張光輝

(1. 北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875；2. 北京師范大學地理科學學部,北京 100875)

連通性是個相對古老的概念,早在20世紀30年代,就出現(xiàn)在數(shù)學領域,40年代末應用于物理學。對于地球科學,50年代開始在氣象學中使用,60年代應用于土壤學。70年代以后,連通性在地質學、地貌學等研究中得到廣泛應用。21世紀以來,水文連通性成為水文學的研究熱點,而在過去10年,泥沙連通性則成為土壤侵蝕研究前沿[1]。泥沙連通性重點關注流域泥沙源匯級聯(lián)關系,是診斷與量化泥沙輸移路徑及其時空變化、探究泥沙來源熱點、識別水土保持重點區(qū)域的基礎,與地貌演變、景觀生態(tài)、土地利用結構、水文過程、土壤侵蝕、水質演變及水資源管理等密切相關,因此,研究泥沙連通性具有重要的理論意義和應用價值。

泥沙連通性是土壤侵蝕研究的新議題,國際上的相關研究呈快速上升態(tài)勢,然而,在中國尚處于起步階段。隨著數(shù)字高程模型(DEM)精度的不斷提升、圖像處理技術的快速進步以及計算能力的顯著提高,泥沙連通性必將或即將成為國內土壤侵蝕研究的重點和熱點。

本文在簡單梳理泥沙連通性基本概念、物理涵義的基礎上,系統(tǒng)分析影響泥沙連通性的主要因素,比較研究泥沙連通性的方法體系,提出近期泥沙連通性需要加強研究的主要內容,旨在提升對泥沙連通性的理解與認知,促進泥沙連通性研究進程。

1 連通性基本概念

連通性是指系統(tǒng)內物質、能量和有機物遷移與傳遞難易程度,起源于數(shù)學,目前廣泛應用于地貌、生態(tài)、水文、土壤侵蝕、泥沙沉積、水質演變、水資源管理、濕地保護和生物多樣性等不同時空尺度的研究[2]。連通性可以表征復雜異質系統(tǒng)的物質傳遞過程,從結構與功能角度可以劃分為結構連通性(也稱靜態(tài)連通性)和功能連通性(也稱動態(tài)連通性)[3];從研究對象可以區(qū)分為景觀連通性、水文連通性和泥沙連通性[4]。景觀連通性與結構連通性等價,具有相同的物理含義,表達了不同地貌或景觀單元間的物理級聯(lián)。水文連通性是指物質、能量、有機物以水為介質,在水循環(huán)各要素間的相互轉移[5],是理解流域水循環(huán)各要素及不同過程時空變化的基礎。泥沙連通性是指流域不同地貌或景觀單元間的泥沙級聯(lián)關系[6],其物理內涵為流域內不同源匯間侵蝕泥沙的關聯(lián)度,表征了侵蝕泥沙被輸移出流域的難易程度,取決于地貌或景觀單元的空間分布與格局,也受控于氣候、地貌、流域特征、生態(tài)、水文、土壤侵蝕等地表過程及其時空變異。功能連通性刻畫了具有一定結構連通性的系統(tǒng)內地表過程之間(徑流、泥沙、污染物等)的相互作用,是量化水文連通性和泥沙連通性的關鍵指標。結構連通性顯著影響功能連通性,而功能連通性又會改變結構連通性。

依據(jù)空間方向,可以將連通性分為橫向連通性、縱向連通性和垂向連通性。橫向是指與流域地表徑流流動和泥沙輸移的主體方向垂直;在坡面尺度上,細溝間徑流和泥沙向鄰近細溝內運動、切溝邊壁上的徑流和泥沙向切溝內匯聚,都屬于典型的橫向連通性問題。縱向是指與流域地表徑流流動和泥沙輸移的主體方向一致;在小流域尺度上,徑流和泥沙沿著細溝向淺溝、切溝,從上坡向下坡、從坡面向溝坡及溝道、從上游向下游的運動和輸移過程,都是典型的縱向連通性問題。垂向是指與地表垂直向下;降水入滲過程、土壤水分再分布與滲漏過程及溶質與污染物的淋溶過程,均是代表性的垂向連通性問題。傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究,更多涉及橫向和縱向連通性,但在研究土壤水分、產(chǎn)流機制、污染物遷移等問題時,則更多關注垂向連通性。泥沙連通性具有典型的空間依賴性,隨著研究尺度的變化,關注的連通性可能會發(fā)生轉變,如在具有典型二元結構的西南喀斯特地區(qū),在坡面和小流域尺度上,垂向連通性顯著影響坡面產(chǎn)流、匯流以及土壤侵蝕,在研究過程中需要格外關注[7]。但隨著研究區(qū)域空間尺度的進一步擴大,則縱向連通性就變成研究的主題。

連通性,無論是橫向、縱向,還是垂向,不管是結構連通性,還是功能連通性,都具有強烈的時間變化特征,如次降雨、日降雨、降水的季節(jié)變化、年際變化及多年變化等都會引起連通性的響應,因此,從本質上講泥沙連通性是個典型的四維問題,即橫向、縱向、垂向和時間。泥沙連通性是評價景觀敏感性的關鍵因素,具有典型的尺度依賴性,是流域景觀演變的重要驅動力[6]。泥沙連通性是氣候、地形、土壤、生態(tài)、水文等眾多影響因素自組織的結果,在一定的時間尺度上具有靜態(tài)特征,但隨著時間尺度的延長,又具有明顯的動態(tài)變化特性,因而可用階段和通量表征泥沙連通性[1]。

2 影響泥沙連通性的因素

泥沙連通性受氣候、地質地貌、流域特征、地形、土壤、植被、水文、水力以及人類活動等眾多因素的綜合影響,很多因素之間又具有明顯的交互作用,如氣候會影響土壤性質、水文過程、徑流水力特性、植被生長以及土壤侵蝕。同時有些交互作用又具有明顯的區(qū)域分異或地帶性,如在干旱與半干旱區(qū),降水是影響植物類型、群落結構、空間格局和生長狀況的限制性因子,降水特性的時空變化必然會影響植被的生長狀況。眾多影響因素的交互作用及其時空變化,必然導致泥沙連通性具有強烈的時空變異特征,增加了泥沙連通性研究的復雜性和不確定性。

