臺風(fēng)“利奇馬”暴雨引發(fā)的土壤侵蝕調(diào)查研究
——以山東省臨朐縣為例

從辰宇，韓劍橋，2，焦菊英，2，馮 偉，馬春玲，謝夢霞，劉元昊，黑 哲，戈文艷，2，李連勝，王國振2，，王 飛，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.水利部水土保持監(jiān)測中心，北京100000；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100000；5.濰坊市水文局，山東 濰坊261000）

在全球氣候變化背景下，極端天氣可能頻繁出現(xiàn)。如何應(yīng)對極端暴雨條件下的土壤侵蝕災(zāi)害是中國乃至世界未來長期時間內(nèi)需要面對的新問題［1］。實(shí)地調(diào)查極端暴雨影響下的土壤侵蝕特征及其原因，探尋水土保持在應(yīng)對極端天氣中存在的問題，對減輕極端暴雨條件下的土壤侵蝕災(zāi)害具有重要意義。

受2019年8月9號臺風(fēng)“利奇馬”和冷空氣的共同影響，山東省遭受了極端暴雨災(zāi)害。從8月11日20時至12 日16 時，濰坊市臨朐縣降水量385.4 mm，昌樂縣降水量380.1 mm，青州縣降水量351.9 mm，廣饒縣降水量343.9 mm，以及臨淄、淄川、博山縣等地均突破了當(dāng)?shù)貑稳战邓畼O值紀(jì)錄［2］。特大暴雨對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等造成了重大損失，截至8月14日10時，“利奇馬”臺風(fēng)共導(dǎo)致山東省5.03×106人受災(zāi)，4.13×105人緊急轉(zhuǎn)移安置，8 000余人需緊急生活救助；6 700 余間房屋倒塌，1.60×105間房屋不同程度損壞；農(nóng)作物受災(zāi)面積6.43×105hm2，其中絕收4.95×104hm2；直接經(jīng)濟(jì)損失9.01×109元［3］。位于暴雨中心的臨朐縣災(zāi)害更為嚴(yán)重，其農(nóng)地、道路土壤侵蝕劇烈?！袄骜R”臺風(fēng)暴雨為研究極端暴雨下的土壤侵蝕災(zāi)害提供了一個典型案例。為此，本文選取暴雨中心附近的臨朐縣曾家溝與耿家溝為代表性流域，于2019年8月15—22日進(jìn)行了土壤侵蝕調(diào)查，旨在分析極端暴雨下的土壤侵蝕特征及水土流失治理中存在的問題，為極端暴雨下土壤侵蝕災(zāi)害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)臨朐縣隸屬山東省濰坊市（北緯36°04′—36°37′，東經(jīng)118°14′—118°49′），位于山東半島中部，沂山北麓，屬典型的北方丘陵輕度侵蝕區(qū)，暖溫帶亞濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量592 mm。臨朐縣總面積1 831 km2，轄8個鎮(zhèn)，2個街道；2018年總?cè)丝?.26×105人。彌河由南向北穿臨朐縣境而過，境內(nèi)流域面積1 438 km2，占臨朐縣總面積的78.5%［4］?！袄骜R”臺風(fēng)暴雨在彌河流域匯集，導(dǎo)致彌河干流洪水峰高量大，造成下游壽光市堤防決堤，導(dǎo)致了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。

治理程度較低的曾家溝和治理程度較高的耿家溝小流域，地處彌河上游，位于暴雨中心附近，受降雨影響最大，對于土壤侵蝕研究極具代表性（圖1）。該區(qū)域內(nèi)溝道縱橫，比降大，溝壑密度1.7 km／km2，溝壑面積占總面積的1.61%，流域內(nèi)土壤類型主要是棕壤和棕壤性土。該流域成土母質(zhì)為花崗片麻巖，土層厚度一般50 cm 左右，層次不明顯，含礫石較多，下部為半風(fēng)化的母巖［5］。土壤空隙度大，透水透氣性好，有機(jī)質(zhì)含量低，酸堿性由中性到微堿性，土壤膠結(jié)力弱，易被雨水沖刷，造成水土流失。同時由于受地形、地質(zhì)、地貌等自然條件的影響，加之人為不合理的開發(fā)利用，水土流失現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖1 研究區(qū)雨量站位置及調(diào)查樣點(diǎn)土地利用類型

