金沙江干熱河谷是我國西南特殊的脆弱生態(tài)區(qū)，沖溝侵蝕是其突出的生態(tài)環(huán)境問題。目前，國際土壤侵蝕學(xué)界關(guān)于沖溝溝頭的形成和發(fā)育過程會(huì)導(dǎo)致侵蝕泥沙顯著增加、地形變破碎的研究較多，但針對(duì)活躍沖溝溝頭（切溝尺度）形態(tài)的時(shí)空變化過程，開展定量模擬控制試驗(yàn)研究還比較少。中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所熊東紅研究員、蘇正安助研等以元謀干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站為平臺(tái)，深入開展沖溝溝頭溯源侵蝕過程模擬研究并取得一定進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)選取西南干熱河谷代表區(qū)元謀縣一個(gè)典型的原態(tài)原位沖溝溝頭開展土壤侵蝕速率和形態(tài)特征變化趨勢研究試驗(yàn)。隨著沖刷試驗(yàn)的進(jìn)行，沖溝集水區(qū)發(fā)育形成淺溝，溝壁發(fā)生少量崩塌、溝床不斷下切。在30 ~120升/分鐘放水量的作用下，沖溝溝頭的溯源侵蝕速率為2.6~7.9 毫米/小時(shí)，并隨著流量的增加而呈增加趨勢。在空間上，沖溝溝頭的土壤侵蝕量（占總侵蝕量的62~75%）和侵蝕速率均顯著大于集水區(qū)。在時(shí)間上，溝床和集水區(qū)的土壤侵蝕速率呈由大變小、最終逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，土壤侵蝕量、溝頭后退距離和下切深度則隨著沖刷時(shí)間的增加而增加，但是沖溝溝頭的溯源侵蝕速率并沒有出現(xiàn)這種時(shí)間規(guī)律，這主要是由于溝頭隨著沖刷試驗(yàn)的進(jìn)行而出現(xiàn)崩塌并導(dǎo)致溯源侵蝕速率出現(xiàn)突變。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖溝溝頭和集水區(qū)的地形分形維數(shù)在時(shí)間上呈相似的變化趨勢，即從小變大，經(jīng)過90分鐘的放水沖刷試驗(yàn)后又逐漸變小并最終趨于穩(wěn)定。值得注意的是，盡管沖溝溝頭的崩塌會(huì)導(dǎo)致溯源侵蝕速率和徑流泥沙的突然增加，但分形維數(shù)卻仍逐漸趨于穩(wěn)定，這表明沖溝溝頭發(fā)育到一定程度后，其幾何形態(tài)特征并不會(huì)發(fā)生顯著變化。此外，盡管集水區(qū)與沖溝溝頭的土壤侵蝕速率和分形維數(shù)的絕對(duì)值差異顯著，但由于集水區(qū)發(fā)育形成淺溝，其幾何形態(tài)（分形維數(shù)）與沖溝溝頭在時(shí)間上的變化趨勢比較一致。這表明從淺溝、切溝發(fā)育形成沖溝的整個(gè)侵蝕鏈形成中，其幾何形態(tài)特征均會(huì)呈相似變化趨勢：先破碎、然后逐漸變規(guī)則、最終趨于穩(wěn)定。
該研究得到了中科院西部行動(dòng)計(jì)劃（2011）、院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(KZCXZ-EW-QN317)、中國科學(xué)院院長專項(xiàng)基金（2011）和成都山地所青年人才計(jì)劃(SDSQB-2011-01)的支持，相關(guān)研究進(jìn)展和試驗(yàn)結(jié)論發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Geomorphology上。
元謀站原態(tài)原位觀測場
沖溝活躍區(qū)不同部位分形維數(shù)變化趨勢：(a)30 L/min; (b)60 L/min; (c)90 L/min; (d)120 L/min