2.1 氣候

在高海拔或高緯度地區(qū),溫度的日變化和季節(jié)變化,顯著影響該區(qū)水文、侵蝕過程和泥沙連通性。在水力侵蝕區(qū),降雨量、降雨強度、降雨歷時、降雨面積等是影響泥沙連通性的重要因素[8]。徑流是泥沙輸移的載體,降水特性對水文過程的影響,會直接引起泥沙連通性的響應。同時降水特性會直接通過雨滴擊濺及徑流輸沙影響土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積過程[9],從而影響泥沙連通性。細溝間侵蝕是降雨強度的函數(shù),細溝侵蝕和切溝侵蝕是徑流水動力學特性的函數(shù),而徑流水動力學特性又受控于降雨特性,因而流域內侵蝕類型的空間分布直接受降水特性影響。無論是氣候對徑流的影響,還是對土壤侵蝕的影響,都會引起泥沙連通性發(fā)生相應的變化。對于次降雨,在降雨產(chǎn)流初期,坡面泥沙連通性迅速增大,隨著降雨的持續(xù),土壤入滲趨于穩(wěn)定,徑流達到相對穩(wěn)定階段,泥沙連通性也達到了暫時性的穩(wěn)定狀態(tài)。當坡面產(chǎn)生細溝后,泥沙連通性顯著增大[10]。暴雨,特別是極端降水是影響流域泥沙連通性的重要因素,在暴雨條件下水文連通性很強,各種侵蝕類型都會強烈發(fā)育,產(chǎn)生大量泥沙,被徑流直接輸移出流域,因而泥沙連通性顯著增強[11]。氣候的年際波動顯著影響泥沙連通性,特別在干旱和半干旱區(qū)更是如此,枯水年植被稀疏、徑流偏少、侵蝕不發(fā)育,雖然流域結構連通性因植被稀疏而有所增大,但功能連通性因徑流偏少而明顯下降;而在豐水年植被生長旺盛、徑流偏多、侵蝕發(fā)育,則功能連通性明顯增加。在長時間尺度上,氣候變化是影響泥沙連通性的重要因素,降水的趨勢性減少,勢必會引起泥沙連通性降低,而降水的趨勢性增大,特別是暴雨頻率增加,必然會導致泥沙連通性增強。

2.2 地質地貌

巖性是影響土壤性質的重要因素,土壤水文是影響流域產(chǎn)匯流的關鍵因素,而土壤侵蝕直接受控于土壤屬性,因此,巖性是影響流域泥沙連通性的重要因素。地質構造、地質運動與泥沙連通性密切相關,地質構造決定了地下水水位、儲量大小以及運動方向和強度,這些特征都是影響關鍵帶垂向連通性的關鍵因素。地質運動是導致地震的直接動力,而地震又是誘發(fā)滑坡、崩塌等重力侵蝕的重要因素?；潞捅浪陌l(fā)生,導致大量松散泥沙在道路、洼地和溝道堆積,可能會增強或降低泥沙連通性?；鹕絿姲l(fā)對泥沙連通性的影響與地震類似[12]。地貌特征顯著影響泥沙連通性[13],根據(jù)土壤侵蝕空間分布和侵蝕泥沙來源,一般可將流域劃分為上游侵蝕區(qū)、中游泥沙輸移區(qū)和下游泥沙沉積區(qū),泥沙連通性呈強、中、弱的空間分布格局;對于水沙異源的黃河流域,地形破碎的黃土高原泥沙連通性最強,特別是中游的黃土丘陵溝壑區(qū)更是如此,導致黃河中游成為典型的泥沙源,而下游則為典型的泥沙匯。

2.3 流域特征與地形

流域面積、形狀、溝壑密度及溝道比降等流域特征,顯著影響泥沙連通性。一般而言流域面積越大,泥沙連通性影響因素的時空異質性越強,泥沙連通性越低。在黃土丘陵溝壑區(qū)小流域尺度上,多年平均泥沙輸移比為1,隨著流域面積增大,泥沙輸移比下降[14],充分說明隨著流域面積增大,泥沙連通性呈下降態(tài)勢。流域形狀是影響流域匯流的核心因素,流域形狀系數(shù)越大,表明流域形心距離流域出口越近,匯流歷時越短,泥沙連通性越強。溝道是連接上下游的樞紐,也是徑流運動和泥沙輸移的通道,溝壑密度越大則泥沙連通性越強。同時溝道等級和溝道比降等也直接影響泥沙連通性,隨著溝道等級升高和溝道比降下降,泥沙連通性降低[15]。

隨著高程增加,輸入大氣的能量減小,導致與土壤侵蝕密切相關的氣候、土壤、植被、水文等過程發(fā)生變化,土壤侵蝕類型出現(xiàn)典型的垂直分帶性,泥沙連通性必然出現(xiàn)響應。隨著坡度增大徑流流速和能量增大,徑流分離土壤[16]和輸移泥沙[17]的能力增強,泥沙連通性增大。坡向會直接影響太陽輻射,改變降水和氣溫,影響土壤水分、土壤蒸發(fā)和植被生長等過程,進而影響土壤侵蝕和泥沙連通性。坡型會影響坡面徑流的匯聚或分散狀況,凹型坡面徑流容易匯聚,凸型坡面徑流趨于分散,因此,坡型通過影響徑流流路和匯聚程度,改變泥沙連通性。洼地容易產(chǎn)生徑流聚集,是切溝溝頭形成的高風險區(qū),一旦形成溝頭,切溝會迅速發(fā)育,快速增大泥沙連通性。地表糙率是影響坡面產(chǎn)流、匯流和侵蝕的重要因素。在坡面尺度,隨機糙率及其時空變化[18]是影響泥沙連通性的主要因素;在溝道系統(tǒng)內,溝道土壤或泥沙顆粒組成以及溝道網(wǎng)絡結構,直接影響徑流阻力和挾沙力[19],進而影響泥沙連通性。

