南小河溝流域不同措施處理下的水土流失規(guī)律

袁 靜，張 富，李懷有，郜文旺

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局，甘肅 慶陽745000）

黃土高原的水土流失數(shù)千年來從沒有停止過，現(xiàn)如今已成為其環(huán)境問題治理的焦點［1－2］。長期、頻繁而嚴(yán)重的水土流失，帶來了很多自然、地理、經(jīng)濟、社會等問題，是造成土地生產(chǎn)力下降、荒漠化加速發(fā)展、植被恢復(fù)困難，干旱缺水，限制大農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和群眾生活貧困的主要原因［3－4］。素有“天下黃土第一塬”美譽的董志塬是黃土高原產(chǎn)流產(chǎn)沙區(qū)之一，是甘肅省政府部門及相關(guān)技術(shù)部門高度重視的重點治理區(qū)［5－7］。地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程主要與兩個因素相關(guān)：一是降雨，降雨特征是由降水量、降雨強度及降雨侵蝕力等決定；二是下墊面，下墊面特征是由地形、土壤、地表覆蓋等決定的［8－10］。大量研究表明：植被是防止水土流失的根本途徑，植被對降雨可以起到林冠層截留降水、枯枝落葉層儲蓄降水的作用；植被覆蓋度與土壤侵蝕量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著植被覆蓋度的增加，坡面土壤侵蝕量將減少［11－13］。但是針對不同水土流失因子研究水土流失形成過程相對較少。本文根據(jù)南小河溝水土保持試驗站多年的觀測資料，通過分析不同降雨、坡度、植被等條件下徑流小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的徑流量和侵蝕量的變化規(guī)律，揭示在不同措施下坡面水土流失規(guī)律。這對于采取相應(yīng)措施調(diào)控坡面徑流形成過程及如何在坡耕地上結(jié)合水土保持措施配置，深入研究不同措施下水土流失的形成機理有重大突破；對黃土高原合理利用土地資源，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)和發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)南小河溝試驗場，位于甘肅省東部董志塬上，距慶陽市區(qū)以西13.0km。試驗場主溝道長度2.9km，東西長2.1km，南北寬2.3km，面積4.8km2。有竹兒溝、下馬溝、塔山溝、范家溝、峴子溝、湫溝、楊家溝、瓜子溝、董莊溝9條支毛溝，涉及12道梁咀。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬春干旱少雨，夏秋雨量適中。年平均降水量為556.5mm，年降水最大值805.2mm、最小值319.8mm，年內(nèi)降水分布極不均勻，7—9月降水占全年降水的67.3%以上，時空分布差異較大；平均無霜期155d，年平均氣溫9.3℃，最高溫度39.6℃，最低氣溫－22.6℃，最大日溫差為23.7℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 491.0mm。最大24h降水量為63mm，20年一遇頻率時為133.2mm；200年一遇頻率時為220.8mm。流域?qū)冱S土高原高原溝壑區(qū)，除水庫外其他均為水土流失面積，屬強度侵蝕區(qū)。水力侵蝕、重力侵蝕是主要侵蝕形式，流域年徑流模數(shù)為8 894m3／（km2·a），侵蝕模數(shù)為4 350 t／（km2·a），水土流失的危害主要表現(xiàn)為：蠶蝕塬面，減少農(nóng)田，毀壞道路，損壞莊園，惡化坡面開發(fā)利用條件，加重防治難度，加大治理投入，延長治理時限，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，給下游帶來河道、水利設(shè)施沖淤、毀壞等嚴(yán)重危害，阻礙國民經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)展。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計 為研究黃土高原溝壑區(qū)不同類型暴雨情況下，對不同坡度、不同地形部位、不同土地利用類型、不同下墊面條件下的徑流泥沙來源、數(shù)量及所占比例等因素，在南小河溝流域設(shè)計影響水土流失的單因子徑流場和影響水土保持措施效益的單因子及復(fù)合因子組合徑流場共計16個。坡長均為20m，寬度5m，投影面積均為100m2，坡度分別為5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°這7個坡度級。

設(shè)計2個徑流站，分別為楊家溝和董莊溝徑流站。楊家溝是為以生物措施為主進行水土保持治理的小流域，徑流站布設(shè)目的主要是為了研究支溝的治理措施和方法，并了解支毛溝內(nèi)以生物措施為主的治理效益；董莊溝徑流站設(shè)在原始生態(tài)環(huán)境下的董莊溝溝口，與楊家溝形成對比，布設(shè)目的主要進行小流域土壤侵蝕類型與特征等方面的試驗研究。

1.2.2 試驗處理

（1）徑流小區(qū)。試驗共設(shè)10個處理（詳見表1）。

（2）徑流站。楊家溝徑流站集水面積0.87km2，觀測斷面三角量水堰設(shè)在溝口，槽長20m，邊坡1∶1.5，底坡2%，引水槽為土質(zhì)，槽身為1∶3水泥沙漿敷面，率定計算公式為：

