不同坡度下反坡水平階的蓄水減沙效益

李苗苗，王克勤，陳志中，康 龍

（1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224；2.昆明市水利局，昆明 650224）

不同坡度下反坡水平階的蓄水減沙效益

李苗苗1，王克勤1，陳志中2，康 龍2

（1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224；2.昆明市水利局，昆明 650224）

在昆明松華壩迤者小流域，在自然降雨條件下定點觀測不同坡度下徑流和泥沙的流失特征，研究反坡水平階對不同坡度下坡耕地的蓄水減沙效益。結(jié)果表明：反坡水平階總體上對坡耕地為5°和15°的減水效益分別達(dá)到75.98%和74.55%，減沙效益總體上分別達(dá)到了85.91%和80.52%；坡耕地為25°的減水效益總體上達(dá)到了43.48%，減沙效益總體上達(dá)到了69.15%。不同坡度下反坡水平階坡面對照自然坡面得出的用水減沙比表現(xiàn)為坡度越小用水減沙比越大，坡度越大用水減沙比越小。說明坡度越小，反坡水平階對徑流和泥沙的攔截效果越明顯，反坡水平階有直接蓄水減沙的水土保持功效。

蓄水減沙；反坡水平階；坡耕地

早在19世紀(jì)晚期就開展了土壤侵蝕研究，坡耕地是產(chǎn)生水土流失的主要來源。由于坡耕地水土流失嚴(yán)重，使我國山區(qū)丘陵土層變薄，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，保水保肥能力下降，使大多數(shù)坡耕地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重阻礙山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，坡地侵蝕可造成土地可持續(xù)生產(chǎn)力的嚴(yán)重?fù)p失和破壞。坡耕地泥沙流失也是大量江河流域泥沙的主要來源。迤者小流域位于昆明市北郊的松華壩水庫水源區(qū)內(nèi)，屬滇池流域的盤龍江上游，是我國第一個被列入的城市飲用水源保護(hù)區(qū)，占昆明市供水總量的40%以上。根據(jù)昆明市水利局的調(diào)查顯示，松華壩水庫水質(zhì)下降趨勢日益嚴(yán)重，自2002年以來，松華壩水庫水質(zhì)總體為Ⅲ類水質(zhì)，特別是2004年的10－12月連續(xù)3個月均為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象亟待解決，坡耕地水土流失是造成水質(zhì)下降的主要原因［1－2］。松華壩水源區(qū)內(nèi)山區(qū)半山區(qū)面積占總面積的95%以上，耕地面積近6 500hm2，一半以上為坡地?？刂破赂厮亮魇λ扇A壩水質(zhì)的穩(wěn)定及改善有重要意義。

坡度是影響土壤侵蝕的重要因子之一，其對土壤侵蝕的影響主要是體現(xiàn)在雨滴濺蝕和坡面地表徑流侵蝕。雨滴濺蝕使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞、土粒分散、破壞和遷移，為土壤沖刷創(chuàng)造了有利條件［3］。大量研究表明，隨著坡度的增加，降雨入滲減少，徑流量增加［4］。坡度與坡面徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，坡度是通過影響徑流量來影響其攜帶的養(yǎng)分流失量［5］。景可［6］等研究表明土壤侵蝕量與坡度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。通過研究紫色土坡耕地上進(jìn)行的橫坡壟作，觀測不同坡度坡耕地的水土流失及作物產(chǎn)量狀況，得出隨著坡度增大，徑流量和泥沙量均增大的研究結(jié)果［7］?？梢?，坡度的增大增加了水土流失的產(chǎn)生。研究不同坡度坡面上實施水土保持措施，對減緩徑流和泥沙量的響應(yīng)勢在必行。反坡水平階是調(diào)節(jié)坡面徑流的重要措施之一，可以對產(chǎn)生的徑流得到調(diào)控作用，同時阻止泥沙的產(chǎn)生，本文主要研究不同坡度下反坡水平階對坡面的調(diào)控作用，定量分析反坡水平階的減流減沙效益，為該區(qū)坡度比較大的坡面和控制面源污染提供科學(xué)的依據(jù)，對保護(hù)松華壩水質(zhì)和防止富營養(yǎng)化具有一定的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