2.4 土壤屬性

土壤屬性是影響降水入滲、坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕的關鍵參數(shù),因此直接影響泥沙連通性[20]。土壤類型與質地決定了土壤孔隙的大小、多少和連通狀況,是影響土壤入滲性能的根本因素。在超滲產(chǎn)流地區(qū),土壤入滲越快,同樣降雨條件下產(chǎn)生的地表徑流越少,水文連通性越差,則泥沙連通性越低。在蓄滿產(chǎn)流地區(qū),土壤厚度是影響產(chǎn)流的重要因素,土壤厚度越大則土壤儲水功能越強,地表徑流越少,泥沙連通性越低。土體構型也是影響泥沙連通性的重要因素,當土壤中存在相對不透水層時,容易形成壤中流,一方面會改變徑流組分,另一方面壤中流在坡面下部的出露會增大溝蝕發(fā)育風險,從而影響泥沙連通性。土壤性質的空間異質性,會影響徑流的空間分布,進而影響水文連通性,改變泥沙連通性[21]。降雨過程中土壤物理結皮的形成和發(fā)育,對坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程具有顯著影響,土壤入滲顯著下降,土壤抗蝕性能增強。而土壤物理結皮的發(fā)育,與土壤黏粒含量密切相關,當黏粒含量接近20%時,土壤最易形成物理結皮,影響泥沙連通性。土壤水分及其時空變化,是影響泥沙連通性的重要因素,無論是超滲產(chǎn)流還是蓄滿產(chǎn)流,前期土壤水分越大則越容易產(chǎn)流,從而增大泥沙連通性。土壤屬性是影響土壤抗蝕性能的核心因素,土壤侵蝕就是侵蝕動力與土壤抗蝕性能相互作用的結果,土壤機械組成、有機質含量、團聚體含量及其穩(wěn)定性,都與土壤分離過程密切相關[22]。土壤抗蝕性能越強,則同樣降雨條件下產(chǎn)生的泥沙越少,泥沙連通性越低。

2.5 植被特征

植被對泥沙連通性的影響涉及到水文過程和侵蝕過程2個方面。植被具有強大的生態(tài)水文功能,冠層截留、枯落物蓄水、根系改善土壤結構提升土壤入滲性能以及地表糙率增大延阻徑流流動[23- 24]、增加地表徑流入滲,都會導致坡面水文連通性和侵蝕動力下降。植被冠層消減降雨動能、枯落物覆蓋地表以及根系系統(tǒng)固結土壤,會顯著強化土壤抗蝕性能[25],抑制土壤分離過程和泥沙輸移過程[26],降低泥沙連通性。植被斑塊的空間結構,特別是干旱與半干旱區(qū)植被灌叢化分布,會增大侵蝕泥沙源匯空間異質性,降低泥沙連通性[27]。植被也會影響垂向連通性,植被根系的生長發(fā)育,特別是直徑較粗、分布較深的直根系,會擠壓和穿插土壤,導致土體產(chǎn)生大量裂隙,根系死亡分解后會殘留許多孔洞,這些裂隙和孔洞為優(yōu)先流發(fā)育創(chuàng)造了便利條件,促進水分和溶質以及污染物垂向運動,顯著提升垂向連通性[28]。植被對泥沙連通性的影響,與植物類型、群落結構、演替階段、空間格局以及生長狀況密切相關,群落結構越復雜、生長越茂密,則抑制泥沙連通性的功能越強大[29]。

2.6 水文與水力特性

產(chǎn)流方式主要包括超滲和蓄滿兩大類,不同的產(chǎn)流方式?jīng)Q定了同等降雨條件下徑流組分(地表徑流、壤中流和地下徑流)的差異,而不同組分徑流的流路截然不同,匯流歷時差異懸殊,地表徑流所占比例越大,徑流匯流越迅速,泥沙連通性越強。產(chǎn)流方式主要取決于土體構型以及凍融過程,土壤厚度和解凍深度是關鍵。徑流的水動力學特性主要受控于流量和坡度以及下墊面狀況,流量越大、坡度越陡,徑流分離土壤和輸移泥沙的能力就越大[16- 17],則泥沙連通性越強。輸沙對徑流水動力學特性具有顯著的反饋效應,隨著輸沙率增大,徑流紊動性降低、阻力增大、流速下降[30],導致泥沙連通性降低。無論是流域水文特征還是徑流水動力學特性,都與暴雨密切相關,洪水會顯著提升流域泥沙連通性,而在枯水季泥沙連通性主要受控于河川基流,明顯偏小[31]。

