长江上游侵蚀特征及其对策

长江上游侵蚀特征及其对策
崔 鹏1，范建容1，高克昌1，2
（1中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所，成都，610041；
2 中国科学院研究生院，北京，100039）

摘要：根据长江上游土壤侵蚀背景，进行了侵蚀敏感性分析。在此基础上，分析了土壤侵蚀的近期变化及其成因。最后，就长江上游水土保持提出几点建议和对策。
关键词：长江上游 土壤侵蚀 水土保持

1．  引言
长江中下游地区是我国经济最为发达区域之一，游流域面积达100余万平方公里的长江上游地区（宜昌以上）是长江中下游地区经济发展的能源（水电）供应地和防洪减灾的生态屏障。上游地处青藏高原的东缘，地质构造构造复杂、新构造运动和地壳隆升强烈、地形高差大，受东亚季风和南亚季风的交替影响，降雨丰沛且多强降雨过程，土壤侵蚀强烈，类型多样。土壤侵蚀不仅使土地退化，生态恶化，严重的影响到上游地区的农业生产和社会经济发展，而且还为长江干支流提供大量的泥沙，影响到中游的防洪安全和长江上游的水利水电工程。在长江上游生态屏障和重大水利水电建设以及长江流域河流泥沙控制和防洪减灾工作中，需要了解长江上游的侵蚀特征。
2．  长江上游土壤侵蚀敏感性分析
应用地理信息系统、遥感技术及数字地面模型方法，从土壤侵蚀的影响因素和分布规律出发，对长江上游地区开展以水动力为主的土壤侵蚀敏感性评价。通过分析，选取影响土壤侵蚀的主要环境背景因素高程、降雨量、土壤类型、植被类型及植被指数等指标, 建立单要素的土壤侵蚀环境背景专题数字模型。
根据地形起伏度得到土壤侵蚀对地形起伏度的敏感性分布图；根据长江上游342个雨量站的资料建立降雨侵蚀力数字模型；根据长江上游土壤分布图建立土壤可蚀性数字模型；利用植被类型图结合植被指数建立植被对土壤侵蚀敏感性的数字模型。各单因素对土壤侵蚀分级标准如下（表1）：

表1 土壤侵蚀敏感性影响分级赋值标准
分级  不敏感  轻度敏感  中度敏感  高度敏感  极敏感
降雨侵蚀力  < 25  25-100  100-400  400-600  > 600
土壤(根据土壤可蚀性)  水稻土、新积土、粗骨土、沼泽土、泥炭土、寒冻土  灰褐土、褐土、黄色石灰土、红色石灰土、高山草原土、亚高山草原土、山地草甸土、漂灰土、暗棕壤  黄棕壤、表浅黄壤、黄壤性土、赤红壤、黑色石灰土、棕色石灰土、高山草甸、亚高山草甸、棕壤  石灰性紫色土、中性紫色土、黄褐土、黄壤、红壤、棕红壤、褐红壤、红壤性土、燥红土、  酸性紫色土
地形起伏度（m）  0-50  50-100  100-300  300-500  > 500
植被  沼泽、沼泽化草甸、稻田、水体、石漠或高山岩屑  其它  马尾松林、云南松林、柏木林、桉树林、亚高山常绿针叶灌丛、草原、两年三熟或一年二熟粮作、果树园  高山垫状植被、高山稀疏植被、盐生草甸、一年一熟粮作  
分级赋值(C)  1  3  5  7  9

在各环境背景组成要素专题模型的基础上, 将各单项数字模型通过图像处理中的主成份变换方法集成, 生成包含各单项要素特征的综合性的数字模型, 最后对综合性数字模型所反映的环境背景特征进行分析。主成份变换结果见表2 和表3 。第一主分量是降雨侵蚀力、地形起伏度、土壤可蚀性和植被覆盖的综合反映，其贡献率达到85.54%，第二主分量反映的蚀地形起伏度，第三主分量反映的是土壤可蚀性。将前三个主分量分别赋于红、绿、蓝进行假彩色合成，合成影像（图1）清晰地反映了土壤侵蚀环境背景特征的空间分异规律。如四川盆地，土壤对土壤侵蚀的敏感性非常显著；在盆周北部和西部，降雨量较大，地形起伏较大，植被覆盖良好，土壤可蚀性相对较弱，四大因素的作用相当；在青藏高原向四川盆地和云贵高原的过渡地带，地形因子起着主导作用；在江河源头区，土壤可蚀性起主要作用。

表2 主成份矩阵
因 子  主 分 量
  1  2  3  4
降雨侵蚀力  0.5626  -0.5767  -0.5921  -0.0167
地形起伏度  0.5860  0.7832  -0.2051  -0.0354
土壤可蚀性  0.4749  -0.2052  0.6662  -0.5373
植被覆盖  0.3386  -0.1094  0.4044  0.8425