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

（1）降雨資料。由山東省濰坊市水文局收集了曾家溝、花峪與辛莊子雨量站在2019年“利奇馬”臺風(fēng)過境期間的降雨資料，以及辛莊子雨量站1976—2017年的24 h最大降雨量。雨量站位置如圖1所示。通過2019年的降雨資料，分析該次暴雨的降雨過程，并根據(jù)有資料的辛莊子雨量站，采用皮爾遜Ⅲ型曲線計算該次暴雨中24 h最大降雨量的重現(xiàn)期［6］。

（2）坡面侵蝕資料。通過布設(shè)樣帶／樣方對兩個小流域內(nèi)坡面不同土地利用（梯田、林草地、撂荒地）及作物類型（山楂、蘋果、板栗、玉米、花生等）的侵蝕情況進(jìn)行調(diào)查與測量，并記錄樣方的經(jīng)緯度、坡度、作物種類及其蓋度。共調(diào)查了20個樣地，其中撂荒地4個，農(nóng)用地13個，林草地3個。樣地位置如圖1所示。對于每類土地利用的樣地，布設(shè)長度為10 m 的斷面，由坡上一直測到坡下［7］。若是連續(xù)的梯田階群，對于田坎上的細(xì)溝或滑塌也進(jìn)行測量，樣地的分布及具體情況見表1。對于比較小的坡地，選擇了2 m×2 m的小樣方（個別小田塊采用1 m×1 m 進(jìn)行測量，表1中的樣地A16-18）。對于樣地的每條細(xì)溝，每隔0.2 m 測量一個斷面，由坡上到坡下依次量取各斷面內(nèi)的寬度和深度；對于田坎上的滑塌或切溝，根據(jù)坡長、坡度以及測量的難易程度測量3～5個斷面不等。結(jié)合無人機(jī)影像統(tǒng)計的小流域內(nèi)不同類型農(nóng)地的面積，采用容積法計算侵蝕量和侵蝕模數(shù)［8］。容重根據(jù)文獻(xiàn)［9］取1.36 g／cm3。

表1 臺風(fēng)“利奇馬”暴雨的土壤侵蝕調(diào)查樣地布設(shè)情況

道路侵蝕采用抽樣調(diào)查的方法，調(diào)查區(qū)域以曾家溝為主，選擇了兩條生產(chǎn)道路，以20 m 為單位長度測量溝蝕的規(guī)模，每間隔0.5 m 測量一個斷面。第一條道路分為了4個路段，第二條道路分為了3個單位進(jìn)行測量，并在奧維地圖定位。在侵蝕模數(shù)計算時，路面土壤容重采取1.7 g／cm3，測量區(qū)段道路的面積是利用奧維地圖勾畫出測量區(qū)邊界獲得，以此計算侵蝕模數(shù)。

對于河道沖淤，針對彌河黃山水文站控制區(qū)域的河床沖變化情況，共布置樣點(diǎn)4 個。采用現(xiàn)場測量和無人機(jī)拍攝相結(jié)合調(diào)查方法開展調(diào)查，采用植物根莖或水泥面定位該次暴雨的淤積厚度。

3 結(jié)果與分析

3.1 “利 奇馬”臺風(fēng)暴雨過程

圖2為曾家溝、花峪、辛莊子水文站在該次暴雨期間（20190810—20190813）的暴雨過程線。暴雨開始于20190810上午9：00 左右，持續(xù)將近48 h，直至20190812日上午8：00才基本停止。其中曾家溝為暴雨中心，瞬時最大雨強(qiáng)為240 mm／h，24 h最大降雨量為450 mm，累積降雨量達(dá)到576 mm?；ㄓc辛莊子累積降雨量分別為552 mm 和502 mm，低于暴雨中心曾家溝。辛莊子雨量站24 h 最大降雨量為405 mm，根據(jù)皮爾遜Ⅲ型曲線計算頻率，重現(xiàn)期達(dá)到了50 a一遇（圖3）。

