流域侵蝕對(duì)桂田水庫(kù)泥沙淤積的影響研究

江鑌斌

(五華縣水利水電建設(shè)中心，廣東 梅州 514400)

桂田水庫(kù)在保證縣城水源供水的基礎(chǔ)上兼顧農(nóng)田灌溉和發(fā)電需求，是一座綜合性水庫(kù)。PujiUtomo(2017年)的主題研究是Mrica水庫(kù)泥沙淤積：現(xiàn)狀和未來必要管理[1]。其研究結(jié)果表明，在2017年的過去十年中，沉積物的流入速度約為每年5.869×106m3，而從水庫(kù)中釋放的沉積物為每年4.097×106m3。因此，為了維持水庫(kù)的容量，每年應(yīng)以沖洗或挖沙的方式從水庫(kù)釋放最少1.772×106m3的庫(kù)容。此外，研究表明沉積管理可有效延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命。如果不進(jìn)行沉積物管理，水庫(kù)壽命將在2016年結(jié)束；相反，如果管理得當(dāng)，壽命將可能延長(zhǎng)到2025年。Tundu[2]運(yùn)用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模型計(jì)算Mazowe流域的土壤侵蝕，結(jié)果表明，侵蝕和沉積會(huì)極大影響津巴布韋Mazowe流域的水質(zhì)。

我國(guó)根據(jù)土壤侵蝕類型將全國(guó)分為三大土壤侵蝕區(qū)，分別為以水力侵蝕為主的類型區(qū)、以風(fēng)力侵蝕為主的類型區(qū)、以凍融侵蝕為主的類型區(qū)。其中以水力侵蝕為主的類型區(qū)占國(guó)內(nèi)侵蝕區(qū)重要比例。土壤侵蝕造成的水庫(kù)淤積成為水庫(kù)運(yùn)行管理中的一大難題。庫(kù)容-水位關(guān)系曲線是水庫(kù)安全調(diào)度的重要依據(jù)，庫(kù)容計(jì)算的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到水庫(kù)和發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[3]。研究表明，各類水庫(kù)病害中，水庫(kù)泥沙淤積最為嚴(yán)重，特別是水庫(kù)尾部的淤積，其導(dǎo)致庫(kù)容減小，降低了水庫(kù)的可利用率[4-5]。因此對(duì)水庫(kù)的泥沙進(jìn)行管理，將直接影響水庫(kù)的使用壽命[6-8]。所以，對(duì)水庫(kù)泥沙淤積問題的研究具有重要意義。本文通過使用預(yù)測(cè)流域侵蝕速率的方法對(duì)桂田水庫(kù)泥沙淤積問題做定量定性分析研究。

1 研究方法

將降雨侵蝕因子、土壤可侵蝕性因子、地形因子、土地覆蓋與作物管理因子等方面綜合考慮，將每項(xiàng)繪制成圖，并運(yùn)用預(yù)測(cè)流域平均侵蝕速率的方法對(duì)目標(biāo)流域研究分析。本文研究計(jì)算采用USLE方程(通用土壤流失方程)。為了確定對(duì)侵蝕速率的預(yù)測(cè)，需要在進(jìn)行分析之前收集一些必要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括:地球影像圖、降雨數(shù)據(jù)、土地類型圖、土地利用數(shù)據(jù)、野外回聲測(cè)深結(jié)果等配套文獻(xiàn)。

1.1 降雨侵蝕因子(Rm因子)

降雨量數(shù)據(jù)被處理成平均年降雨量，降雨侵蝕力根據(jù)對(duì)目標(biāo)流域有影響的雨量站計(jì)算，如式(1)。

Rm= 2.21×Pm×1.36

(1)

式中：Rm為雨水侵蝕系數(shù)；Pm為年平均降雨量，cm。

1.2 土壤可侵蝕因子(K因子)

土壤可侵蝕性因子(K因子)的計(jì)算方法為:根據(jù)研究場(chǎng)地土壤類型的條件，從目標(biāo)水庫(kù)當(dāng)?shù)厥》莸牧饔蚝彤?dāng)?shù)亓謽I(yè)管理局獲得2019年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 土壤類型與土壤可蝕性因子(K)

1.3 地形因子(LS因子)

更陡的斜坡將產(chǎn)生更高的坡面流速，而LS因子的確定遵循由林業(yè)部門發(fā)布的坡度評(píng)估等級(jí)，如表2所示。

表2 地形因子(LS)

