 沟谷坡顶流域坡面面积 m2 43361700520088790 沟道长度 m 16796114304 5 沟道宽度 m 10562 沟道比降 45 728 042 844 0 沟谷坡面坡度 353737 545 5 坡长度 m 5343488 冻融风化侵蚀量 m3 921335 沟沿线长度 m 128476255920 沟角线长度 m 107207301550 风化沟谷坡面面积 m2 4559760075004410 下游沟谷坡顶流域坡面面积 m2 16685001100133185 沟道长度 m 52 84497221 沟道宽度 m 201172 沟道比降 42 838 231 436 9 沟谷坡面坡度 36 5372245 5 坡长度 m 5350477 1 1 上中下游的划分 河流上 中 下游一般以河流断面形状 比降或者河流纵横坡面的稳定性来划分 对 于面积在 20 km 2左右的小流域来说 支沟的 断面形状 比降和纵横坡面的稳定性等都很 难划分开 按毕慈芬对西召沟小流域的 27 条 支沟的观察 流域内支沟的支毛沟分布有沟 头集中 密度大 沟末稀少 密度小的特点 因此 可根据支沟的毛支沟数量或者密度来 划分 由于砒砂岩区沟壑毛支沟的分布在上 游比较集中 下游较少 一般将毛支沟密集 的区域划分为上游 沟道出口段毛支沟较少 者为下游 中间段为中游 据此 西召沟小流 域上游有 20 条 中游 5 条 下游 2 条 1 2 冻融风化侵蚀量的测量 冻融风化侵蚀量的测量地点选为东六 支沟 东八支沟 东五支沟和东一支沟 采用 上 中 下游分段测量 其中东六支沟 东八 支沟和东一支沟为灰白色砂岩沟 东五支沟 为棕红色砂岩沟 东一支沟为小流域 砒砂 岩区植物柔性坝的试验研究 立项治理沟 由于砒砂岩区冻融风化侵蚀时段为每年 10 月至第二年 5 月 因此 时间定于 2002年 4月 24 日进行 测量内容包括 各沟谷上 中 下 游的产沙量 沟沿线长度 沟角线长度 风化 沟谷坡面面积 沟谷坡顶流域坡面面积 沟谷坡面坡度 主沟道长度 宽度和比降 实测结果如表 1 2 砒砂岩区支沟冻融风化侵蚀规律 2 1 支沟冻融风化侵蚀变量的选择 砒砂岩的种类按颜色分主要有灰白 棕红 黄色 紫色砂岩等 根据毕慈芬的观察 不同颜色的砂岩 由于砂 岩结构不同而产沙量不同 棕红色和紫色砂岩最易侵蚀 侵蚀量为最大 灰白和黄色砂岩不易侵蚀 其值最小 根据表 1 测量结果 支沟上 中 下游的冻融风化侵蚀量与沟沿线长度 沟角线长度 风化沟谷坡面面积 沟谷坡 顶流域坡面面积 沟谷总面积 沟沿线沟角线长度之和的比值如图 1 6 所示 从图 1 6 中可以看出 东六支沟 东八支沟 东五支沟冻融风化侵蚀量与沟沿线长度 沟角线长度 沟沿线与沟角线长度和 风化沟谷坡面面积的 比值有一定的规律 上游比值大 中游次之 下游最小 但冻融风化侵蚀量与沟谷坡顶流域坡面面积及沟谷总面 积之比无一定的规律 或者说冻融风化侵蚀量与沟谷坡顶流域坡面面积无关 说明砒砂岩区冻融风化侵蚀主要 发生在裸露沟谷坡面 表 2 支沟上 中 下游冻融风化侵蚀量与沟道各变量比 对比内容东六支沟东八支沟平均值东五支沟东一支沟降低百分数 上游沙量与坡面面积比 m3 m2 0 00590 00620 00610 00940 001673 8 沙量与沟沿线沟角线长度和比 m3 m 0 21170 21140 21160 30200 004797 8 中游沙量与坡面面积比 m3 m2 0 00440 00520 00480 00670 001372 9 沙量与沟沿线沟角线长度和比 m3 m 0 05440 03770 04610 10750 003891 8 下游沙量与坡面面积比 m3 m2 0 00200 00280 00240 00440 001154 2 沙量与沟沿线沟角线长度和比 m3 m 0 03830 03070 03450 05940 003490 1 根据表 1 的测量结果 将部分结果计算后列入表 2 从图 1 6 和表 2 的计算结果也可以明显地看出 相同颜色 的东六支沟和东八支沟两条沟的冻融风化侵蚀量与风化沟谷坡面面积 沟角线长度的比值较接近 误差为 42 水土保持学报第 16 卷 21 2 和 16 9 说明相同颜色的不同沟道其冻融风化侵蚀量虽然不同 但单位坡面面积冻融风化侵蚀率 即 冻融风化坡面侵蚀模数与单位长度沟沿线沟角线长度和的冻融风化侵蚀量基本相等 同时 棕红色的东五支沟 的各种比值与灰白色的东六支沟 东八支沟比值较大 因此冻融风化侵蚀与砒砂岩的种类有关 为了研究沙棘 的水土保持作用 我们选取相同颜色未治理的东六支沟 东八支沟与东一支沟进行比较 图 1 产沙量与坡面面积之比 图 2 产沙量与沟谷坡顶坡面面积之比 图 3 产沙量与沟沿线长度之比 图 4 产沙量与沟角线长度之比 图 5 产沙量与沟谷坡面总面积之比 图 6 产沙量与沟沿线和沟角线长度和之比 冻融风化侵蚀量与侵蚀的面积 