黃土丘陵溝壑區(qū)梯田暴雨侵蝕狀況及規(guī)律分析

賈立志，高建恩，張元星，張夢杰，王顯文，李興華

（1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學院大學，北京100049；3.西北農(nóng)林科技大學 資源與環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；4.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100）

水土流失已成為阻礙黃土丘陵溝壑區(qū)發(fā)展的重要因素之一［1］，退耕還林還草則成為改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境以及防止水土流失的一項戰(zhàn)略性措施。將坡耕地改為高標準梯田并進一步提高耕作技術(shù)會滿足農(nóng)村人口對糧食基本需求，并在一定程度上推動退耕還林還草的貫徹與實施［2］。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)修筑梯田不僅能夠推動水土保持工作的實施，更有利于鞏固退耕還林還草成果［3］。水平梯田在蓄水、保水等方面具有起到了重要的作用［4］?？傮w來說，梯田對于改善農(nóng)田、土壤、以及整個生態(tài)系統(tǒng)都有重要的作用［5］。除此之外，梯田也是確保新形勢下糧食安全重要工程措施，因此興建高標準梯田是必然趨勢。

上世紀80年代竇玉青在統(tǒng)計分析了黃土高原地區(qū)不同地點的梯田的攔沙效益的基礎(chǔ)上，對梯田的防蝕作用進行了理論上的分析。初步得出梯田防蝕是通過減緩徑流流速與分散徑流而達到的［6］。揭曾佑在分析了黃土高原地區(qū)多年的平均降雨資料的基礎(chǔ)之上，得出在黃土高原地區(qū)的月降雨量在100～200 mm之間的情況下，梯田徑流的入滲速率會大于降雨速率，降雨會被截留在梯田內(nèi)不會產(chǎn)生徑流，則不會發(fā)生土壤侵蝕［4］。但是由于黃土高原地區(qū)降水在時間上的分布不均等狀況［1］，導致侵蝕性降雨集中，當面臨百年不遇的特大暴雨時，會在短時間內(nèi)形成大量降雨，降雨速率超過入滲速率即為超滲產(chǎn)流，降雨徑流會對梯田造成嚴重的沖刷，嚴重威脅到梯田的安全。當降雨徑流超過一定的值時，梯田就被沖毀，不僅造成該地水土流失、養(yǎng)分流失等問題。當梯田被嚴重沖毀時，將會造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，嚴重威脅人民群眾的生命與財產(chǎn)安全。因此對暴雨下的梯田侵蝕災害規(guī)律分析研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文基于2013年6月到9月份特大暴雨，在進行對典型梯田進行實地測量的基礎(chǔ)之上，分析梯田的侵蝕量與降雨徑流之間關(guān)系。探求高標準梯田暴雨侵蝕災害的成因以及相關(guān)規(guī)律，并為梯田的修建以及梯田防蝕措施的選取提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣馬家溝流域（109°08′—109°22′E，36°45′—N36°58′N），流域總面積73.7km2，水土流失面積72.3km2，主溝道長約17.4km，溝道比降平均約為6.5‰［7］。流域內(nèi)地形陡峻，溝壑縱橫水土流失嚴重，溝壑密度約為4.5 km／km2，平均土壤侵蝕模數(shù)為14 000t／（km2·a）［8］，屬于重度土壤侵蝕區(qū)，其地形地貌具有很強的代表性。土壤以黃綿土為主要土類，氣候?qū)儆诖箨懶园敫珊导撅L氣候，多年平均降雨量約為520mm，大部分集中于春夏季節(jié)，其中6—9月份降雨約占全年降雨的80%［9］。本文選取馬家溝流域曹新莊梯田作為研究對象。該梯田斷面總共有8級梯田，按照高程從上到下依次為1—8號梯田斷面。梯田主要的種植作物為谷子（Olyza sativa）、土豆（Solanum tuberosum）、玉米（Zea mays）、向日葵（Helianthus annuus）等，各梯田概況如表1所示。

表1 各級梯田概況

1.2 資料獲取

1.2.1 降雨資料獲取 根據(jù)陜西省水利廳所統(tǒng)計的降雨資料［10］，安塞縣2013年6—9月百年一遇特大暴雨總計降雨量為1 000.6mm。具體降雨日分布如圖1所示。