式中：Q——徑流量（m3）；H——過水高度（m）。下同。

董莊溝徑流站集水面積1.15km2，觀測斷面三角量水堰董莊溝溝口，槽長20m，邊坡1∶1.5，底坡2%，引水槽為土質(zhì)，槽身為1∶3水泥沙漿敷面，率定計算公式為：

1.2.3 測定方法 南小河溝小流域水土流失監(jiān)測是西峰水土保持站長期堅持的重點工作。監(jiān)測設(shè)施主要包括：坡面徑流場、溝道量水堰（主要監(jiān)測汛期降雨徑流）、氣象園和降水指標(biāo)觀測。

（1）降水量測定。為了保證觀測質(zhì)量和遙測系統(tǒng)的正常運行，全年觀測雨量站同時配備普通雨量計、自記雨量計、遙測雨量計（翻斗式）。普通雨量計進行全年觀測，觀測年逐次降水總量，自記雨量計、遙測雨量計進行汛期降雨過程觀測。

（2）徑流量、泥沙量測定。采用集流桶收集徑流泥沙，并且根據(jù)小區(qū)面積和50a一遇暴雨標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計不同的分流級數(shù)及各分流桶分流孔數(shù)，其中分流桶分流孔高度距分流桶底距離為60cm，一次降雨結(jié)束后，采用人工方法分別采集集流桶和分流桶中的渾水樣。

取樣數(shù)據(jù)采用比重瓶法（也稱置換法）進行計算。具體步驟為：首先量出渾水溫度，稱出比重瓶加渾水總重量，然后根據(jù)不同溫度瓶加清水的重量計算沙重。其計算公式為：

式中：W沙——泥沙重量（kg）；W渾——瓶加渾水重（kg）；W清——同溫度下瓶加清水重（kg）；K——經(jīng)驗系數(shù)（K＝1.59）。

表1 徑流小區(qū)基本情況

根據(jù)得到的泥沙重量和取樣瓶體積，分別計算集流桶和分流桶的泥沙含量，再根據(jù)觀測到的集流桶和分流桶水深、分流桶孔數(shù)，計算單個小區(qū)一次降雨的產(chǎn)流量、侵蝕量、侵蝕模數(shù)、徑流深、徑流系數(shù)等指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流域降雨特征

將高于平均降水量20%的年份定為豐水年，低于平均降水量20%的年份定為枯水年，降水量為二者之間定為平雨年［14－15］。南小河溝流域年平均降水量為556.5mm，2012年南小河溝流域出口站十八畝臺測站年降水總量為487.3mm，定義為平水年；汛期（5—9月）降水量為407.3mm，占全年降水量的83.6%（見圖1）；要分析侵蝕性降水量的年際變化，首先要確定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，對于日降雨資料，把日降水量12.0mm作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為只有日降水量達(dá)到12.0mm的降雨才會出現(xiàn)土壤侵蝕［16］。根據(jù)降水觀測結(jié)果顯示，該流域內(nèi)2012年侵蝕性降水量為95.3mm，平均降雨強度為14.5mm／h（圖2）。

圖1 2012年南小河溝流域降水量月變化

圖2 2012年南小河溝流域降水量日變化

2.2 不同坡度裸地徑流及泥沙流失分析

坡面徑流小區(qū)1—7，每個小區(qū)平均產(chǎn)流3次（分別為5月9日，降雨量40.9mm，降雨強度52.1mm／h；7月21日，降雨量21.4mm，降雨強度3.5mm／h；8月14日，降雨量28.8mm，降雨強度5.0mm／h，平均含沙量44.737kg／m3，平均徑流量0.522m3（圖3—4）。

圖3 不同徑流小區(qū)2012年平均含沙量隨坡度的變化

圖4 不同徑流小區(qū)2012年徑流量隨坡度的變化

由圖3可以看出，隨著坡度的增加，平均含沙量呈指數(shù)性增長，關(guān)系式為y＝4.056 8e0.097x（R2＝0.884 7）。即徑流小區(qū)的坡度越大，侵蝕量的增量也越大。

