阳坡小流域径流场产流产沙特征研究

孙雁君 张 敏

（山西省水土保持科学研究所）

黄土高原是我国水土流失重灾区，恶劣的自然条件和不合理的土地利用方式，进一步加剧了水土资源破坏和生态环境恶化，成为阻碍区域社会经济发展和推进生态文明建设的总根源。小流域是黄土高原水土流失的基本单元，掌握小流域产流产沙规律，研究针对性防治措施，对于加快黄土高原水土流失综合治理、改善农业生产条件和生态经济环境具有重大意义。为此，我所于2012年在阳坡小流域建立径流场，开展降雨和产流产沙定位连续监测。基于径流场2015-2017年的监测成果数据，定量分析了小流域产流产沙特征和不同水土保持措施对坡面产流产沙的影响，可为水土保持生态环境建设提供理论支撑。

1 监测区概况

研究区地处黄河一级支流汾河上游，位于太原市阳曲县北小店乡阳坡小流域，地理坐标为东经112°14′31″、北纬38°14′34″。流域内的沟道呈叶脉状分布，具有较为典型的黄土高原地貌特征，自然条件较差，土壤侵蚀类型以水蚀为主，属石质山地低覆被中度侵蚀类型区（Ⅲ）。年均降水量500 mm，其中4-10月份降雨量占年降水量80%以上，暴雨集中发生在7-8月份，强度大、历时短，是引起水土流失的主要外动力。年均气温9.6℃，无霜期188 d。土壤以褐土为主，主要类型有淋溶褐土和山地褐土。自然植被以油松、杨树、桦树、沙棘、虎榛子、蒿草、菅草等为主，农作物以谷子、马铃薯、胡麻为主，植被覆盖率低。该小流域经过多年的水土流失综合治理，治理度达到了70.7%，在其内建立径流场进行水土流失监测具有一定的代表性。该监测点2012年经水利部验收通过，现已列入全国水土流失动态监测与公告项目范畴。

2 监测内容与方法

2.1 径流小区布设

根据《水土保持监测技术规程》（SL277-2002）和《水土保持监测设施通用技术条件》（SL342-2006）规定，阳坡小流域径流场共集中布设了10个标准径流观测小区，每个小区水平投影面积100 m2（长20 m×宽5 m），土壤条件均一，坡度分18°和15°两种。小区边界采用不渗水、不吸水的水泥预制板材料，基础埋深30 cm，地表出露20 cm。小区之间设有保护带，以消除边界效应。排洪系统设置在易受洪水威胁的径流小区上部和左右两侧，以防止外来水进入小区。集流槽位于径流小区下部，采用金属板材料，槽身表面光滑，不易拦挂泥污。分流桶和集流桶安置在小区下方阶梯式平台上，采用镀锌铁皮制作，长方体结构，规格：长60 cm×宽60 cm×高70 cm，桶顶部均进行加盖处理。分流桶采用一级分流形式，内部放置过滤网以防止杂草等杂物堵塞分流孔；前壁设有7个大小一致、排列均匀的分水孔，孔高40 cm；中间一孔连接导流管，溢流由中间一孔导入集流桶中。径流小区基本情况详见表1。

表1 径流小区基本情况

2.2 监测内容和方法

根据监测区的降雨分布特点，每年的监测时段均为4-10月，在自然降水条件下主要监测以下数据。

2.2.1 降雨量

在径流场内设置太阳能自动气象站，利用翻斗式数字雨量计，全天候实时观测日降雨量、次降雨量及降雨过程等，数据采集时间间隔设定为5 min。主要监测指标有降雨起止时间、降雨历时、降雨量、降雨强度、最大30 min雨强I30、降雨侵蚀力等。

2.2.2 产流量

为防止径流水分蒸发或测流设备漏水造成的径流量减少，每次降雨产流后及时观测分流桶和集流桶内水位，每个桶各重复测量3次，取算术平均值求得次径流量。将一年中的次径流量累加得到年径流量，经单位换算得年径流深。主要监测指标有产流次数、小区径流量、径流深、径流系数等。

2.2.3 产沙量

产流量测量结束后，按小区对分流桶和集流桶进行泥沙取样，每桶各取3个重复样，取样结束后将样品带回室内，采用烘干法测定次降雨径流含沙量，并结合径流量计算出次降雨侵蚀产沙量。若集流槽内有泥沙沉积，则将泥沙全部取出晾干、称重，参与泥沙总量计算。将年内次降雨侵蚀产沙量累加，得年降雨侵蚀产沙量。主要监测指标有含沙量、土壤流失量等。