1.2.2 侵蝕資料獲取與處理 結(jié)合當?shù)貙嶋H情況采用水準測量法和制圖學方法相結(jié)合的手段對典型梯田進行土壤侵蝕測量與分析。運用徠卡全站儀［11］對安塞縣馬家溝曹新莊典型梯田進行實地測量，具體步驟如下：（1）選取典型梯田斷面，運用全站儀對梯田地形進行測量，測量內(nèi)容包括：經(jīng)度、緯度、高程；（2）整理資料繪制成圖；（3）待降雨過后再次對該典型梯田進行測量，整理資料繪制成圖；（4）對比兩次測量數(shù)據(jù)并計算得出所需數(shù)據(jù)。

圖1 安塞縣2013年6－9月降雨日分布

運用ArcGIS 9.3專業(yè)軟件平臺，對實地觀測數(shù)據(jù)進行分析處理，具體方法步驟如下：（1）將全站儀所測數(shù)據(jù)導入ArcGIS；（2）用實測坐標數(shù)據(jù)構(gòu)建矢量點格式圖層；（3）運用ArcGIS中3DAnalyst模塊中工具“內(nèi)插構(gòu)建TIN” ；（4）兩次測量數(shù)據(jù)都建立TIN后，用ArcGIS的3DAnalyst模塊中“Surface Analyst”命令，采用兩個TIN圖層作差的方式求得各個梯田斷面匯水面積、侵蝕量、侵蝕面積等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.3 地表徑流量計算 根據(jù)典型梯田坡面的實際地形，每級梯田匯集上面梯田所產(chǎn)生的徑流，并使該級梯田發(fā)生侵蝕，侵蝕產(chǎn)生的泥沙最終在最下一層梯田坡面流失，該梯田坡面2013年6—9月地表徑流量根據(jù)以下公式計算：

式中：W——地表徑流量（m3）；F——匯水面積（m2）；R——該區(qū)6—9月降雨量（mm）；K——徑流系數(shù)。

根據(jù)陜西省水利廳統(tǒng)計的降雨資料，該區(qū)2013年6—9月降雨量為1 000.6mm。據(jù)《延安地區(qū)實用水文手冊》和已有的研究可知該地區(qū)徑流系數(shù)為K＝0.15［13－14］?？梢杂嬎愕贸龈魈萏飻嗝娴牡乇韽搅髁俊?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 梯田斷面侵蝕規(guī)律分析

根據(jù)典型梯田坡面實際地形，坡面中軸線呈西南—東北走向，總面積約為33 654m2，地勢西南高東北低，降雨徑流由西南方向東北方匯集，每一級梯田匯集以上各個梯田坡面的降雨徑流與泥沙，最末一級梯田為泥沙與徑流出口。

在各級梯田中，海拔高度最高的第1級梯田面蝕和溝蝕面積最小，分別占梯田面積的13.1%和1.9%。就面蝕而言，第1，2級梯田屬于輕度侵蝕，第3—6級梯田屬于中度侵蝕，第7，8級梯田面蝕面積分別占梯田面積的54.2%和68.2%，屬于強度侵蝕。就溝蝕而言，第1—5級梯田溝蝕面積均小于10%，屬于輕度侵蝕，第6級梯田為中度侵蝕。第7，8級梯田溝蝕面積均超過15%，屬于強度侵蝕（表2）。面蝕面積從第3級梯田開始增加比較明顯而溝蝕從第6級梯田開始增加明顯。

由于第1—6級梯田匯水面積比較小，在降雨初期主要以雨滴擊濺侵蝕為主，并且很難在短時間內(nèi)形成大量的徑流對梯田斷面形成沖刷。在坡面水流形成初期，水層很薄而且處于分散狀態(tài)，沒有形成巨大的能量，僅僅形成薄層水流引起坡面的薄層剝蝕，沒有形成足夠的水流沖刷下切，所以1—6級梯田主要以面蝕為主。然而由于第7，8級梯田匯集以上坡面所產(chǎn)生的地表徑流，地表徑流量達到一定的值后，水流集中，侵蝕能量增強，會對坡面造成劇烈的下切侵蝕、旁蝕與溯源侵蝕而形成面積較大的侵蝕溝。梯田斷面總體侵蝕規(guī)律為：最上級梯田侵蝕輕微，依次往下梯田侵蝕面積所占百分比逐漸增大并且增加明顯。1—6級梯田主要以面蝕為主，僅發(fā)生輕微溝蝕，第7，8級梯田溝蝕面積明顯增加，面蝕面積也有相應增加，侵蝕總面積占梯田面積75%以上，并且溝蝕所造成的危害比面蝕更加嚴重。