3.2 坡面侵蝕特征

3.2.1 不同土地利用類型的細(xì)溝侵蝕特征 對于撂荒地與林草地，由于土壤擾動小，植被覆蓋良好，能很好抵御該次暴雨侵蝕，無細(xì)溝侵蝕發(fā)生。如耿家溝楊樹林坡面的覆蓋度達(dá)到90%，撂荒地的植被覆蓋度25%～80%不等，并有一定的生物結(jié)皮，基本沒有細(xì)溝侵蝕（圖4）；在曾家溝選取的4階撂荒梯田及其他兩處撂荒梯田，田面在該次暴雨下均沒有產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕（圖5）。

圖2 20190810－20190813曾家溝、花峪與辛莊子雨量站累積降雨量過程

圖3 辛莊子雨量站24 h最大降雨量頻率曲線

圖4 耿家溝的楊樹林（左，馬春玲攝于20190819）和梯田撂荒地（右，焦菊英攝于20190819）

選取的13塊不同類型的農(nóng)地在該次暴雨下田面細(xì)溝侵蝕的情況如表2所示。調(diào)查小流域坡耕地比例很小，以3～5 m 寬的梯田為主，且坡耕地坡長較短、梯田田面較窄。5塊坡耕地有細(xì)溝發(fā)育，平均長度變化在1.1～2.8 m，平均寬度0.2～0.3 m，平均深度0.05～0.09 m，細(xì)溝侵蝕模數(shù)4 560～19 500 t／km2。細(xì)溝發(fā)育與坡耕地的位置密切相關(guān)，樣地A6，A9，A16在坡頂，坡度小，匯水面積也小，細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為6 200，4 560和7 000 t／km2；而坡度大，上方有一定匯水面積的玉米地細(xì)溝侵蝕模數(shù)接近20 000 t／km2（圖6）。

表2 臺風(fēng)“利奇馬”暴雨引起的不同地類農(nóng)地細(xì)溝侵蝕特征參數(shù)

圖5 曾家溝撂荒地（焦菊英攝于20190818）

圖6 坡耕地玉米地的細(xì)溝侵蝕（焦菊英攝于20190818）

而對于梯田，大多數(shù)情況下坡面沒有細(xì)溝發(fā)生，一般是在承接上方匯水的田面會產(chǎn)生細(xì)溝。例如A5樣地，是一片蘋果園，包括5～6階梯田和坡面沖溝地段，二者相連一起，梯田部分有使用除草劑后的枯草覆蓋，田面沒有細(xì)溝發(fā)生；而在凹形坡面承接上方道路匯水的部位，細(xì)溝長度可達(dá)24.38 m，甚至在下方發(fā)育成切溝（圖7），整塊蘋果園的細(xì)溝侵蝕模數(shù)為4 806 t／km2。A7樣地為10階梯田花生，在第4階以下由于匯水造成田面細(xì)溝發(fā)生，在第5階以下的地邊發(fā)育有切溝，田坎滑塌嚴(yán)重（圖8），樣地細(xì)溝侵蝕模數(shù)為1 600 t／km2。A8樣地為8 階的山楂園，由于上方匯水面積大并有滑坡發(fā)生，上方匯水造成田面和樹盤邊有細(xì)溝發(fā)生（圖9），樣地細(xì)溝侵蝕模數(shù)為1 418 t／km2。

圖7 蘋果園地侵蝕（焦菊英攝于20190819）

圖8 梯田花生地侵蝕（焦菊英攝于20190819）

圖9 梯田山楂地侵蝕（焦菊英攝于20190817）

3.2.2 不同土地利用類型的田坎滑塌特征 在該次暴雨中，梯田田坎滑塌嚴(yán)重（圖10）。調(diào)查樣地滑塌的平均長度1.1～5.6 m，平均寬度0.7～6.4 m，平均厚度0.2～0.5 m，樣地田坎侵蝕模數(shù)在301～36 321 t／km2（表3）。