气候等因素有关 在自然条件一定的条件下 仅是侵蚀面积的函数 在观测 的几个变量中 沟谷坡顶流域坡面面积和沟谷总面积与侵蚀量之间无明显关系 在研究侵蚀规律时可以不予考 虑 除侵蚀面积外 沟沿线长度 沟角线长度和沟沿线与沟角线长度之和 3 个变量中 沟沿线与沟角线长度之和 比单一的沟沿线或沟角线能够反映风化面积 图 1 6 也表明 侵蚀量与沟沿线和沟角线长度之和的相关性比其 它两个变量要好 表 2 的计算结果表明 相同颜色的东六支沟和东八支沟两条沟的冻融风化侵蚀量与沟沿线沟 角线长度和比的误差平均为 16 9 冻融风化侵蚀量与沟沿线长度比的误差平均为 34 6 冻融风化侵蚀量与 沟角线长度比的误差平均为 31 7 与沟沿线沟角线长度和之比的误差最小 因此 在选择风化沟谷坡面面积 的同时 我们选取误差最小 点值集中程度好的沟沿线沟角线长度之和变量为研究的基本变量 2 2 未治理支沟基本变量的确定 由于相同颜色的不同沟道单位坡面面积冻融风化侵蚀率即冻融风化坡面侵蚀模数与单位长度沟沿线沟角 线和的冻融风化侵蚀量基本相等 因此 取东六支沟 东八支沟冻融风化坡面侵蚀模数的平均值 得灰白色砂岩 支沟上游冻融风化坡面侵蚀模数的平均值为 16 165 t km 2 冻融风化侵蚀厚度为 6 1 cm 中游分别为 12 720 t km2和 4 8 cm 下游分别为 6 360 t km2和 2 4 cm 上 中 下游的平均值为 11 748 t km2和 4 4 cm 将相同颜色的 东六支沟和东八支沟单位长度沟沿线沟角线和的冻融风化侵蚀量平均 得支沟上游平均值为 0 211 6 m 3 m 中 游为 0 046 1 m3 m 下游为 0 034 5 m3 m 上 中 下游的平均值为 0 097 4 m3 m 2 3 上 中 下游冻融风化侵蚀量比例关系的变化 根据表 2 的测量结果 分别对东六支沟 东八支沟 东五支沟和东一支沟上 中 下游的冻融风化侵蚀量进行 43 第 4 期杨具瑞等 沙棘在砒砂岩区小流域冻融风化侵蚀中的作用 对比分析 得到上 中 下游的冻融风化侵蚀量占该沟道总量的百分比如表 3 表 3 上 中 下游的冻融风化侵蚀量占该沟道总量的百分比 地点 总沙量 m3 上游沙量 m3 占总沙量 百分比 中游沙量 m3 占总沙量 百分比 下游沙量 m3 占总沙量 百分比 东六支沟21015975 74220 094 3 东八支沟27721176 24516 2217 6 东五支沟44634076 27316 4337 4 平均76 117 56 4 东一支沟382052 61334 2513 2 从表 3 可以看出 不论那一种颜 色砂岩 虽产沙量和侵蚀模数不同 但上 中 下游的冻融风化侵蚀量占 支沟总侵蚀量的百分比具有一定的 规律 是一定值 上游为 76 1 中游 为 17 5 下游为 6 4 从实测的角 度定量地确定了上 中 下游冻融风 化侵蚀量占支沟总侵蚀量的百分比 也进一步说明砒砂岩区冻融风化侵蚀主要发生在沟头 3 沙棘在冻融风化侵蚀中的作用分析 由于相同颜色的不同沟道冻融风化坡面侵蚀模数与单位长度沟沿线沟角线和的冻融风化侵蚀量相等 因 此 未治理前东一支沟的冻融风化坡面侵蚀模数 单位长度沟沿线沟角线和的冻融风化侵蚀量的值采取相同颜 色砂岩的东六支沟和东八支沟的平均值 从表 2 可以看出 东一支沟由于 7 年的沙棘种植栽培 使单位面积的冻融风化侵蚀量即坡面冻融风化侵蚀模 数上游从 16 165 t km 2降为 4 240 t km2 冻融风化侵蚀厚度从 6 1 cm降为 1 6 cm 降低 73 8 中游坡面冻融 风化侵蚀模数从 12 720 t km 2降为 3 445 t km2 冻融风化侵蚀厚度从 4 8 cm降为 1 3 cm 降低 72 9 下游坡 面冻融风化侵蚀模数从 6 360 t km 2降为 2 919 t km2 冻融风化侵蚀厚度从 2 4 cm降为 1 1 cm 降低 54 2 上 中 下游的平均值从 11 748 t km2降为 3 535 t km2 降低 69 9 单位长度沟沿线沟角线和的冻融风化侵蚀 量上游从 0 211 6 m 3 m降为 0 004 7 m 3 m 降低 97 8 中游从 0 046 1 m 3 m降为 0 003 8 m 3 m 降低 91 8 下游从 0 034 5 m 3 m降为 0 003 4 m 3 m 降低 90 1 上 中 下游的平均值从 0 097 4 m 3 m降为 0 004 0 m3 m 降低 95 9 从表 3 可以看到 经过 7 年的沙棘示范种植 产沙量和冻融风化侵蚀模数已很低 从而也改变了上 中 下游 的冻融风化侵蚀量占整个沟道总产沙量的百分比 其上游的比例值从 76 1 降到 52 6 下游从 6 4 升到 13 2 这也从一个方面反映了沙棘在治理水土流失方面的作用 同时 沙棘在防止冻融风化侵蚀的作用也可以从图 1 6 中看出 治理沟道东一支沟与其它没有治理