表3 主成份贡献率
主分量  1  2  3  4
贡献率  85.54  8.07  4.23  2.16
累计贡献率  85.54  93.61  97.84  100

图1 主分量合成影像
利用GIS系统，将上述各单因子专题图在ERDAS软件支持下进行加权叠加计算获得土壤侵蚀敏感性指数数字模型（图2 ），公式如下：


式中，Sj为j空间单元土壤侵蚀敏感性指数，Wi 为i因素的权重，Cij为i因素j空间单元敏感性等级值。因子权重由第一主成份特征向量归一化值作为权重的估计值，降雨侵蚀力、地形起伏度、土壤可蚀性和植被覆盖的权重值分别为0.2867、0.2987、0.2420、0.1726。由图2 中，亮度越高表示敏感性越高。四川盆地丘陵区及边缘山地和西南山地属高度敏感区域，龙门山、邛崃山和岷山一带属中度至高度敏感区域。

图2 长江上游土壤侵蚀敏感性指数图

3．  长江上游土壤侵蚀近期变化
长江上游侵蚀变化可以宏观的从主要干支流的泥沙变化反映出来，文献[1]对此进行了分析。
长江上游流域面积100.6×104km2（宜昌站），年均径流量4.35×1011m3，年均输沙量5.17×108t。嘉陵江和金沙江流域面积分别为15.6×104km2和48.5×104km2，占长江上游总面积的15.5%和48.2%。嘉陵江（北碚站）年均径流量7.01×1010m3，年均输沙量1.4×108t，分别占宜昌站的16.0%和26.6%。金沙江（屏山站）年均径流量1.52×1011m3，年均输沙量2.56×108t，分别占宜昌站的34.7%和48.8%。
北碚站的年输沙量变动于0.1亿t（1996）和3.6亿t（1981）之间，年均输沙量1.28亿t。北碚站的年径流、输沙量双累积曲线（1954－1996）在1984年前后发生了明显的偏转，1984年后的曲线明显向径流轴方向偏转，表明河流泥沙出现了减少的趋势（图3）。
屏山站的年输沙量变动于1.26亿t（1975）和5.01亿t（1974）之间，年均输沙量2.４５亿t。张平对1987年前金沙江流域的水文资料进行了分析，发现80年代以来金沙江干支流的沙量均有增加的现象，主要集中于下游干流区间 [2]。潘久根分析屏山站1954－1992年的水文资料后，认为1982年以后双累积曲线有较明显的向输沙量方向的偏转，河流泥沙呈增加的趋势，并认为人类活动是造成河流泥沙增加的主要原因[3]。