田坎滑塌最輕的是A10樣地，上面7 階梯田種植丹參，下面兩階梯田種植紅薯，該梯田群為坡改梯工程，整地質(zhì)量比較高，僅有1 處滑塌。花生地均為覆膜種植，地膜在地面形成一個不透水層，雨水的入滲量有限，大多隨地形走勢在地面匯集形成股流，造成田坎滑塌嚴(yán)重（圖11），最大的侵蝕寬度大6.9 m。A11的山楂與A12的玉米樣地的田坎滑塌也很嚴(yán)重（附圖31a，31b），滑塌侵蝕模數(shù)達(dá)10 000～12 000 t／km2。

對于撂荒梯田，田坎基本上完好，只是在曾家溝選取的4階撂荒梯田中僅有一階梯田的田坎發(fā)生1處滑塌（長4.7 m，寬1.4 m，厚0.353 m）堆積在下一階田面。

圖10 曾家溝（左）和耿家溝（右）的田坎滑塌（焦菊英攝于20190818）

表3 臺風(fēng)“利奇馬”暴雨引起的不同地類農(nóng)地的田坎滑塌侵蝕特征

3.3 道路侵蝕

表4統(tǒng)計了曾家溝小流域生產(chǎn)道路侵蝕情況。曾家溝的生產(chǎn)道路主要分布在耕地和園地中間，多為土石路面，基本無路邊溝等排水措施。暴雨過程中道路充當(dāng)了坡面的排水通道，侵蝕嚴(yán)重，甚至基巖出露（附圖31c）。測量區(qū)域內(nèi)道路平均侵蝕寬度為3.05 m，平均侵蝕深度為0.655 m，平均侵蝕模數(shù)為28 391.29 t／km2，其中最大的侵蝕模數(shù)為71 490 t／km2，最小的侵蝕模數(shù)為4 816 t／km2。承接上方匯水較多的部位，有切溝形成。在耿家溝小流域內(nèi)排水措施較為完備的區(qū)域，降雨和耕地里面的雨水會隨著排水溝流走，道路侵蝕輕微（附圖31d）。

圖11 花生地的田坎滑塌（謝夢霞攝于20190819）

表4 臺風(fēng)“利奇馬”暴雨引起的曾家溝道路侵蝕參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

在進(jìn)入曾家溝村的硬化路面，雖外表結(jié)構(gòu)完整并無塌陷損毀。但因緊鄰溝道，在溝內(nèi)暴漲水流的掏蝕下，部分道路的路基被沖毀，其中最嚴(yán)重沖毀路基被沖出一個長11 m，深1.07 m，高0.85 m 的凹穴，調(diào)查期間車輛已不能通過（圖12）。耿家溝臨河水泥路路基采用漿砌石守護(hù)，基本無路基掏蝕現(xiàn)象發(fā)生。

因此，道路侵蝕展現(xiàn)了路面匯流侵蝕與路基掏蝕兩種形式，而有坡面排水措施與路基守護(hù)的道路侵蝕強(qiáng)度較弱。

圖12 暴雨后被掏刷的水泥路路基（戈文艷攝于20190819）

3.4 河道沖淤

從調(diào)查結(jié)果來看，河道岸坡崩塌劇烈。因在彎頂處灘槽高程較大，且處于洪水頂沖位置，崩塌更為劇烈，符合河床演變的一般規(guī)律（如圖13，附圖31e，31f）。對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)施了護(hù)岸工程等險工的部位，基本無崩塌。

圖13 暴雨后彌河岸坡沖刷情況（韓劍橋攝于20190820）

河道回流區(qū)、兩河交匯、攔河壩以及橋梁上游等淤積量較大。在河道凸岸回流區(qū)內(nèi)，灘體淤積明顯。如黃山水文站下游右岸的玉米地淤積深度達(dá)10.0 cm左右（表5）。兩河交匯區(qū)域，由于洪水水流相互頂托，比降減小，匯流區(qū)域有淤積，如辛莊觀測站河道淤積8.0～32.0 cm。攔河壩淤積較嚴(yán)重，淤積面基本與壩體高度平齊（如附圖31g所示）。橋梁上游由于阻水作用，有泥沙淤積產(chǎn)生（如附圖31h所示）。

