南小河沟流域不同措施处理下的水土流失规律

2014-01-26李怀有郜文旺

水土保持通报 2014年3期

袁静，张富，李怀有，郜文旺

（1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070；2.黄河水土保持西峰治理监督局，甘肃庆阳745000）

黄土高原的水土流失数千年来从没有停止过，现如今已成为其环境问题治理的焦点［1－2］。长期、频繁而严重的水土流失，带来了很多自然、地理、经济、社会等问题，是造成土地生产力下降、荒漠化加速发展、植被恢复困难，干旱缺水，限制大农业及其他行业生产发展和群众生活贫困的主要原因［3－4］。素有“天下黄土第一塬”美誉的董志塬是黄土高原产流产沙区之一，是甘肃省政府部门及相关技术部门高度重视的重点治理区［5－7］。地表产流产沙过程主要与两个因素相关：一是降雨，降雨特征是由降水量、降雨强度及降雨侵蚀力等决定；二是下垫面，下垫面特征是由地形、土壤、地表覆盖等决定的［8－10］。大量研究表明：植被是防止水土流失的根本途径，植被对降雨可以起到林冠层截留降水、枯枝落叶层储蓄降水的作用；植被覆盖度与土壤侵蚀量之间存在负相关关系，即随着植被覆盖度的增加，坡面土壤侵蚀量将减少［11－13］。但是针对不同水土流失因子研究水土流失形成过程相对较少。本文根据南小河沟水土保持试验站多年的观测资料，通过分析不同降雨、坡度、植被等条件下径流小区内产生的径流量和侵蚀量的变化规律，揭示在不同措施下坡面水土流失规律。这对于采取相应措施调控坡面径流形成过程及如何在坡耕地上结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机理有重大突破；对黄土高原合理利用土地资源，恢复生态系统和发展区域经济有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区设在甘肃省庆阳市西峰区后官寨乡南小河沟试验场，位于甘肃省东部董志塬上，距庆阳市区以西13.0km。试验场主沟道长度2.9km，东西长2.1km，南北宽2.3km，面积4.8km2。有竹儿沟、下马沟、塔山沟、范家沟、岘子沟、湫沟、杨家沟、瓜子沟、董庄沟9条支毛沟，涉及12道梁咀。该区属大陆性季风气候，四季分明，冬春干旱少雨，夏秋雨量适中。年平均降水量为556.5mm，年降水最大值805.2mm、最小值319.8mm，年内降水分布极不均匀，7—9月降水占全年降水的67.3%以上，时空分布差异较大；平均无霜期155d，年平均气温9.3℃，最高温度39.6℃，最低气温－22.6℃，最大日温差为23.7℃，多年平均水面蒸发量1 491.0mm。最大24h降水量为63mm，20年一遇频率时为133.2mm；200年一遇频率时为220.8mm。流域属黄土高原高原沟壑区，除水库外其他均为水土流失面积，属强度侵蚀区。水力侵蚀、重力侵蚀是主要侵蚀形式，流域年径流模数为8 894m3／（km2·a），侵蚀模数为4 350 t／（km2·a），水土流失的危害主要表现为：蚕蚀塬面，减少农田，毁坏道路，损坏庄园，恶化坡面开发利用条件，加重防治难度，加大治理投入，延长治理时限，影响当地生态环境与经济社会可持续发展，给下游带来河道、水利设施冲淤、毁坏等严重危害，阻碍国民经济与生态环境建设发展。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计为研究黄土高原沟壑区不同类型暴雨情况下，对不同坡度、不同地形部位、不同土地利用类型、不同下垫面条件下的径流泥沙来源、数量及所占比例等因素，在南小河沟流域设计影响水土流失的单因子径流场和影响水土保持措施效益的单因子及复合因子组合径流场共计16个。坡长均为20m，宽度5m，投影面积均为100m2，坡度分别为5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°这7个坡度级。