迤者小流域位于昆明市嵩明縣滇源鎮(zhèn)西端的迤者村委會境內(nèi)，地處東經(jīng)102°45′35″－102°50′05″，北緯25°13′20″－25°17′00″，距滇源鎮(zhèn)政府所在地約14 km，距昆明市嵩明縣縣城約24km，距昆明市市區(qū)約40km；東鄰金鐘，南鄰盤龍區(qū)，西鄰盤龍區(qū)，北鄰阿子營。地勢總體西北高東南低，最高海拔2 445.2 m，位于流域西部土灰塘包，最低海拔2 003.8m，位于流域河流出口處，相對高差441.4m，平均海拔2 200m。氣候特點夏秋溫?zé)?，冬春干涼。屬北亞熱帶和暖溫帶混合型氣候，多年平均氣?3.8℃。最熱月在7月，極端最高氣溫34℃，最冷月在1月，極端最低氣溫為－14.9℃。多年平均≥10℃活動積溫4 091℃，年日照時數(shù)為1 800h，無霜期234d。流域內(nèi)多年平均降雨量925.6mm。流域內(nèi)植被以亞熱帶針葉林為主，森林覆蓋率為31.6%，林草覆蓋率為66.8%。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

對5°，15°和25°的坡耕地進(jìn)行反坡水平階處理，并與坡耕地進(jìn)行對照，對處理和對照分別布設(shè)投影面積為5m×20m的標(biāo)準(zhǔn)徑流場，坡度為25°的徑流小區(qū)（1＃和2＃）為荒地，植物覆蓋度僅為15%左右，其中1＃布設(shè)有反坡水平階；坡度為15°的徑流小區(qū)（3＃，4＃和5＃）和坡度為5°的徑流小區(qū)（6＃，7＃和8＃）分別種植農(nóng)作物，覆蓋度都在90%左右，其中4＃和7＃布設(shè)反坡水平階。

反坡水平階是沿等高線自上而下里切外墊，修成一臺面，臺面外高里低，寬1.2m，反坡5°，以盡量蓄水，減少流失，常在山石多、坡度大的坡面上采用。在徑流小區(qū)附近安裝RG2－M自記雨量計，對試驗區(qū)降雨量進(jìn)行測定。

2.2 觀測方法

（1）地表徑流量。每場典型降雨后立即量出標(biāo)準(zhǔn)徑流場內(nèi)的泥水總量，推算地表徑流量。

（2）泥沙含量。攪勻水池內(nèi)的泥沙，用500ml取樣瓶取3瓶水樣，用比重法測定泥沙含量，推算泥沙量。

2.3 相關(guān)指數(shù)計算

（1）在不同坡度，布設(shè)有反坡水平階坡面與自然坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行對照分析，得出不同坡度下減流減沙效益的大小。

式中：Cw，Cs——減流減沙效益（%）；W1——自然坡面產(chǎn)流量（m3/km2）；W2——調(diào)控坡面的產(chǎn)流量（m3/km2）；S1——自然坡面產(chǎn)沙量（kg/km2）；S2——調(diào)控坡面的產(chǎn)沙量（kg/km2）。

（2）為了描述不同坡度下對照坡面與調(diào)控坡面徑流量與產(chǎn)沙量的調(diào)控效果及其關(guān)系，引用吳淑芳等提出的用水減沙比概念［8－10］。用水減沙比指在一定調(diào)控措施坡面或研究區(qū)域，用于減少單位泥沙所需要減少坡面或研究區(qū)域的地表徑流量，即采用調(diào)控措施后，減流量與減沙量之間的比值。用水減沙比值越大，說明采用調(diào)控措施之后保證單位侵蝕泥沙不被沖刷所保存于土壤的徑流量越大。

式中：E′R——用水減沙比率（m3/t）；S′1——進(jìn)行調(diào)控后研究區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙量（t/hm2）；S′2——對照狀況即未實施調(diào)控前研究區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙量（t/hm2）；ΔP′1——調(diào)控坡面調(diào)控后研究區(qū)域內(nèi)產(chǎn)流量（m3/hm2）；ΔP′2——對照狀況即未實施調(diào)控前研究區(qū)域內(nèi)產(chǎn)流量（m3/hm2）。

2.4 分析方法

本研究采用SPSS 11.5實用統(tǒng)計軟件和Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨分布特征