1.4 土地覆蓋與作物管理因子(CP因子)

作物管理因子(C)和土地覆蓋(P)的值由基于土地利用圖的C因子表得到。土地利用圖從數(shù)字高程模型DEM (Digital Elevation Model)獲得，并結(jié)合了目標(biāo)水庫(kù)當(dāng)?shù)厥》莺恿骱彤?dāng)?shù)亓謽I(yè)管理局發(fā)行的土地利用圖。

1.5 集水區(qū)流域侵蝕

目前仍然流行和常用地對(duì)某一流域平均侵蝕速率的預(yù)測(cè)是由Wischmeier和Smith(1965, 1978)提出的通用土壤流失方程(USLE)，經(jīng)過各種修改和發(fā)展，其結(jié)果如式(2):

A=Rm×K×LS×C×P

(2)

式中：A為土壤流失量,t/(hm2·a)；根據(jù)USLE方法的預(yù)測(cè)，侵蝕過程中的土壤流失總量將確定流域的侵蝕危險(xiǎn)等級(jí)，如表3所示。

表3 侵蝕危險(xiǎn)等級(jí)分類

1.6 集水區(qū)泥沙產(chǎn)量

泥沙輸送率即輸沙率代表沖刷入河流的總土壤流失的比例，可由式(3)計(jì)算得出。

SDR= 0.5656CA-0.11

(3)

式中:SDR為輸沙率；CA為流域面積，km2。

輸沙率確定后，平均輸沙量由Wischmeier和Smith(1978)的式(4)確定。

SR=SDR×A

(4)

式中:SR為產(chǎn)沙量， t/(hm2·a)。

2 結(jié)果分析

2.1 水庫(kù)淤積量

通過分析處理后的GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的輪廓圖結(jié)果和回聲測(cè)深遙感，與計(jì)算機(jī)軟件(軟件)MapInfo和ArcView GIS一起使用后，得到集水區(qū)、水庫(kù)深度、水庫(kù)容量、表面積等水庫(kù)特征量。測(cè)量結(jié)果如圖1所示。根據(jù)圖1分析結(jié)果顯示，桂田水庫(kù)的深度為19.2 m，水表面積為135 800 m2。

圖1 桂田水庫(kù)的特征表面積和深度

桂田水庫(kù)的變化趨勢(shì)線估算結(jié)果與回歸分析如圖2所示。

圖2 高程關(guān)系曲線與水庫(kù)面積和水庫(kù)體積的關(guān)系

水庫(kù)容積計(jì)算見式(5)：

V= 0.1104x3+0.1283x2+2.5474x-0.9714

(5)

式中：V為水庫(kù)容積，103m3;X為水庫(kù)高程，m。

水庫(kù)區(qū)域面積計(jì)算見式(6)：

L= 0.0061x3+ 0.1682x2+ 1.4471x+ 0.5111

(6)

式中:L為水庫(kù)區(qū)域面積，103m2。

測(cè)量結(jié)果顯示，平均沉積物深度為4.20 m，由此可從等式(5)、式(6)得出2019年桂田水庫(kù)的沉積量為20 170.21 m3。

2.2 流域土壤侵蝕量

2.2.1 降雨侵蝕因子分析

降雨量數(shù)據(jù)被處理為年平均降雨量。降雨侵蝕力是根據(jù)氣象站從2009—2018年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。由數(shù)據(jù)分析知，最大的降雨侵蝕力值發(fā)生在3月，為212.96 mm，而最小的降雨侵蝕力則是在9月，為38.89 mm。如圖3。

圖3 降雨侵蝕因子平均值(Rm)

2.2.2K因子、LS因子、CP因子

土壤可蝕性因子(K因子)、土地覆蓋物和作物管理因子(CP因子)的計(jì)算使用從廣州市的河流流域和保護(hù)森林管理局獲得的數(shù)據(jù)。如圖4。

圖4 桂田水庫(kù)集水區(qū)土地利用特征

桂田水庫(kù)庫(kù)區(qū)的灌木占地面積為37.52 hm2，K=0.56，LS=1.4，C=0.3，P=1；而種植面積為7.45 hm2，K=0.56，LS=3.1，C=0.4，P=1；對(duì)于荒地面積為51.91 hm2，K=0.16，LS=6.8，C=1，P=1；森林土地面積為20.59 hm2，K=0.53，LS=0.4，C=0.001，P=1。