2.7 人類活動

土地利用方式及其調整是影響泥沙連通性的關鍵因素。在很多條件下,土地利用方式及其結構是影響土壤侵蝕的核心因素[21]。坡耕地是小流域侵蝕泥沙的主要策源地[22],坡耕地數(shù)量、空間分布以及距離道路、溝道和流域出口的遠近,會直接影響流域產(chǎn)沙過程以及泥沙連通性。農(nóng)事活動(耕作、播種、鋤草、施肥、收獲等)及其擾動強度是影響坡耕地土壤侵蝕的關鍵,隨著農(nóng)事活動頻次和擾動強度的增大,坡耕地土壤侵蝕加劇[32],增大流域侵蝕泥沙源,提高流域泥沙連通性。絕大部分的水土保持措施,都是以強化降水“就地入滲”和提升土壤抗蝕性能為基礎。降水入滲的增大,會降低徑流挾沙力[17],土壤抗蝕性能的提升,會降低土壤分離能力[33],結果必然是泥沙連通性下降。以梯田建設為主要措施的坡面治理工程,截短坡面長度、縮小集水區(qū)面積、降低集水區(qū)坡度,在設計暴雨以內導致水平梯田成為典型的泥沙匯,顯著降低流域泥沙連通性。隨著城市化或城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,大量農(nóng)村人口向城市或城鎮(zhèn)轉移,導致梯田棄耕現(xiàn)象普遍存在。由于缺少必要的日常維護,可能會產(chǎn)生大量徑流橫向匯集,沖毀梯田邊埂,顯著增大泥沙連通性[34]。退耕是典型的區(qū)域水土保持措施,隨著退耕的有效實施,坡耕地面積逐漸下降,坡面侵蝕泥沙顯著降低,同時受道路網(wǎng)絡與溝道級聯(lián)降低的綜合影響,流域泥沙連通性明顯降低[35]。與枯落物覆蓋類似,地表覆蓋(如秸稈還田、綠肥還田等)會顯著改變坡面水文與侵蝕過程,降低泥沙連通性。森林管理是維持森林生產(chǎn)力的有效手段,間伐引起森林郁閉度、植株密度以及近地表特性改變,會明顯增大流域泥沙連通性[36]。溝道治理工程(如谷坊、淤地壩)會阻礙或截斷徑流流路,降低溝道比降,引起徑流挾沙力下降,導致大量泥沙沉積,使得局部溝道變?yōu)槟嗌硡R,顯著降低流域泥沙連通性[15，37]。對于地勢比較平坦、以耕地為主的農(nóng)業(yè)流域,排水系統(tǒng)建設會導致橫向連通性下降、縱向連通性增強,而排水系統(tǒng)報廢則會顯著增大流域橫向連通性,加速土壤侵蝕與養(yǎng)分流失[34]。當然人類活動對泥沙連通性的影響,具有一定的時效性,如魚鱗坑對泥沙連通性的影響,隨著魚鱗坑被泥沙的逐漸填滿而緩慢降低。同時植被恢復等措施對泥沙連通性的影響具有一定的滯后性,只有當植被有效覆蓋地表、植物群落近地表特性發(fā)生明顯變化后,才會顯著影響泥沙連通性。

2.8 土壤侵蝕

土壤侵蝕與泥沙連通性相互影響,關系較為復雜。土壤侵蝕類型、強度及其時空分布與變化都會影響泥沙連通性。細溝形成及其網(wǎng)絡結構的發(fā)育,會顯著提升坡面泥沙連通性。切溝是連接坡面和溝坡的樞紐,是徑流運動和泥沙輸移的便捷通道,切溝的形成和發(fā)育,會徹底改變?yōu)R蝕導致的地表糙率下降以及細溝發(fā)育引起的坡面泥沙輸移通道貫通等過程對泥沙連通性的影響。切溝發(fā)育及其空間分布,會增大流域泥沙連通性。重力侵蝕的發(fā)生,會產(chǎn)生大量的侵蝕泥沙,為徑流輸移泥沙提供便利的泥沙源,但當其規(guī)模很大時,可能會阻塞溝道,降低流域泥沙連通性,只有在大暴雨或后續(xù)降水條件下才可能被徑流輸移,輸出流域出口。

3 泥沙連通性研究方法

3.1 野外調查法

野外調查法是對流域內影響泥沙連通性的地貌特征、植被斑塊類型和數(shù)量等進行系統(tǒng)調查和制圖,標識抑制或提升泥沙連通性的地貌單元、植被斑塊、道路網(wǎng)絡等要素的類型和空間分布,判斷流域泥沙源匯級聯(lián)[38]。地貌(或景觀)單元判讀可以根據(jù)流域具體情況確定,大體包括洪積平原、沖積扇、臺地、山麓、落石錐、泥石流堆積扇、陷穴、谷坊、淤地壩、蓄水池、塘壩和水庫等[39]。為評估泥沙連通性,需要分析各個地貌單元與溝道的聯(lián)通關系,大體上可以分為6類:受緩沖帶阻擋坡面/支溝與主溝道無聯(lián)通,支溝到達緩沖帶時已消失且與主溝無聯(lián)通,支溝穿過緩沖帶與主溝道聯(lián)通,坡面/支溝與主溝直接聯(lián)通,受景觀單元影響坡面/支溝與主溝無聯(lián)通，受道路影響坡面/支溝與主溝無聯(lián)通[38]。通過野外調查、制圖和后期的圖形處理,即可確定與主溝道或流域出口聯(lián)通的流域面積。

在流域發(fā)生明顯的次降水或侵蝕事件后,可以在全流域,尤其是溝道系統(tǒng)直接調查土壤侵蝕、泥沙沉積以及溝道崩塌等情況,用于直接判斷或解釋不同地貌單元或泥沙源- 匯級聯(lián)關系[40]。野外調查法需要詳細的地形圖、遙感影像、航片和土地利用等資料,是定性研究泥沙連通性的常規(guī)方法。隨著表征泥沙連通性定量指標體系的不斷完善和發(fā)展,野外調查法得到的結果,主要用于評價、驗證或解釋定量指標計算的結果。

3.2 圖論法

圖論法是通過對比分析不同時期的DEM,直觀展示不同景觀單元間泥沙級聯(lián)的空間分布與動態(tài)變化,確定地形變化熱點區(qū)域[41],是研究結構連通性的常用方法。隨著測量方法和圖像處理技術的快速發(fā)展,圖論法在泥沙連通性的應用必將更為廣泛。針對不同的研究對象,可以選擇不同的定量指標進行表達,如基于可達性的什貝葉指數(shù)和潛在徑流指數(shù)等。

什貝葉指數(shù)(Ishi)是圖形上某一格點(i)與全部相連格點(j)最短距離(dij)的和。為了便于分析其時空變化,可以進行標準化處理:

(1)

式中:Shii為什貝葉指數(shù)標準化值;djk為格點j到其他格點k的最短距離。

什貝葉指數(shù)較高表明該結點可達性較弱,反之可達性較高。換言之,什貝葉指數(shù)較大則侵蝕泥沙不易到達流域出口,泥沙連通性較弱。

潛在徑流指數(shù)(F)是假定所有其他條件一致、給每個結點賦予一個單位體積的泥沙進行評估,體現(xiàn)了網(wǎng)絡結構對泥沙級聯(lián)的影響,可以展示泥沙運動受阻的空間位置。用通過結點i到達流域出口的流路數(shù)(Fijo)除以通過全部結點j到達流域出口的流路數(shù)(Fjo)表達:

(2)

潛在徑流指數(shù)表征了坡面產(chǎn)生徑流的潛力,間接反映了泥沙連通性。Fi越大則泥沙連通性越強,反之泥沙連通性越低。潛在徑流指數(shù)與什貝葉指數(shù)間具有一定的聯(lián)系,潛在徑流指數(shù)隨著什貝葉指數(shù)的增大呈線性函數(shù)增大,因而可以通過擬合潛在徑流指數(shù)與什貝葉指數(shù)間的線性關系,計算潛在徑流指數(shù)殘差(RF),反映泥沙連通性,該指數(shù)比較穩(wěn)定、更為合理[41]。RF接近0說明經(jīng)過該結點的泥沙可以全部輸移到下個結點,RF>0說明該結點具有較高的泥沙連通性,而RF<0則表明該結點的泥沙連通性較低。

在小區(qū)、坡面、切溝和細溝- 切溝系統(tǒng)等較小的空間尺度上,可以通過多期高精度DEM監(jiān)測,比較不同時期單元格高程變化,確定土壤侵蝕與泥沙沉積空間分布及侵蝕與泥沙沉積體積[8]:

(3)

式中:V為體積變化；AU為單元格面積；N為單元格數(shù)量；ΔZi為單元格高程變化。V<0說明單元格為侵蝕區(qū),V>0則說明單元格為沉積區(qū)。如進一步確定侵蝕泥沙量,則需要土壤容重等參數(shù)的實測值,體積乘容重即為侵蝕量或泥沙沉積量。

3.3 指標法

泥沙連通性定量表征指標與研究的時空尺度密切相關。常用的泥沙連通性指標有:

(1) 徑流流路長度(或匯流路徑長度、徑流長度)。表征水文連通性的經(jīng)典指標,可在一定程度上反映泥沙連通性。計算時將裸地視為徑流和泥沙源,而將洼地和植被覆蓋斑塊作為徑流和泥沙匯,基于高精度DEM確定徑流流路,計算徑流流路長度。徑流流路越長說明該點到達溝道或流域出口越遠,則泥沙連通性越弱,反之則泥沙連通性越強[42]。

(2) 有效流域面積。該參數(shù)以坡度為基礎,判斷流域內與溝道或流域出口連通的流域面積。該參數(shù)的基本假定是土壤侵蝕是坡度的函數(shù),當坡度大于某一閾值后,土壤侵蝕必然發(fā)生,而侵蝕產(chǎn)生的泥沙可能會被輸移出流域出口。計算時采用高精度DEM,確定每個單元格的坡度,利用選定的坡度閾值,計算與溝道或流域出口連通的流域面積。使用該方法時,選擇合理的坡度閾值非常重要,一般而言流域地形越陡,則坡度閾值越大[39]。

(3) 相對地表連通函數(shù)(RA)。表征水文連通性的指標,可以間接反映泥沙連通性。該指標以簡化的水文過程為基礎,忽略徑流運動速度、匯流時間以及降水入滲等對徑流的影響,將產(chǎn)流過程簡化為簡單的填洼過程,則瞬時徑流系數(shù)(r)等于地表水文連通面積與總面積的比值[10],即

(4)

式中:i為入滲速率；p為降雨強度；f為函數(shù)；P為降雨量；I為累積入滲量。

(4) 地形濕潤指數(shù)(ITW)。表征局地土壤水分大小以及可能形成地表徑流的潛力,直接反映流域水文連通性,可間接量化泥沙連通性:

(5)

式中:SCA為單元格集水區(qū)面積除以單元格長度；β為單元格坡度。線性級聯(lián)的高ITW單元格通常是地表徑流的流路,具有較高的泥沙連通性。而獨立分布的高ITW單元格多為徑流匯,匯聚于此的徑流或消耗于蒸發(fā),或入滲變?yōu)橥寥浪?泥沙連通性較低[43]。

(5) 連通性指數(shù)(IC)。表征流域泥沙源- 匯間的潛在聯(lián)系[44],廣泛用于泥沙連通性研究,其表達式為

(6)

IC越大則連通性越強,IC越小則連通性越弱。其中Dup為集水區(qū)泥沙向下輸移的潛力:

(7)

(8)

式中:di為第i個單元格距泥沙匯的距離；Wi為綜合反映第i個單元格地表狀況和土地利用的加權系數(shù)；Si為第i個單元格的坡度。為了防止計算過程出現(xiàn)錯誤,當坡度小于0.005時,必須給坡度賦值0.005；當坡度大于1時必須賦值為1。加權系數(shù)W綜合考慮了下墊面情況對泥沙輸移的影響,可以采用通用土壤流失方程中不同土地利用條件下植被覆蓋因子C值、曼寧系數(shù)、隨機糙率或土壤水分、土壤儲水量和土壤比重進行賦值[40,44- 45]。從物理本質上講,IC表達了流域景觀單元的結構連通性,但經(jīng)過加權系數(shù)的調整,在一定程度上也反映了功能連通性。當采用隨機糙率(5×5個移動窗口高程的標準差)修訂加權系數(shù)W時,因隨機糙率和連通性指數(shù)之間呈負相關,應按下式進行標準化處理:

(9)

式中:RR為隨機糙率；RRmax為最大隨機糙率。

(6) 橫向連通性指數(shù)(ILHE)。表征泥沙橫向連通性[46],其算法為

ILHE=IC50NlgA

(10)

式中:IC50N為標準化的IC值中位數(shù),標準化處理的目的主要是為了防止出現(xiàn)負值,具體算法為

(11)