根據(jù)試驗地的自記雨量計觀測，2009年總降水量為689.6mm，從圖1降雨量的趨勢可以看出，1－5月降雨量為99.6mm，占全年降雨量的14.44%，7月降雨量最大，降雨量為179.4mm，占全年降雨量的26.02%，6－8月是試驗地全年降雨最集中的時段，約占全年降雨量的70.81%。是全年典型降雨最集中的時段。6－8月期間共有6場典型降雨，在這6場降雨中，6月22日、6月30日、7月25日和8月4日為大雨，降雨量分別為86，99.2，45.6，78.8mm，7月25日和8月14日為中雨，降雨量分別為45.6mm和32.4mm。

圖1 2009年年降雨分布

3.2 不同坡度下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

根據(jù)2009年降雨情況，選取6－8月期間6場典型降雨作為本文的分析數(shù)據(jù)，期間不同坡度下坡面徑流量和產(chǎn)沙量過程如圖2、圖3所示。

從圖2中可以得出，不同坡度下坡面的徑流量存在明顯的差異，在相同降雨條件下，同一坡度的坡面徑流量各不相同，2＃徑流量最大，是1＃徑流量的1.77倍，3＃徑流量是4＃徑流量的3.96倍，5＃徑流量是4＃徑流量的3.90倍，6＃徑流量是7＃徑流量的4.25倍，8＃徑流量是7＃徑流量的4.08倍。從圖2趨勢來看，坡度為25°無反坡水平階的坡耕地產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他坡度的坡耕地，坡度為5°設(shè)有反坡水平階的坡耕地產(chǎn)流量最小，得出坡度越大產(chǎn)流量越大。坡度為5°的8＃坡耕地比坡度為25°的1＃坡耕地產(chǎn)流量大，這是由于即便1＃坡面無覆蓋物，但其布設(shè)有水平階減少了地表徑流的產(chǎn)生，比有覆蓋物無反坡水平階的效果要好，說明反坡水平階對坡度比較大的坡面具有明顯的減流作用。

從圖3中可以得出，相同降雨條件下，同一坡度下坡面的產(chǎn)沙量各不相同，2＃產(chǎn)沙量最大，2＃產(chǎn)沙量是1＃產(chǎn)沙量的3.25倍，3＃產(chǎn)沙量是4＃產(chǎn)沙量的4.99倍，5＃產(chǎn)沙量是4＃產(chǎn)沙量的5.27倍，6＃產(chǎn)沙量是7＃產(chǎn)沙量的7.25倍，8＃產(chǎn)沙量是7＃產(chǎn)沙量的6.78倍。從圖3的趨勢來看，坡度為25°無反坡水平階的坡耕地產(chǎn)沙量最大，坡度為5°有反坡水平階的坡耕地產(chǎn)沙量最小。這與徑流量結(jié)果相一致，表明反坡水平階同樣具有明顯的減沙作用。

圖2 不同坡度下坡面產(chǎn)流量分布

圖3 不同坡度下坡面產(chǎn)沙量分布

3.3 不同坡度下反坡水平階對坡面徑流量和產(chǎn)沙量的調(diào)控

3.3.1 不同坡度下反坡水平階的減水效益 對不同坡度下設(shè)有反坡水平階坡面與自然坡面的徑流量進(jìn)行對照分析，得出反坡水平階對不同坡度的減水效益。從表1可知，從總體趨勢來看有反坡水平階的坡面對降雨具有一定的截留作用，增加土壤入滲，減緩了地表徑流產(chǎn)生，而自然坡面缺乏截留措施，除一部分降水被土壤吸收外大部分均以地表徑流的形式流失。①在同一坡度條件下，反坡水平階的坡面比自然坡面具有良好的蓄水作用；在不同坡度條件下，反坡水平階對坡面的減水效益均不相同。不同坡度下反坡水平階的減水效益從大到小為：5°＞15°＞25°，坡耕地坡度為5°時減水效益最大，減水效益總體上達(dá)到了75.98%；坡耕地坡度為15°時次之，減水效益總體上達(dá)到了74.55%；當(dāng)坡度為25°時，反坡水平階對其減水效益總體上達(dá)到了43.48%。②坡度為15°和5°的坡耕地的減水效益均達(dá)到了70%以上，這說明反坡水平階對坡耕地坡度比較小的攔沙蓄水有很大的調(diào)節(jié)作用。反坡水平階對25°坡耕地的減水效益不足60%，這說明當(dāng)坡耕地坡度比較大時，表面直接受雨滴的打擊形成分散的土壤顆粒，影響土壤入滲，加快地表徑流的產(chǎn)生。