表2 各級梯田侵蝕狀況

2.2 地表徑流與侵蝕量關(guān)系分析

第1—5級梯田的土壤侵蝕量都在50t以內(nèi)，第6級梯田侵蝕量則陡升為168.96t，相對于第5級梯田增加303.5%。第7級梯田的土壤侵蝕量增加則相對比較緩慢僅為19.1%。而第8級梯田則陡升為314.26 t，相對于上一級梯田增加51.2%。由此可以看出隨著梯田級數(shù)的增加，土壤侵蝕量有一個先緩慢增加，然后陡然上升，最后又緩慢增加的一個過程（表3）。

表3 各級梯田侵蝕量與侵蝕模數(shù)

根據(jù)吳欽孝等 的研究，地表徑流量在很大程度上影響著梯田坡面的侵蝕產(chǎn)沙量。梯田斷面地表徑流量對侵蝕產(chǎn)沙量起到了主要的作用，隨著地表徑流量的增加侵蝕量有明顯的增加趨勢。圖2為地表徑流量與侵蝕量經(jīng)回歸分析后建立的關(guān)系，地表徑流量與侵蝕量存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其中第6級梯田侵蝕量增加顯著，主要原因為地表徑流量匯集達到一定的程度，大量的地表徑流致使梯田無法承受強烈沖刷導致侵蝕劇烈。除了地表徑流因素影響外，在一定程度上也與該梯田斷面的土地利用方式有關(guān)。第6級梯田面的土地利用方式為裸地，因此沒有植被的截流以及防蝕措施，裸露的地表無法抵御暴雨以及大量地表徑流的沖刷，必然導致該梯田坡面侵蝕顯著。而第7級梯田坡面的侵蝕量增加率僅為19.1%，主要原因為該斷面種植作物玉米。根據(jù)楊曉芬，吳發(fā)啟等的研究：與裸地相比玉米能夠起到很好的減水減沙作用，并且很好的起到了防止水如流失的作用，其中玉米可減少43.12%的徑流模數(shù)以及56.57%的侵蝕模數(shù)［17］。在下級梯田斷面采取一定的林草措施會起到攔蓄徑流，防止坡面沖刷的作用。第8級梯田侵蝕量又顯著升高，由此可見，當面臨百年不遇特大暴雨時，林草措施很難抵御降雨徑流的沖刷，需要在梯田斷面布置水沙調(diào)控措施層層攔蓄徑流，才能保障梯田斷面的安全。

圖2 地表徑流量與侵蝕量關(guān)系

2.3 地表徑流與侵蝕模數(shù)關(guān)系分析

根據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)2013年6—9月平均侵蝕模數(shù)為20 659.7t／hm2，超過了該區(qū)年平均土壤侵蝕模數(shù)［14 000t／（km2·a）］的47.6%。根據(jù)我國水利部（1986）在《水土保持技術(shù)規(guī)范》［18］中的土壤侵蝕分級，侵蝕模數(shù)大于15 000t／（km2·a）即為劇烈侵蝕［19］，該區(qū)為極劇烈侵蝕。導致該梯田坡面極劇烈侵蝕的主要原因有兩點：（1）該梯田坡面修筑時沒有充分考慮當?shù)貙嶋H降雨以及侵蝕情況，沒有修筑梯田田坎等一系列的攔擋措施。導致大暴雨產(chǎn)生的地表徑流隨坡面流入下一級梯田，不僅導致了徑流對梯田斷面的沖刷侵蝕，還會增加下一級梯田的地表徑流量，對梯田坡面造成嚴重的損壞；（2）該流域2013年6—9月份降雨為1 000.6mm，為該區(qū)年均降雨量的2倍多，僅7月12日一天降雨量達100mm。根據(jù)王萬忠等人對黃土高原地區(qū)降雨與水土流失的關(guān)系分析可知，造成該區(qū)土壤侵蝕的主要原因為短歷時、高強度的暴雨［20］。大量降雨致使梯田斷面來不及入滲，再加上黃土結(jié)構(gòu)疏松［21］以及滲透性較低［22］，導致了地表徑流對梯田坡面沖刷嚴重。