式中:IC50w為流域IC中位數(shù)；minIC50為流域最小IC中位數(shù)；maxIC50為流域最大IC中位數(shù)。IC50N變化在0～1之間,其值越大說明泥沙連通性越強。IC和ILHE的主要區(qū)別在于空間表達形式,IC用柵格表征,每個網(wǎng)格都有對應的IC值,空間格局受控于DEM分辨率;而ILHE以矢量表達,空間尺度主要受水文網(wǎng)絡影響[46]。

(7) 簡化的連通性指數(shù)(ISC)。當若干個(i=1,2,…,N)泥沙源同時連接同一泥沙匯時,如不同泥沙源的徑流流路長度和土壤流失量分別為di和SLi,將di和SLi用最大流路長度dmax和流失量SLmax標準化,則ISC為[47]

(12)

式中:土壤流失量SLi可以用通用土壤流失方程等模型計算。

(8) 基于泥沙移動性的泥沙連通性指數(shù)(ICSM)[48]。

ICSM=lgA(SM)

(13)

上文列舉的8個泥沙連通性定量表征指標,前4個屬于間接指標,無法直接計算泥沙連通性,只能作為泥沙連通性評價的輔助指標,分析泥沙連通性時空變化的潛在原因。連通性指數(shù)(IC)綜合考慮了單元格集水區(qū)面積、距離溝道或流域出口的距離、地表狀況或土地利用對泥沙輸移過程的影響,是目前國際上應用最為廣泛的量化泥沙連通性的指標。而橫向連通性指數(shù)(ILHE)是在連通性指數(shù)的基礎上發(fā)展起來的,必將隨著連通性指數(shù)的進一步流行而在更大范圍內使用。簡化的連通性指數(shù)(ISC)同時考慮了土壤流失量和徑流流路長度,從理論上而言具有一定的先進性,但通用土壤流失方程僅適合計算多年平均土壤流失量,當計算次降雨土壤流失量時誤差很大,而泥沙連通性的研究可能與次降雨、特別是次暴雨的關系更為緊密,從而會限制該指數(shù)在泥沙連通性中的應用?；谀嗌骋苿有缘哪嗌尺B通性指數(shù)(ICSM)將泥沙連通性概化為潛在泥沙和輸移泥沙兩部分,引入了土壤侵蝕過程概念,但潛在泥沙和輸移泥沙之間并不是簡單的乘積關系,主控因素也存在顯著差異,同時在計算各個指標時采用了很多概化參數(shù),確定的難度和誤差較大。因此在實際工作中,建議優(yōu)先使用IC和ILHE刻畫泥沙連通性。

3.4 模型模擬法

徑流曲線數(shù)模型是利用次降雨量、前期影響雨量、水文土壤組和土地利用方式,估算次降雨地表徑流量的經(jīng)典方法,可以評價小流域土壤類型、土壤水分、土地利用方式及水土保持措施對水文和泥沙連通性的影響[49]。

利用高質量、高分辨率的地形數(shù)據(jù),將流域劃分為山坡和溝道,坡面穩(wěn)定性可用坡面失穩(wěn)概率表示,它是降水強度、土壤性質、地形條件以及植被特性的函數(shù),也是土壤飽和度的函數(shù),利用基于地形濕潤指數(shù)(ITW)的SHALSTAB模型,可以模擬流域侵蝕泥沙源和匯,量化泥沙連通性[50]。利用LAPSUS模型評估植被斑塊或梯田建設對泥沙連通性的影響,具有一定的優(yōu)勢。Lesschen等[51]研究了西班牙東南部半干旱區(qū)小流域泥沙連通性,發(fā)現(xiàn)植被斑塊和梯田的空間分布是影響流域泥沙連通性的關鍵因素,當沒有梯田時流域徑流和泥沙分別增大了4倍和9倍。López- Vicente等[52]基于Revised Morgan,Morgan and Finney (RMMF)模型研究了不同土地利用情景對流域徑流和泥沙連通性的影響,發(fā)現(xiàn)灌溉渠道和梯田邊埂的連通性最強,隨著植被覆蓋增大和線狀建筑物(渠道、道路等)減少,流域水文和泥沙連通性顯著降低。隨著退耕驅動的植被恢復,不同土地利用類型下的土壤侵蝕模數(shù)逐漸降低,流域泥沙連通性持續(xù)下降。

雖然目前利用土壤侵蝕過程模型計算流域泥沙連通性的相關研究較少,但可以肯定的是只有使用分布式土壤侵蝕過程模型,才有可能較為準確地確定不同時空尺度下侵蝕泥沙的來源、輸移和沉積過程,進一步確定流域泥沙連通性。換言之,雖然目前國際上流行的次降雨土壤侵蝕過程模型,如LISEM、EUROSEM、WEPP、SWAT等尚存在著不少缺點,前3個模型比較系統(tǒng)地考慮了土壤侵蝕過程,但僅適用于小流域;SWAT模型可以在較大流域、甚至全球尺度上使用,但模型中土壤侵蝕的算法基于MUSLE,無法實現(xiàn)次降雨土壤流失準確模擬,因而無法準確確定泥沙連通性。但與其他方法相比,分布式土壤侵蝕過程模型具有量化泥沙連通性時空分異的巨大潛力,是泥沙連通性研究的發(fā)展趨勢,必將成為未來研究泥沙連通性的主要方法。

4 亟待加強的研究內容

在過去10多年里,泥沙連通性研究取得了長足的進展,為深刻理解地貌演變、地形變化、生態(tài)過程、水文過程、泥沙輸移、污染物遷移與水質保護奠定了堅實的基礎。然而,目前的研究尚不完善,在很多方面亟需加強研究,重點包括以下幾個方面:

4.1 泥沙連通性概念與物理含義

目前存在很多不同的泥沙連通性概念,但大部分概念都比較抽象,物理含義不明確,無法直接測量或計算。特別是結構連通性和功能連通性之間,存在著包容或因果關系,換言之,結構連通性是功能連通性的重要組成和影響因素,不應作為平行概念使用。橫向、縱向和垂向連通性間如何相互影響、相互轉化以及相應的時空尺度等,目前都不清楚,因此,亟需開展泥沙連通性概念、內涵、屬性、分類、指標體系等基礎性研究,建立更清晰、更科學、更具普適性、可以直接測定或度量的泥沙連通性概念,明確泥沙連通性物理內涵和科學含義。