由圖4可以看出，5°～10°小區(qū)徑流量隨著坡度的增加而減小；10°～20°小區(qū)徑流量隨著坡度的增加而增加；20°～35°小區(qū)徑流量隨著坡度的增加而減少。其原因為：10°以內(nèi)坡度較緩，隨著坡度的增加，實際坡面長度相應(yīng)增加，即水流的流程增加，水流的滲透量與能量消耗增加，結(jié)果使水流流量與流速相應(yīng)減少；10°～20°小區(qū)徑流量隨著坡度的增加而增加，為黃土高原坡度影響的基本規(guī)律；20°為南小河溝流域臨界坡度。因為坡面水流的徑流量并不會隨著坡度的加大而無限的加大：坡度越大的坡面，需要斜面坡長越長才能和坡度較小的坡面受水面積相等，這時即使因為坡度加陡，入滲率減少，但實際入滲水量也有較大增加。所以，隨坡度增加，坡面徑流量存在一個由大變小的臨界坡度，20°為南小河溝流域臨界坡度。

2.3 林地措施徑流及泥沙流失分析

坡面徑流小區(qū)8，小區(qū)平均產(chǎn)流2次，其中HJ11在5月9日起徑流，HJ12在5月9日和7月21日起徑流，8月14日未起徑流，小區(qū)平均含沙量2.377kg／m3，平均徑流量0.121m3。與坡面徑流小區(qū)1—7相比，發(fā)現(xiàn)小區(qū)8平均含沙量低于小區(qū)1—7中最低值5.628kg／m3；平均徑流量低于小區(qū)1—7中最低值0.151m3。說明無論是降水量大、降雨強度也大，或者是降水量不大、降雨強度較小的情況下，林地徑流小區(qū)攔截徑流、蓄水?dāng)r沙效果顯著，林地徑流小區(qū)平均含沙量比裸地徑流小區(qū)含沙量最低值減少57.77%，平均徑流量比裸地徑流小區(qū)徑流量最低值減少19.74%。

2.4 小流域徑流及泥沙流失影響因素分析

（1）董莊溝。該溝為非治理溝，尚有完整的天然植被群落，陽坡主要有白草（P.flaccidum）、茭蒿（Artemisia giraldii）、油蒿（Artemisia ordosica）；陰坡主要有白草、小蘆葦（Phragmites australis）；溝底多生長喜溫喜水性植物，常見的有野青茅（Deveuxia pyramidalis）、穗發(fā)草（Deschampsia koelerioides）、大籽 蒿 （Artemisia sieversiana）、冰 草 （Agropyron cristatum）、鵝 觀 草（Roegneria kamoji）、野 棉 花（Anemone vitifolia）等，面積79.47hm2，溝道長度1 450m，溝道比降9.66%，相對高差140m。

（2）楊家溝。該溝為以生物措施為主進行水土保持治理的小流域，根據(jù)試驗研究與生產(chǎn)、示范的需要，陸續(xù)修建了高標(biāo)準(zhǔn)梯田果園、現(xiàn)代化梯田苗圃、油松、側(cè) 柏 （Platycladus orientalis）、刺 槐 （Robinia pseudoacacia）、毛白楊（Populus tomentosa）、旱柳（Salix matsudana）、沙棘、狼牙刺（Sophora viciifolia Hance）、杜仲（Eucommia ulmoides）、銀杏（Gilkgo biloba）、山杏（Armeniaca sibirica）等片林，基本形成了以人工林為主體的植被群落。該溝面積62.05hm2，溝道長度1 550m，溝道比降9.67%，相對高差200m。與董莊溝對比，分析不同措施下小流域徑流及泥沙量（表2）。

由表2可以看出，以生物措施為主進行水土保持治理的楊家溝流域在年降水量、侵蝕性降水量基本相同情況下，與對比溝董莊溝流域相比，年徑流量減少14 345.43m3，輸沙量減少2 017.33t，侵蝕模數(shù)減少1 589.95t／（km2·a）。

表2 2012年南小河溝試驗小流域水土流失監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

篩選、示范和推廣具有水土保持作用的農(nóng)作措施是減輕水土流失，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要措施。本研究對影響水土流失因子中的降雨、坡度及植被覆蓋度等進行了比較。

（1）7種不同坡度土地利用方式下年均產(chǎn)沙量大小順序為：35°＞30°＞25°＞20°＞15°＞10°＞5°，年均徑流量大小順序為：20°＞15°＞5°＞30°＞35°＞25°＞10°。年均泥沙流失量與徑流量規(guī)律并不一致：坡度越大，侵蝕量的增量也越大，而20°產(chǎn)生徑流量最大，為該流域徑流量臨界坡度。

（2）從水土保持措施角度出發(fā)，坡地采用水平階整地，油松沙棘混交林，植被覆蓋度達(dá)到65%，水土流失治理效果顯著，平均含沙量2.377kg／m3，比裸地最低值減少57.77%以上；平均徑流量0.121m3，比裸地最低值減少19.74%以上。

（3）從流域治理措施角度出發(fā)，楊家溝小流域以生物措施為主進行水土保持治理與原始生態(tài)環(huán)境下的董莊溝相比較，2012年侵蝕模數(shù)減少2 589.95t／（km2·a），水土保持效果顯著。

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