三峡水库土质消落带波浪侵蚀过程研究

The artificial riparian zone of Three-gorge Reservoir is facing severe erosion problems due to attack of high-frequency waves during water levels fluctuate from 145 m to 175 m above sea level. However, studies on soil erosion at the riparian zone, especially the wave erosion are very limited. To assess the characters of wave erosion at the artificial riparian zone in the Three-gorge Reservoir, a number of montoring transections will be carried out along the earth-bank riparian zone during the pre- and post-impoundment seasons.The wave meter and erosion pins will be applied to monitor the wave features and erosion spatial distribution. The detailed measurements of the erosion processes are observed by the photo-electronic erosion pins and three-dimenation laser scanner. Meanwhile, soil physical properties, soil mechanics and soil anti-scourability of the soil samples are measured. The result of this research is expected to identify the basic features of the waves, reveal wave erosion intensity and spatial distribution at the riparian zone, evaluate the relation of wave erosion to wave features and soil characteristics.

三峡水库土质消落带占总面积的67%，土壤侵蚀不仅对消落带地貌形态变化及库岸稳定性具有重要影响，且导致土壤流失，影响消落带植被的恢复和滞沙纳污功能的发挥。目前消落带土壤侵蚀的营力特征及其过程机理研究较少，我们前期观测资料显示三峡土质消落带土壤侵蚀营力复杂、强度大，特别是波浪侵蚀过程剧烈。本研究基于三峡水库消落带类型及土壤侵蚀形式的区域调查，利用波浪仪、侵蚀针、三维激光微地貌扫描等技术进行野外定位观测，结合室内土壤物理力学性质的测定，查明库面波浪的时空分布特征及土壤特性变化对土壤抗侵蚀性的影响，重点揭示消落带波浪侵蚀强度及其空间分异规律，并明确消落带波浪侵蚀与其主要影响因子之间的定量关系，探索消落带波浪侵蚀过程机理，为水库消落带土壤侵蚀防治、植被恢复等提供理论依据。

三峡水库土质消落带占总面积的67%，消落带形成后的初期阶段，受长期高压淹水与出露高温干旱交替变化影响，其陆生生态系统尤其是生物群落与土壤特性等将发生巨大变化。在库水位周期性涨落、成陆期集中分布的降雨径流冲刷和波浪淘蚀等共同作用下，消落带土壤侵蚀在蓄水初期非常剧烈，其中波浪对岸坡的淘蚀是消落带土壤侵蚀与岸坡地貌形态变化的主要原因。目前对三峡库区消落带植被重建、土壤元素含量变化和土壤性状变化模拟的研究较多，而对消落带波浪侵蚀的观测研究较少。本研究通过建立水库消落带土壤理化特性、土壤侵蚀与泥沙迁移的长期定位观测体系，研究揭示了淹水-出露-淹水交替作用下消落带土壤物理力学特性的变化规律，阐明了消落带土壤侵蚀类型、强度及时空分布特征，定量评价了各影响因素（植被、海拔、波浪、坡度等）对消落带土壤侵蚀的影响，辨识了消落带波浪侵蚀的贡献率。研究表明：消落带平均土壤侵蚀模数是三峡库区陆地坡面的30倍，但土壤侵蚀速率随时间有逐渐减弱的趋势；长江干流消落带波浪侵蚀的贡献率达到70%以上；夏季145m低水位附近发生频繁的波浪侵蚀，同时降雨径流侵蚀发育，其他季节水库较高水位运行，水位线附近的波浪侵蚀占据主导；水平梯度上干流消落带土壤侵蚀模数是库湾支流的7倍，垂直梯度上145-155m水位之间蚀最为剧烈，分布最广，170m以上高水位次之；消落带土壤容重淹水后均有明显增加，而土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均明显降低；随着土壤体积含水量的增加，土壤抗剪强度和土壤紧实度总体趋势上随之降低，对测定数据进行拟合结果表明，土壤抗剪强度和土壤含水量之间的关系以二项式拟合程度最好，土壤紧实度与土壤含水量具有较显著的线性关系，这说明含水量的变化可使消落带土壤力学性质迅速地发生弱化；土壤侵蚀强度随坡度增加均呈递增趋势，其中草地和裸地坡度与土壤侵蚀速率的拟合相关性分别达到0.93、0.92，两种土地类型的坡度与土壤侵蚀速率的综合相关系数也达到0.86，但是从拟合方程的斜率来看，裸坡的斜率为7.86远大于草地的2.82，这说明裸露边坡侵蚀强度随坡度增加增幅更快，侵蚀更剧烈；应对不同强度的波浪冲刷，土壤的响应不一，波浪水槽模拟实验表明：中浪对不同试验样方冲刷侵蚀的强度要大于小浪，这主要是由于中浪的波浪能量要显著大于小浪所致，同时在波浪冲刷前期土壤侵蚀剧烈，而后却趋于缓和并逐渐稳定。