表1 不同坡度下反坡水平階的減水效益

3.3.2 不同坡度下反坡水平階的減沙效益 進(jìn)行對不同坡度下設(shè)有反坡水平階坡面與自然坡面的產(chǎn)沙量進(jìn)行對照分析，得出反坡水平階對不同坡度的減沙效益。從表2可知，不同坡度下反坡水平階對坡面的減沙效益與減水效益是一致的，反坡水平階同樣對坡面產(chǎn)沙具有一定的攔蓄作用。①在同一坡度下，反坡水平階坡面與自然坡面對照，均有良好的減沙效益；不同坡度下的減沙效益各不相同，從大到小為5°＞15°＞25°，坡度為5°的坡耕地減沙效益最大，減沙效益總體上達(dá)到了85.91%，坡度為15°的坡耕地次之，減沙效益總體上達(dá)到了80.52%，反坡水平階對坡度為25°的減沙效益總體上達(dá)到了69.15%。②坡耕地為5°、15°、25°的減沙效益均達(dá)到了69%以上，這說明反坡水平階對這3種坡度的坡耕地的產(chǎn)沙量都具有很好的攔截作用，對攔沙蓄水有很大的調(diào)節(jié)效果。

表2 不同坡度下反坡水平階的減沙效益

3.4 不同坡度下的用水減沙比

由于侵蝕產(chǎn)沙的過程比較復(fù)雜，影響因素比較多，侵蝕過程中土壤可蝕性的變化、徑流沿程含沙量變化、土壤臨界抗剪強度、被分散土壤的臨界起動力、降雨與徑流分離能力、徑流攜沙能力等都影響和制約著侵蝕產(chǎn)沙及其變化［11］，因此，產(chǎn)沙變化過程與產(chǎn)流變化過程的響應(yīng)關(guān)系在總體上呈正相關(guān)。

研究不同坡度下坡面調(diào)控措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙調(diào)控效果，可以用用水減沙比進(jìn)行表示，用公式（2）得出用水減沙比如表3所示。從表3中可以得出，不同坡度下反坡水平階坡面對照自然坡面得出的用水減沙比從大到小為5°＞15°＞25°，這與反坡水平階減水減沙效益一致。反坡水平階對坡度為5°坡面的用水減沙比最大，其實施的反坡水平階對徑流攔截和保存效果最明顯，進(jìn)而減少坡面徑流對侵蝕產(chǎn)沙的攜沙能力。坡度為25°的坡面的用水減沙比最小，因為其坡度大且表面無覆蓋，降雨對其表層土壤沖刷力比較大，加快了地表徑流量的產(chǎn)生，加速了徑流攜沙。反坡水平階有直接蓄水?dāng)r沙的水土保持功效。

表3 不同坡度下反坡水平階的用水減沙比

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）在5°～25°坡度范圍內(nèi)，自然坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均大于處理坡面，坡度為5°反坡水平階的坡耕地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量最小，得出坡度越大產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量越大。坡度為5°的8＃坡耕地比坡度為25°的1＃坡耕地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量大，這是由于即便1＃坡面無覆蓋物，但其布設(shè)有水平階減少了地表徑流的產(chǎn)生比有覆蓋物無反坡水平階的效果要好，這說明反坡水平階對坡度比較大的坡面具有明顯的蓄水減沙作用。

（2）坡度為15°和5°的坡耕地的減水效益均達(dá)到了70%以上，這說明反坡水平階對坡耕地坡度比較小的攔沙蓄水有很大的調(diào)節(jié)作用。反坡水平階對25°坡耕地的減水效益不足60%，這說明當(dāng)坡耕地坡度比較大時，表面直接受雨滴的打擊形成分散的土壤顆粒，影響土壤入滲，加快了地表徑流的產(chǎn)生。坡耕地為5°、15°、25°的減沙效益均達(dá)到了69%以上，這說明反坡水平階對這3種坡度的坡耕地的產(chǎn)沙都具有很好的攔截作用，對攔沙蓄水有很大的調(diào)節(jié)效果。

