焦菊英研究员团队在黄土高原暴雨土壤侵蚀致灾方面取得新进展
作者：安塞站 更新时间：2024-11-08
在国家自然科学基金重点基金项目（黄河水科学研究联合基金）“黄土高原极端暴雨土壤侵蚀致灾及蓄排协调防控机制（U2243213）”的资助下，水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）焦菊英研究员团队在黄土高原开展了广泛的实地调查，得到115个小流域宝贵的暴雨洪水侵蚀数据（图1），并初步取得了系列研究成果：研究了暴雨条件下流域内的土壤侵蚀特征、侵蚀特殊现象“土球”的来源和分布，以及典型农业流域中微塑料分布迁移对暴雨的响应，并提出了一种用于识别流域下游洪水淹没和泥沙淤积面积的新方法。这些成果以题“Magnitude and hotspots of soil erosion types during heavy rainstorm events on the Loess Plateau: Implications for watershed management”（成果1）、“Distribution and formation of soil balls under heavy rainstorm conditions in the northern Loess Plateau”（成果2）、“Response of microplastic occurrence and migration to heavy rainstorm in agricultural catchment on the Loess plateau”（成果3）、“Using SAR imagery to extract flash flood sediment deposition area in the northern Loess Plateau”（成果4）分别发表在中科院一区Top期刊Catena、Journal of Hydrology、Journal of Hazardous Materials和Journal of Hydrology上，博士研究生杨波（前2篇）和马晓武、硕士研究生凌麒分别为论文的第一作者，焦菊英研究员为通讯作者。
图1 2021-2024年黄土高原暴雨洪水侵蚀灾害调查流域分布图
成果1：该研究对黄土高原不同暴雨条件下的小流域水土流失热点类型、区域及其影响因素的调查和分析结果表明，细沟侵蚀、切沟侵蚀、滑坡和崩塌的侵蚀强度分别为13600~46244 t/km2、1982~772201 t/km2、1163~172153 t/km2和1867~94985 t/km2；滑坡是流域中最严重的侵蚀类型，其侵蚀总量最高可达流域总侵蚀量的90%以上，其次是切沟侵蚀或崩塌侵蚀。此外，新修梯田（2年内）的侵蚀强度高于老梯田，当年雨季前修建的梯田侵蚀强度也大于前一年雨季后修建的梯田；暴雨侵蚀受到土地利用类型和坡度的显著影响，坡耕地、生产道路、梯田田坎以及沟沿线以下的沟谷地被确定为暴雨侵蚀热点区域。建议黄土高原的水土流失防治工作应重点关注沟沿线以下沟谷地的滑坡，其次是生产道路上的切沟和梯田田坎的崩塌。该研究对优化和调整流域管理措施以及预防暴雨侵蚀灾害具有重要指导意义。
图2 暴雨条件下小流域不同侵蚀类型的分布与贡献
成果2：针对在黄土高原定边县暴雨过后的流域发现了“土球”这一特殊现象，研究发现“土球”来源于暴雨期间滑坡和崩塌产生的土块在高含沙水流作用下被输送至下游的过程中形成了近似球形的土球。流域坝地土球投影面积比为0.13~0.25 m2/m2，单位面积内土球的体积为0.05~0.11 m3；土球直径主要集中在20~60cm之间，占坝地总土球数量的81%，且坝地内不同位置的土球形态存在显著差异；由土球表征的滑坡和崩塌产生的泥沙输移比至少为4%～10%。土球的产生不仅表明流域内发生了严重的侵蚀，从而导致高含沙水流现象，而且还会堵塞淤地坝排水口，压占农田和作物。建议在小流域中实施相应的措施，以降低滑坡和崩塌发生，以减少“土球”形成的风险。
图3 暴雨条件下“土球”形成示意图
成果3：对黄土高原典型农业流域中微塑料的分布及其对暴雨响应情况的调查分析结果显示，所有土壤样品中均检测到了微塑料，丰度范围为70~4020个/kg；微塑料的主要颜色为白色、黄色和透明色，主要形状为薄膜和碎片；通过傅里叶变换红外光谱分析，低密度聚乙烯是检测到的主要微塑料成分，塑料地膜的广泛使用是该流域微塑料污染的主要来源。微塑料的分布差异和关联性表明在流域内存在相互迁移和沉积现象，流域出口处的淤地坝在暴雨期间有效拦截了微塑料，减少了下游至少6.1×1010个微塑料颗粒。该研究对识别暴雨条件下严重水土流失地区微塑料污染的来源和路径具有重要意义。
图4 小流域不同土地利用下的微塑料分布特征
成果4：在干旱地区，山洪暴发后水体容易迅速消退，致使卫星过境相关区域时难以及时捕获到水体存在的影像。为此，该研究选择了黄土高原北部的定边县2022年7月10日暴雨山洪作为研究案例，基于GEE使用Sentinel-1 SAR影像，开发了一种不同极化组合幂运算方法（PODPC）来自动提取山洪泥沙淤积区，PODPC生成的直方图具有更清晰的双峰特征，可获得更好的分割阈值，总体精度可达92%～93%，与常用的极化相比，精度平均提高了23%。提取的泥沙淤积区可作为山洪严重程度的指标，也可以作为洪水模型的验证和输入数据，从而提高对山洪灾害的科学评估。
图5 泥沙淤积区分布、厚度和提取精度
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.108365
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130103