由表3可以看出，1—5級梯田2013年6—9月份都小于15 000t／km2，第6級梯田侵蝕模數(shù)較第5級梯田侵蝕模數(shù)增加率為82.13%，第7，8級分別為74.4%和14.4%。各級梯田侵蝕模數(shù)的變化趨勢和侵蝕量的變化趨勢類似，都經(jīng)過一個緩慢增加然后陡升，最后又緩慢增加的一個過程。第7，8級梯田侵蝕模數(shù)達到47 244t／km2和54 048t／km2，分別為該區(qū)年平均侵蝕模數(shù)的3.4倍和3.9倍。影響各級梯田侵蝕模數(shù)變化的因素有梯田面積、地表徑流量、防蝕措施等，其中主要因素是地表徑流量。

圖3為地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)之間關(guān)系圖?？梢钥闯銮治g模數(shù)與地表徑流量存在顯著的關(guān)系。經(jīng)回歸分析可得侵蝕模數(shù)和地表徑流量關(guān)系式為：

式中：Ms——土壤侵蝕模數(shù)（t／km2）；W——地表徑流量（m3）。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)的最大容許土壤流失量為1 000t／（km2·a）［19］，但是由于實地條件的限制，該區(qū)的侵蝕模數(shù)控制在年平均侵蝕模數(shù)［14 000t／（km2·a）］即可?？汕蟪鲈搮^(qū)6—9月份降雨量臨界值為475mm，可知該區(qū)6—9月月臨界降雨量為118.8mm。

圖3 地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系

2.4 梯田防蝕措施探究

根據(jù)以上研究可知梯田的土壤侵蝕量與地表徑流量呈顯著相關(guān)，所以控制梯田侵蝕的關(guān)鍵是控制地表徑流量。在降雨量一定的條件下，應通過控制該地區(qū)徑流系數(shù)與匯水面積或改變微地形條件來減少地表徑流量，進而達到減少徑流對梯田坡面的沖刷的目的。但是僅僅采取林草措施不足以抵御百年不遇大暴雨的沖刷，因此需要采取工程措施對梯田進行水沙調(diào)控設(shè)計來對坡面徑流層層攔蓄，以達到防止梯田侵蝕的目的。

根據(jù)黃土高原丘陵溝壑區(qū)的實際情況，主要的工程措施采取修建反坡梯田與梯田田埂相結(jié)合來對水沙進行調(diào)控。反坡梯田是廣泛應用于黃土丘陵溝壑區(qū)的一種水土保持工程措施。其主要特征為：梯田反坡修筑，梯田外部高于內(nèi)部，即梯田斷面向梯田根基部位傾斜成一定角度［23］。反坡梯田在一定程度上可以截斷地表徑流，如此一來，既減少了徑流對下一級梯田斷面的沖刷，減少了侵蝕，又將徑流分別存蓄在梯田斷面內(nèi)，形成小型的蓄水系統(tǒng)。對于改良土壤理化性質(zhì)、蓄水保肥、提供農(nóng)作物產(chǎn)量都起到了關(guān)鍵的作用。因此可根據(jù)當?shù)貙嶋H地形修建反坡梯田的坡度一般在3°～5°為宜。梯田田埂是分布于梯田外圍的主要用于減水減沙的埂坎，其具有攔蓄徑流、防止侵蝕、保水保肥等作用［24］。根據(jù)梁改革等人的研究梯田斷面泥沙淤積大都小于30cm，因此該區(qū)梯田田埂修建可按照梯田設(shè)計規(guī)范中30cm修建［25］。

3 結(jié)論

（1）該區(qū)2013年6—9月份平均侵蝕模數(shù)超過年平均侵蝕模數(shù)47.6%。在黃土丘陵溝壑區(qū)，6—9月降雨量臨界值為118.8mm，當降雨量超過這一值時，梯田面將遭受嚴重的侵蝕。

（2）造成梯田侵蝕嚴重的因素有多種，其中地表徑流量為主要考慮因素。梯田田面溝蝕和面蝕狀況都非常嚴重，由于地表徑流量的增加，下級梯田侵蝕比上級梯田嚴重，侵蝕面積最高可占梯田面積的86.8%。因此，梯田底部僅采取林草措施無法有效的防止侵蝕，還需要運用水沙調(diào)控等水保工程措施達到防止土壤侵蝕的目的。

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