图3 北碚水文站累计径流量和累计输沙量变化  图4 屏山水文站累计径流量和累计输沙量变化

4．  长江上游土壤侵蚀变化原因
长江上游土壤侵蚀变化和人类活动造成的流域下垫面环境变化有关。
4.1 植被变化与水土保持
长江上游的自然植被近现代时期均遭到不同程度的严重破坏，嘉陵江流域开发早，人口密度大，土地垦殖率高，森林覆盖率低；70年代末，川中丘陵大部分县的森林覆盖率仅3—5%；金沙江流域，现除上游仍保存有较大面积的天然林外，其余地区天然林基本破坏殆尽。80年代以来，由于农村政策的调整，先进农业技术的推广应用和经济状态的改善，使得制约植被恢复的薪材问题基本解决，加之全民水保意识增强，大部分地区植被明显恢复，森林覆盖率有所提高。如川中丘陵区的四川乐至县，森林覆盖率由70年代末的4.3%提高到16.6%。植被的恢复对侵蚀有了明显的控制作用。
嘉陵江流域大部分地区气候湿润，森林植被恢复较快，侵蚀控制作用明显。川中丘陵区丘陵起伏不大，河流泥沙主要来源于坡面侵蚀，植被恢复减少坡面侵蚀拦截泥沙的作用显著。金沙江上游天然林区是寝室强度较弱的地区，攀枝花以上流域面积28.5万km2 ,占屏山站的58.7 %，年均输沙量42.7百万吨，占屏山站的16.7 %。金沙江下游山高坡陡，沟谷深切，属干热河谷气候，森林植被恢复难度较大，滑坡泥石流活动剧烈，是金沙江的主要产沙区，河流泥沙主要来源于沟谷侵蚀。
1989年以来，上游地区开展了以“长治”工程为主的大规模水土流失治理。“长治”工程的小流域治理措施配置，对于坡面侵蚀的控制效果显著。嘉陵江北碚站和上游武胜站、涪江小河坝站、渠江罗渡溪站之间的嘉干区间，面积9733km2，区间内各县大都为“长治”工程实施区。该区间90年代年均输沙量减少87.4%，减少幅度高于嘉陵江北碚站的65.8%。
4.2工程建设引起的侵蚀
随着国民经济的发展，上游地区修建了大量的交通、矿山、水利、城镇等基本建设工程，这些工程对河流泥沙的影响主要是：（1）工程弃土直接增沙。工程弃土或直接倒入江河，或堆置于坡地，暴雨时泻入江河。（2）工程建设破坏植被。工程建设破坏原有植被，大部分工程边坡（如公路边坡）多为裸坡，产沙量大。（3）工程建设破坏坡体稳定，工程建设开挖坡脚，坡体加荷，生产生活用水渗入坡体，常常引起坡体失稳，诱发滑坡、崩塌、泥石流的发生。（4）河（沟）道工程增大泥沙输移比。河（沟）道工程减少了泥沙在冲洪积扇上和河流滩地上的沉积，增大泥沙输移比。
金沙江流域山高坡陡，沿河工程多，工程建设剥离土石方量远大于嘉陵江流域。路面宽度6m的低等级公路，金沙江下游区平均每公里剥离土石方量约1万方（弃流比0.2—0.4），川中丘陵区约2000方（弃流比0.1 左右）。金沙江流域“长治”工程四川9个重点治理县每年修建各种等级公路约300km，以每公里弃土1万方计，年弃土量300万方或540万吨（容重取1.8t/m3），加上其他工程建设弃土量，年总弃土量不下1000万吨，远大于“长治”工程1996年度的减蚀量（606.8万吨）。粗略估计，金沙江流域每年工程建设弃土新增土壤侵蚀1.5亿吨。
4.3 泥石流滑坡活动
金沙江下游是长江流域构造活动强烈、地形起伏大、人类活动集中的地区，泥石流、滑坡非常发育，仅小江2700多平方公里的范围内就分布有泥石流沟140多条；正在建设的向家坝和溪落渡库区就有泥石流沟180余条；三峡库区的泥石流有270多条，滑坡200多处。泥石流和滑坡是山地侵蚀最为严重的表现形式，具有极强的输沙能力，每年雨季将大量泥沙输送入长江。例如，位于金沙江流域下游小江流域的蒋家沟，流域面积仅48km2，据中国科学院东川泥石流研究观测站的观测资料，该沟每年向小江输送泥沙200~300多万m3，最大一年达600多万m3。由此可见，泥石流沟谷的侵蚀模数是一般沟谷侵蚀模数的数倍到数十倍（图5，6）。在近几年的长江上游的生态建设、长防工程以及各种水土保持治理措施，对坡面水土流失起到了很好的控制效果，但是对于控制沟谷和斜坡上强烈的重力侵蚀和滑坡、泥石流活动作用不大，因此，金沙江下游的侵蚀和泥沙依然非常强烈，没有得到根本性的控制。
  

图5 泥石流源地的侵蚀特征  图6 泥石流的高强度输沙特征

5．  长江上游水土保持存在问题与对策建议

根据上述的分析，笔者提出了长江上游土壤侵蚀控制的建议和对策如下：
（1）  继续加强生态恢复和水土保持工作，有效控制坡面侵蚀；
（2）  处理好工程建设和土壤侵蚀的关系，切实做好重大工程建设的水土保持，进行环境友好的工程建设反馈设计，的将工程建设对环境的影响降低到最小程度；
（3）  重视金沙江下游的重力侵蚀和沟谷侵蚀控制，进行泥石流、滑坡的治理，采用拦沙坝和拦沙林相结合的形式加强支沟内的重力侵蚀和泥沙的输移。“长治”、“长防”、“生态建设”等工程应加强沟底林的建设，采用生物措施，固定沟床，稳定谷坡。沟底林造价低廉，宜于营造，又有经济效益，适合大面积推广；
（4）  加强预防监督，严禁滥砍滥伐、毁林开荒，保护现有植被。水土流失区特别是金沙江下游河谷区和白龙江中下游河谷区等重点产沙区，要控制牲畜放牧，禁绝山羊，以利植被恢复。加强预防监督工作，减少工程建设造成新的水土流失和增加河流泥沙；
（5）  加强长江上游土壤侵蚀科学研究。长江上游侵蚀环境复杂，类型多样，人类活动影响强烈，但该区侵蚀研究极为薄弱。建议立项开展该区土壤侵蚀的系统研究，进一步加强水土保持的试验示范。查明侵蚀产沙规律，预测流域侵蚀与河流泥沙变化趋势，为水土保持、生态建设、防洪、水利、水电等重大工程项目的决策和规划提供科学依据。

参考文献
[1] 张信宝，文安邦. 长江上游干流和支流河流泥沙近期变化及其原因[J]. 水利学报，2002（4）：56~59.
[2] 张平. 金山江河流泥沙特性分析[C]. 三峡水库来沙来水条件研究论文集（水利部长江水利委员会水文测验研究所），武汉：湖北科学出版社，1992：8-14.
[3] 潘久根. 金沙江流域的河流泥沙输移特征[J]. 泥沙研究，1999（2）：46-49.