表5 臺風(fēng)“利奇馬”暴雨引起的主要河灘地的沖淤情況

4 結(jié)論

（1）關(guān)于坡面侵蝕。①林草措施具有抵御暴雨侵蝕的能力。臺風(fēng)“利奇馬”暴雨中耿家溝與曾家溝的撂荒地、林草地均未發(fā)生細(xì)溝侵蝕，而農(nóng)地的溝蝕和田坎滑塌侵蝕嚴(yán)重。建議加強(qiáng)農(nóng)地田坎植被的培育與保護(hù)。②覆膜農(nóng)地田坎滑塌侵蝕尤為突出。臺風(fēng)“利奇馬”暴雨中覆膜花生地比玉米地的田坎滑塌侵蝕更嚴(yán)重，農(nóng)地覆膜雖然減少了田面侵蝕，但提高了田面集流效率，在排水不暢條件下，匯水造成田坎部位強(qiáng)烈的切溝和滑塌侵蝕。建議在雨季對覆膜進(jìn)行清理并妥善處理。③排水措施完善的地方土壤侵蝕弱。臺風(fēng)“利奇馬”暴雨中沒有排水措施的A11山楂地的侵蝕模數(shù)是修建了截排水溝A5蘋果地的2倍。建議針對不同部位和利用的土地設(shè)計并修建適宜的蓄排水措施，與流域形成相互連通蓄排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。④采用適宜農(nóng)藝措施（如排水溝、方形樹盤、使用除草劑保留枯草覆蓋、石坎、植被田坎等）的農(nóng)地，土壤侵蝕明顯較弱。建議在配套基礎(chǔ)蓄排水措施的同時，加強(qiáng)對農(nóng)民的水土保持型農(nóng)藝措施培訓(xùn)，平時注重田面、田坎、排水措施、道路等的維護(hù)與管理。⑤本次調(diào)查區(qū)在土石山區(qū)，土壤為粗骨土，臺風(fēng)“利奇馬”暴雨中細(xì)顆粒隨片蝕流失，礫石存留在土壤表面，加重了土壤的粗骨化。建議加強(qiáng)田面保護(hù)，修筑田埂并配置植物籬。

（2）關(guān)于道路侵蝕。①無排水措施道路徑流侵蝕嚴(yán)重。耿家溝修建有水泥排水溝的道路幾乎完好無損。建議選擇合適草灌植物種植在邊坡，沿道路內(nèi)測邊坡設(shè)置排水溝以此來減弱坡面上方匯集雨水沖刷路面。②臨河道路路基易受洪水掏蝕。建議在路基處修建護(hù)坡工程，防止水流對路基的直接掏蝕，減輕暴雨過程中對基礎(chǔ)設(shè)施的損毀，保障防汛救災(zāi)工作的順利開展。

（3）關(guān)于河道沖淤。①暴雨洪水中，河道岸坡尤其彎頂處崩塌嚴(yán)重，易引發(fā)河勢變化，導(dǎo)致堤防破壞，涉河建筑物運(yùn)行困難等問題，建議增加河道險工數(shù)量，優(yōu)化河道險工布局。②攔河壩、橋梁上游等涉河工程上游及下游附近淤積嚴(yán)重，攔河壩上游淤積甚至高于壩頂高程，淤積影響河道行洪。建議優(yōu)化建筑物結(jié)構(gòu)，減低涉河建筑物壅水高度和回水范圍，并提出有效的運(yùn)行策略，提高河道防洪能力。③河流交匯處干支流相互頂托，造成泥沙沉積，影響河道行洪。建議修建工程設(shè)施引導(dǎo)兩河水流，避免河道淤積削弱行洪能力。

致謝：本次考察由水利部水土保持監(jiān)測中心組織并資助，謹(jǐn)此致謝！