4.2 影響因素及其動力機制

泥沙連通性受氣候氣象、地質地貌、流域特征、地形條件、土壤屬性、植被生長、水文過程、土壤侵蝕和人類社會活動等眾多因素的綜合影響,同時許多因子之間又存在著明顯的交互作用,究竟在特定的時間和空間尺度上,影響泥沙連通性的主控因素是哪些;各主控因素的相對貢獻是多少;各因子之間交互作用的貢獻又是多少;隨著時間尺度和空間尺度的變化,泥沙連通性主控因素又會如何變化;同時,各個影響因素是通過什么途徑、什么過程影響泥沙連通性,許多問題尚不明確?？傊?各影響因素影響泥沙連通性的動力機制需要深入系統(tǒng)地研究。

4.3 研究方法體系

本文將泥沙連通性的研究方法分為野外調查法、圖論法、指標法和模型模擬法4類,但不同方法的理論基礎、數(shù)據(jù)要求、計算流程與模擬結果存在較大差異。就目前的技術水平而言,野外調查法可以在不同大小的空間尺度上使用,但調查結果僅為定性成果,大體上可以反映流域泥沙源匯級聯(lián)關系,無法定量度量泥沙連通性。圖論法需要高精度DEM作為制圖基礎,雖然測量和數(shù)據(jù)處理技術有了飛速發(fā)展,但大面積高精度DEM的測量和數(shù)據(jù)處理仍然比較困難,耗時費力,成本很高。同時為了反映泥沙連通性的時間變化(如次降雨),需要頻繁監(jiān)測地形變化,工作量非常大,因此,就目前的技術水平而言,圖論法僅可以用于徑流小區(qū)、代表性坡面、淺溝或切溝泥沙連通性研究。雖然目前已經(jīng)構建了許多泥沙連通性指標,可以從不同角度定量刻畫泥沙連通性,但絕大部分指標僅能直接反映水文連通性,無法直接表征泥沙連通性。全球應用最為廣泛的連通性指數(shù)(IC),仍直接與結構連通性相關,雖然可以通過土地利用類型、下墊面阻力或隨機糙率等對IC進行修訂,但仍然無法擺脫其直接反映結構連通性的物理本質。同時在計算IC指數(shù)時,需要高精度地形數(shù)據(jù),因而在很大程度上也限制了該指標在區(qū)域尺度的使用。目前使用的泥沙連通性指標,沒有一個具有廣泛的通用性,換言之,沒有任何一個指標可以在所有環(huán)境條件下使用。模型模擬法的計算結果與所采用的模型類型、模型結構、時空尺度密切相關。對于小流域次降雨而言,次降雨分布式土壤侵蝕過程模型,可能是研究泥沙連通性的有效工具,如在GIS系統(tǒng)下運行的LISEM模型;而在流域和區(qū)域尺度上,分布式SWAT模型可能是量化泥沙連通性的有效工具。無論是LISEM模型,還是SWAT模型,都需要大量輸入?yún)?shù),同時SWAT模型以水文響應單元為計算網(wǎng)格,可能會出現(xiàn)計算泥沙連通性單元與水文響應單元不匹配的現(xiàn)象。因此,需要加強泥沙連通性不同方法的比較研究,建立不同時空尺度下有效的研究方法和指標體系及計算流程;發(fā)展泥沙連通性(特別是功能連通性)指標體系,重點考慮泥沙連通性與地貌過程、侵蝕營力類型、土壤屬性、植被格局、水文過程、泥沙特性間的物理關聯(lián);研發(fā)不同時空尺度條件下泥沙連通性估算模型,明確不同模型有效的時空尺度與應用范圍。

4.4 水文連通性與泥沙連通性的關系

水文連通性和泥沙連通性之間緊密相關,又具有明顯差異,水文連通性重點強調徑流的空間物理級聯(lián),而泥沙連通性關注的核心是泥沙在空間上的物理聯(lián)系。在大部分情況下,徑流是泥沙輸移的載體,而徑流輸移泥沙以挾沙力為上限,它是徑流水動力學特性(如流態(tài)、流量、坡度等)和泥沙特性(密度、顆粒大小等)的函數(shù)[17,19],隨著徑流挾沙力增大,徑流輸沙率增加,泥沙連通性增強,此時水文連通性和泥沙連通性間是確定性函數(shù)關系、呈顯著正相關。但這種關系的成立,需要足夠多的泥沙可被徑流輸移,換言之,土壤侵蝕過程為輸移控制,但當土壤侵蝕過程處于分離控制時[53],因沒有足夠的泥沙可供徑流輸移,此時盡管水文連通性很強,但泥沙連通性仍會很低。可用城市化作為典型的案例進行分析,城市化過程中大量下墊面被硬化、降雨時會產(chǎn)生大量地表徑流,同時因建立了完善的排水系統(tǒng),徑流匯聚非常迅速,水文連通性很強,但因下墊面被硬化,土壤侵蝕屬于典型的分離控制,侵蝕泥沙很少,所以泥沙連通性很弱,此時泥沙連通性并沒有隨著水文連通性的增大而增大。水文連通性和泥沙連通性間的關系具有時間依賴性,可用切溝發(fā)育過程加以簡單說明。處于發(fā)育活躍期的切溝,會同時增強水文連通性和泥沙連通性;處于穩(wěn)定發(fā)育初期的切溝,盡管水文連通性很強,但因切溝集水區(qū)面積下降,一般降雨條件下產(chǎn)生的徑流已不足以導致切溝的進一步發(fā)育,因而侵蝕泥沙很少,泥沙連通性必然很低[54]。隨著切溝的進一步穩(wěn)定,切溝底部及邊壁上植被緩慢恢復,水文連通性和泥沙連通性同步緩慢下降。當然在極端暴雨條件下,水文連通性和泥沙連通性又會有所增大。