设计2个径流站，分别为杨家沟和董庄沟径流站。杨家沟是为以生物措施为主进行水土保持治理的小流域，径流站布设目的主要是为了研究支沟的治理措施和方法，并了解支毛沟内以生物措施为主的治理效益；董庄沟径流站设在原始生态环境下的董庄沟沟口，与杨家沟形成对比，布设目的主要进行小流域土壤侵蚀类型与特征等方面的试验研究。

1.2.2 试验处理

（1）径流小区。试验共设10个处理（详见表1）。

（2）径流站。杨家沟径流站集水面积0.87km2，观测断面三角量水堰设在沟口，槽长20m，边坡1∶1.5，底坡2%，引水槽为土质，槽身为1∶3水泥沙浆敷面，率定计算公式为：

式中：Q——径流量（m3）；H——过水高度（m）。下同。

董庄沟径流站集水面积1.15km2，观测断面三角量水堰董庄沟沟口，槽长20m，边坡1∶1.5，底坡2%，引水槽为土质，槽身为1∶3水泥沙浆敷面，率定计算公式为：

1.2.3 测定方法南小河沟小流域水土流失监测是西峰水土保持站长期坚持的重点工作。监测设施主要包括：坡面径流场、沟道量水堰（主要监测汛期降雨径流）、气象园和降水指标观测。

（1）降水量测定。为了保证观测质量和遥测系统的正常运行，全年观测雨量站同时配备普通雨量计、自记雨量计、遥测雨量计（翻斗式）。普通雨量计进行全年观测，观测年逐次降水总量，自记雨量计、遥测雨量计进行汛期降雨过程观测。

（2）径流量、泥沙量测定。采用集流桶收集径流泥沙，并且根据小区面积和50a一遇暴雨标准，设计不同的分流级数及各分流桶分流孔数，其中分流桶分流孔高度距分流桶底距离为60cm，一次降雨结束后，采用人工方法分别采集集流桶和分流桶中的浑水样。

取样数据采用比重瓶法（也称置换法）进行计算。具体步骤为：首先量出浑水温度，称出比重瓶加浑水总重量，然后根据不同温度瓶加清水的重量计算沙重。其计算公式为：

式中：W沙——泥沙重量（kg）；W浑——瓶加浑水重（kg）；W清——同温度下瓶加清水重（kg）；K——经验系数（K＝1.59）。

表1 径流小区基本情况

根据得到的泥沙重量和取样瓶体积，分别计算集流桶和分流桶的泥沙含量，再根据观测到的集流桶和分流桶水深、分流桶孔数，计算单个小区一次降雨的产流量、侵蚀量、侵蚀模数、径流深、径流系数等指标。

2 结果与讨论

2.1 流域降雨特征

将高于平均降水量20%的年份定为丰水年，低于平均降水量20%的年份定为枯水年，降水量为二者之间定为平雨年［14－15］。南小河沟流域年平均降水量为556.5mm，2012年南小河沟流域出口站十八亩台测站年降水总量为487.3mm，定义为平水年；汛期（5—9月）降水量为407.3mm，占全年降水量的83.6%（见图1）；要分析侵蚀性降水量的年际变化，首先要确定侵蚀性降雨标准，对于日降雨资料，把日降水量12.0mm作为侵蚀性降雨标准。一般认为只有日降水量达到12.0mm的降雨才会出现土壤侵蚀［16］。根据降水观测结果显示，该流域内2012年侵蚀性降水量为95.3mm，平均降雨强度为14.5mm／h（图2）。

图1 2012年南小河沟流域降水量月变化

图2 2012年南小河沟流域降水量日变化

2.2 不同坡度裸地径流及泥沙流失分析

坡面径流小区1—7，每个小区平均产流3次（分别为5月9日，降雨量40.9mm，降雨强度52.1mm／h；7月21日，降雨量21.4mm，降雨强度3.5mm／h；8月14日，降雨量28.8mm，降雨强度5.0mm／h，平均含沙量44.737kg／m3，平均径流量0.522m3（图3—4）。