2.3 流域土壤侵蝕量

在計(jì)算出從1—12月的總體情況后，每月的表面侵蝕量如表4所示。

表4 年集水區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4的分析計(jì)算結(jié)果來看，桂田水庫(kù)集水區(qū)的表面侵蝕率足夠大，達(dá)到53.2 mm/a或957.59 t/(hm2·a)，導(dǎo)致表面侵蝕。由數(shù)據(jù)分析可知，桂田水庫(kù)集水區(qū)發(fā)生的平均侵蝕可歸類為中等侵蝕危險(xiǎn)等級(jí)(三級(jí))。如此高的侵蝕率其中一個(gè)原因可能是由于土地利用功能的轉(zhuǎn)移與政府確定的土地功能和利用不一致造成的；另一個(gè)重要原因可能是人口密度不平衡造成的。土地的擴(kuò)張將間接破壞土地保護(hù)。表5顯示了根據(jù)土地利用情況確定的地表侵蝕量。

表5 集水區(qū)地表侵蝕量

從表5的分析結(jié)果可以看出，最大的侵蝕量來自荒地，達(dá)到90 142.15 t/a。表面侵蝕速率的值53.20 mm/a等于侵蝕量62 491.92 m3/a(通過計(jì)算沉積物/地面時(shí)間的重度)。侵蝕值為53.20 mm/a，此侵蝕值并非全部直接進(jìn)入桂田水庫(kù)，有些將保留在地表上。

2.4 流域泥沙輸移比

進(jìn)入水庫(kù)的沉積物與被侵蝕的沉積物的比稱為沉積物輸送比(SDR)。SDR的值可以證明現(xiàn)有侵蝕控制系統(tǒng)的有效性，包括土地利用和土壤保持。SDR值越小，侵蝕控制系統(tǒng)越有效，反之亦然。桂田水庫(kù)的SDR值是通過將桂田水庫(kù)地面發(fā)生的沉積量除以集水區(qū)發(fā)生的地表侵蝕量 (USLE公式計(jì)算的結(jié)果)得到的。利用研究人員進(jìn)行的回聲測(cè)深測(cè)量數(shù)據(jù)表明，由于侵蝕進(jìn)入桂田水庫(kù)的泥沙量為20 170.21 m3/a。因此，計(jì)算可得桂田水庫(kù)的SDR值為0.3228，這意味著32.28%的集水區(qū)土壤侵蝕量進(jìn)入桂田水庫(kù)，其余的67.72%在輸移過程中沉積在集水區(qū)內(nèi)。如圖5。

圖5 各月份侵蝕與沉積對(duì)比情況

桂田水庫(kù)集水區(qū)具有較大的傾斜坡度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，桂田水庫(kù)44.19%的集水區(qū)地形因子(坡度)超過20%，屬于第Ⅲ類。此外，土地利用因子對(duì)徑流仍有較大的抑制或減緩作用，因此，根據(jù)32.28%的SDR值可以推斷，目前的土地利用因子對(duì)現(xiàn)有的侵蝕控制系統(tǒng)的作用是無效的。

假設(shè)沉積速率基于2019年20 170.21 m3/a的測(cè)量結(jié)果，且如果不進(jìn)行任何處理，由于沉積導(dǎo)致集水區(qū)的侵蝕，水庫(kù)死庫(kù)容或許將在未來3 a完全充滿，2062年或43 a后，水庫(kù)山脊的總體積將充滿泥沙。由以上數(shù)據(jù)，并且鑒于地表侵蝕屬于中等類別，有必要降低侵蝕率，以及保護(hù)環(huán)境。

3 結(jié) 論

桂田水庫(kù)集水區(qū)發(fā)生的平均侵蝕可歸類為中等侵蝕危險(xiǎn)等級(jí)(三級(jí))，為957.59 t/(hm2·a)或53.20 mm/a，相當(dāng)于62 491.92 m3/a。而根據(jù)研究人員進(jìn)行的回聲測(cè)深測(cè)量數(shù)據(jù)表明，侵蝕進(jìn)入桂田水庫(kù)的泥沙量為20 170.21 m3/a，可計(jì)算得到泥沙輸沙比(SDR)為32.28%。根據(jù)2019年測(cè)量結(jié)果20 170.21 m3/a的沉降速率，在土地利用沒有顯著變化的情況下，水庫(kù)的死庫(kù)容將在未來3年完全充滿，到2062年或43 a后，水庫(kù)山脊將充滿泥沙。為有效延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命，應(yīng)及時(shí)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行沉積物管理。