4.5 泥沙連通性與土壤侵蝕的關系

泥沙連通性表征了流域內泥沙被徑流輸移的連通程度,必然會影響土壤侵蝕,在一定的時間尺度上,如細溝網(wǎng)絡的形成與發(fā)育、淺溝和切溝的形成及其在活躍期的快速發(fā)育,為坡面徑流匯聚和泥沙輸移提供了便捷通道,在提升泥沙連通性的同時,加劇土壤侵蝕。但無論是細溝網(wǎng)絡,還是切溝系統(tǒng),在一定的侵蝕環(huán)境條件下,都會達到穩(wěn)定階段,此時泥沙連通性趨于穩(wěn)定,流域土壤侵蝕也趨于穩(wěn)定。反過來土壤侵蝕類型、強度及其時空分布,勢必會影響泥沙連通性,強降雨導致的劇烈侵蝕,特別是溝蝕和重力侵蝕的強烈發(fā)育,勢必會影響泥沙連通性,影響的大小或方向與侵蝕量的大小密切相關,尤其是重力侵蝕對泥沙連通性的影響更是如此。小規(guī)模淺層滑坡、崩塌的發(fā)生,在改變徑流流路、提升水文連通性的同時,提供了大量的可被徑流輸移的泥沙,結果必然是泥沙連通性增大。但大規(guī)模滑坡的發(fā)生,會產(chǎn)生大量泥沙,堆積于坡面下部或溝道內,阻礙徑流流動,降低泥沙連通性。因土壤侵蝕的發(fā)生具有顯著的時空變異,導致泥沙連通性也會具有類似特征,重力侵蝕發(fā)生的隨機性,也必然引起泥沙連通性的隨機性。同時泥沙連通性和土壤侵蝕間的互饋效應,可能存在一定的滯后性,對于一場次降雨,降雨初期流域的泥沙連通性顯著影響土壤侵蝕過程,隨著侵蝕的持續(xù)發(fā)生,會導致泥沙連通性發(fā)生明顯變化,進而影響后續(xù)的土壤侵蝕。本次降雨導致的土壤侵蝕對下墊面條件、細溝—淺溝—切溝系統(tǒng)的改變,又改變了下次降雨初始階段流域的泥沙連通性,進一步影響土壤侵蝕時空分布。

4.6 泥沙連通性與泥沙輸移比的關系

泥沙輸移比是指流域某一斷面產(chǎn)沙量與斷面以上流域侵蝕量之比,受降雨特性、地質地貌、流域形狀、流域面積、土壤性質、植被格局、土地利用、溝壑密度、河網(wǎng)密度等多種因素的影響,具有典型的時空變異特征,可用徑流小區(qū)、單元小流域、模型模擬、核示蹤和泥沙平衡等方法估算,但因無法直接測定侵蝕量,因此準確計算泥沙輸移比仍存在較大難度[55]。從泥沙輸移比的概念、影響因素、確定方法等多個方面來看,泥沙輸移比和泥沙連通性間存在著密切的聯(lián)系,在其他條件相似的前提下,泥沙輸移比越大,自然泥沙連通性越強,反之亦然,也就是說泥沙輸移比和泥沙連通性間存在較強的正相關關系。但泥沙輸移比僅強調產(chǎn)沙量與侵蝕量的比值,是個集總式概念,并不關心流域內泥沙產(chǎn)生及其輸移過程的空間級聯(lián)關系,而泥沙連通性更多關注流域景觀單元及其時空變化對泥沙輸移路徑及其強度的影響,更強調不同地貌或景觀單元間泥沙的物理級聯(lián)關系,是個典型的分布式概念。因泥沙連通性和泥沙輸移比均可反應流域的泥沙輸出,因而在研究中可以相互借鑒、相互解釋、相互印證。

4.7 水土保持措施對泥沙連通性的影響與機制

水土保持是影響泥沙連通性的重要因素,無論是農(nóng)業(yè)措施、生物措施,還是工程措施,都會通過侵蝕動力和土壤抗蝕性能2個方面影響泥沙連通性,但不同水土保持措施影響泥沙連通性的程度與機制存在明顯差異,因此,需要加強典型水土保持措施影響泥沙連通性物理機制的對比研究,分析水土保持措施影響泥沙連通性的時空差異,確定水土保持措施失效導致泥沙連通性陡增的閾值,如暴雨引起梯田邊埂崩塌、道路排水渠系破壞、谷坊與淤地壩損壞等。在氣候變化導致極端降水事件頻發(fā)以及生態(tài)環(huán)境建設工程有效實施的大背景下,開展相關研究具有重要的理論和實踐意義。

5 結 語

泥沙連通性是近年來國際上土壤侵蝕領域的研究熱點,本文從土壤侵蝕角度系統(tǒng)闡述了影響泥沙連通性的因素及其機制,影響泥沙連通性的主要因素包括氣候氣象、地質地貌、流域特征、土壤屬性、植被格局、水文過程、土壤侵蝕及人類社會活動等,眾多影響因素的時空變異及其交互作用導致泥沙連通性研究比較復雜,不同影響因素及其交互作用的影響機制需進一步明確。研究泥沙連通性的方法可分為調查制圖法、圖論法、指標法和模型模擬法,不同方法的基本原理、數(shù)據(jù)基礎、操作過程、數(shù)據(jù)處理及結果都存在明顯差異,應加強不同方法的對比分析研究,優(yōu)化泥沙連通性研究方法,建立合理的可度量的泥沙連通性指標體系。

在未來的研究中,需要進一步梳理泥沙連通性的基本概念和物理內涵,明確泥沙連通性與水文連通性、土壤侵蝕及泥沙輸移比間的相互關系,同時需要加強水土保持措施影響泥沙連通性動力機制的研究,為不同時空尺度土壤侵蝕機理與動力過程研究提供理論支持,為流域水土保持措施配置和生態(tài)服務評價提供技術服務。