（3）反坡水平階對坡度為5°坡面的用水減沙比最大，其實施的反坡水平階對徑流攔截和保存效果最明顯，進(jìn)而減少坡面徑流對侵蝕產(chǎn)沙的攜沙能力。坡度為25°的坡面的用水減沙比最小，因為其坡度大且表面無覆蓋，降雨對其表層土壤沖刷力比較大，加快了地表徑流量的產(chǎn)生，加速了徑流攜沙，反坡水平階有直接蓄水?dāng)r沙的水土保持功效。

4.2 討 論

當(dāng)坡面的坡度比較大時，坡面徑流調(diào)控是治理水土流失的關(guān)鍵。李勉［12］、鄭明國［13］等研究得出坡面水土流失治理中生物措施是治本措施，但還會受到某種因素的限制，應(yīng)與工程措施相結(jié)合。許炯心［14］研究得出在林木生長較差、水土流失嚴(yán)重的陡坡地，林木生長成活率低對坡面水土流失治理會受到影響，采用聚流坑、水平階等工程措施整地效果會比較好。反坡水平階是高效、低成本坡面調(diào)控措施，應(yīng)用反坡水平階調(diào)控措施改變了下墊面狀況，對坡面徑流和泥沙進(jìn)行了再分配。在泥沙輸移過程中起到了很好的攔截作用。反坡水平階對坡面徑流和泥沙量有很好的調(diào)控作用，值得在水土流失治理中推廣運行。

本文研究不同坡度下反坡水平階的蓄水減沙效益，得出反坡水平階對坡度為5°的坡面影響效果最大，25°坡面的效果最差，這與李秋艷等［4］研究結(jié)果一致，得出坡度較緩（＜5°）的坡耕地水土流失量與坡度較大的坡耕地相比是非常小的，60%以上的土壤流失量來自于陡坡耕地，其中中等強度以上水土流失面積主要分布在25°以上的陡地。何紹蘭等［15］研究也得出當(dāng)坡度在0～5°之間時，地表徑流量差異不大；坡度超過5°以后地表徑流量會大幅度增加，而且徑流中的泥沙含量也呈隨坡度增加而增加。

陡坡坡地采用反坡水平階具有減流減沙的作用，這與吳淑芳［10］研究結(jié)果一致。說明坡度越陡土壤流失越大，在沒有緩坡耕種的條件下可考慮在其坡面布設(shè)截留措施，可以減少土壤侵蝕。

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Storage of Water and Sediment Reduction Benefits of Reverse－slope Terrace under the Different Slopes

LI Miao－miao1，WANG Ke－qin1，CHEN Zhi－zhong2，KANG Long2
（1.College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming650224，China；2.Water Conservancy Bureau of Kunming City，Kunming650224，China）

The runoff and sediment characteristics were observed and storage of water and sediment reduction benefits were studied on reverse－slope terrace on the different slopes under the natural rainfall conditions in Yizhe Watershed of Songhuaba reservoir in Kunming.The result shows that the rates of runoff reduction have reached to 75.98%and 74.55%on slope land of 5°and 15°in all，the rates of sediment reduction have reached to 85.91%and 80.52%on the reverse－slope terrace，runoff and sediment reduction have reached to 40.48%and 69.15%on the farmland of 25°.In comparison with the water use and sediment reduction under natural slope，it shows that the smaller the degree of slopes，the greater the ratio of the water use to sediment reduction under different slopes of reverse－slope terrace；otherwise，the greater the degree of slopes，the smaller the ratio of the water use to sediment reduction.It shows that reverse－slope terrace has evident effect on runoff and sediment interception when slope is smaller，and that the reverse－slope terrace has a direct effect on soil and water conservation.

water and sediment reduction；reverse－slope terrace；slope land

S157

A

1005－3409（2011）06－0100－05

2011－06－19

2011－07－18

國家自然科學(xué)基金項目（30660037）；西南林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治重點學(xué)科資助

李苗苗（1987－），女，山西省長治縣人，碩士研究生，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)與土壤侵蝕研究。E－mail：lmm999＠126.com

王克勤（1964－），男，甘肅省莊浪縣人，博士，教授，主要從事小流域環(huán)境綜合治理研究。E－mail：wangkeqin7389＠sina.com