图3 不同径流小区2012年平均含沙量随坡度的变化

图4 不同径流小区2012年径流量随坡度的变化

由图3可以看出，随着坡度的增加，平均含沙量呈指数性增长，关系式为y＝4.056 8e0.097x（R2＝0.884 7）。即径流小区的坡度越大，侵蚀量的增量也越大。

由图4可以看出，5°～10°小区径流量随着坡度的增加而减小；10°～20°小区径流量随着坡度的增加而增加；20°～35°小区径流量随着坡度的增加而减少。其原因为：10°以内坡度较缓，随着坡度的增加，实际坡面长度相应增加，即水流的流程增加，水流的渗透量与能量消耗增加，结果使水流流量与流速相应减少；10°～20°小区径流量随着坡度的增加而增加，为黄土高原坡度影响的基本规律；20°为南小河沟流域临界坡度。因为坡面水流的径流量并不会随着坡度的加大而无限的加大：坡度越大的坡面，需要斜面坡长越长才能和坡度较小的坡面受水面积相等，这时即使因为坡度加陡，入渗率减少，但实际入渗水量也有较大增加。所以，随坡度增加，坡面径流量存在一个由大变小的临界坡度，20°为南小河沟流域临界坡度。

2.3 林地措施径流及泥沙流失分析

坡面径流小区8，小区平均产流2次，其中HJ11在5月9日起径流，HJ12在5月9日和7月21日起径流，8月14日未起径流，小区平均含沙量2.377kg／m3，平均径流量0.121m3。与坡面径流小区1—7相比，发现小区8平均含沙量低于小区1—7中最低值5.628kg／m3；平均径流量低于小区1—7中最低值0.151m3。说明无论是降水量大、降雨强度也大，或者是降水量不大、降雨强度较小的情况下，林地径流小区拦截径流、蓄水拦沙效果显著，林地径流小区平均含沙量比裸地径流小区含沙量最低值减少57.77%，平均径流量比裸地径流小区径流量最低值减少19.74%。

2.4 小流域径流及泥沙流失影响因素分析

（1）董庄沟。该沟为非治理沟，尚有完整的天然植被群落，阳坡主要有白草（P.flaccidum）、茭蒿（Artemisia giraldii）、油蒿（Artemisia ordosica）；阴坡主要有白草、小芦苇（Phragmites australis）；沟底多生长喜温喜水性植物，常见的有野青茅（Deveuxia pyramidalis）、穗发草（Deschampsia koelerioides）、大籽蒿（Artemisia sieversiana）、冰草（Agropyron cristatum）、鹅观草（Roegneria kamoji）、野棉花（Anemone vitifolia）等，面积79.47hm2，沟道长度1 450m，沟道比降9.66%，相对高差140m。

（2）杨家沟。该沟为以生物措施为主进行水土保持治理的小流域，根据试验研究与生产、示范的需要，陆续修建了高标准梯田果园、现代化梯田苗圃、油松、侧柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、毛白杨（Populus tomentosa）、旱柳（Salix matsudana）、沙棘、狼牙刺（Sophora viciifolia Hance）、杜仲（Eucommia ulmoides）、银杏（Gilkgo biloba）、山杏（Armeniaca sibirica）等片林，基本形成了以人工林为主体的植被群落。该沟面积62.05hm2，沟道长度1 550m，沟道比降9.67%，相对高差200m。与董庄沟对比，分析不同措施下小流域径流及泥沙量（表2）。

由表2可以看出，以生物措施为主进行水土保持治理的杨家沟流域在年降水量、侵蚀性降水量基本相同情况下，与对比沟董庄沟流域相比，年径流量减少14 345.43m3，输沙量减少2 017.33t，侵蚀模数减少1 589.95t／（km2·a）。