3 监测结果与分析

3.1 监测结果

降雨是影响坡面产流产沙的主要动力。2015-2017年间的4-10月，共监测到降雨46次，其中：2015年14次，降雨量379.0 mm；2016年16次，降雨量444.2 mm；2017年16次，降雨量532.0 mm。10个径流小区三年间的降雨、产流、产沙监测结果详见表2。

表2数据，经皮尔森相关性检验，降雨量与产流量呈显著性相关（P<0.01），相关系数0.470，产流量随降雨量的增加而增加。10个小区三年间的产流量、产沙量，分别与产流次数呈显著性相关（P<0.01），相关系数分别为0.736和0.707，即产流量和产沙量均随产流次数的增加而增加。

3.2 产流分析

从2015-2017年径流场的累计产流结果（图1）可以看出：首先，在降雨量相同的条件下，由于缺乏植被覆盖，产流次数最多、产流量最大的是裸地小区，其中Sxyp008小区三年间的径流深总计可达252.5 mm，产流总量位居第一；Sxyp003小区径流深为235.8 mm，与前者无明显差异。其次，产流量较大的为农地小区，其产流次数仅次于裸地小区，主要原因是农地小区不仅作物种植密度较稀、作物盖度较低，而且耕作时所受人为扰动程度较大之故；Sxyp010小区（马铃薯）径流深为176.9 mm，Sxyp009小区（胡麻）径流深为138.3 mm，两者产流量存在的差异，可能与马铃薯作物盖度低于胡麻，并且主要收获部分生长在地下，其生长必定会对土壤结构造成一定程度的影响有关。荒地小区的产流量明显小于裸地和农地，其原因主要是自然植被密度较大、覆盖度较高，且土壤基本不受人为干扰，对坡地径流具有一定的调节作用，故产流量较小；Sxyp004小区的植被覆盖度低于Sxyp007小区5%，故Sxyp004小区径流深36.0 mm，Sxyp007小区径流深20.2 mm，由此可见，植被盖度对产流量影响很大。

表2 径流场产流产沙监测成果表

图1 2015-2017年径流场累计产流结果分析

由图1可知，水土保持措施小区的保水效益明显，并且不同措施间还表现出一定的差异。Sxyp005小区（油松）、Sxyp006小区（黄刺玫）均为植物措施，植物地上部枝叶截流效果较好，地下根系对土壤结构和入渗能力具有一定的改善作用，可以储存和疏导水分，进而减少坡面径流的产生，起到了较好的保水效果。Sxyp005小区较Sxyp006小区，其植被覆盖度低15%，前者径流深为20.1 mm，而后者径流深仅为8.6 mm。

为了研究水土保持措施对坡面产流的控制作用，在10个径流小区中选取坡度相同主要依靠自然恢复植被的荒地Sxyp004小区作为对照小区，Sxyp005、Sxyp006小区的径流深分别比对照小区减少15.9 mm和27.4 mm，其保水效益分别达44.17%和76.11%。Sxyp001、Sxyp002小区除植物措施外，还修建了工程措施，鱼鳞坑+黄刺玫小区的径流深为5.3 mm，鱼鳞坑+油松小区的径流深为4.3 mm，两者差异甚微，其中后者的产流总量在所有小区中最小。与同坡度的对照小区相比较，Sxyp001、Sxyp002小区的径流深分别减少30.7mm和31.7 mm，保水效益分别达85.28%和88.06%。

3.3 产沙分析

根据表2，通过对径流场各小区2015-2017年的土壤侵蚀产沙量与产流量进行回归分析，结果均呈显著正相关（P<0.01），相关系数为0.940，即径流深越大，土壤侵蚀产沙量越大，两者的变化趋势一致。产沙量最大的为裸地小区，其次为农地小区（见图2）。三年间的累计土壤流失量：裸地小区中的Sxyp008最大，达4 702.12 t/km2；Sxyp003小区次大，为3 647.07 t/km2；农地小区Sxyp010（马铃薯）第三，为3 002.80 t/km2；Sxyp009小区（胡麻）第四，为1 485.31 t/km2。Sxyp010小区是Sxyp009小区的2.02倍，可见坡地耕作极易导致发生严重的水土流失，由于作物种类不同，种植方式与密度不同，雨季的植物盖度也不同，故水土流失程度有所差异。

除上述小区外，其余6个径流小区尽管也产生了一定的径流，但其含沙量很低，因此土壤流失量均非常小。荒地小区Sxyp004和Sxyp007，自然植被生长较快，覆盖度较高，具有较强的抗冲保土能力，故产沙量较小，土壤流失量分别为73.14 t/km2和44.31 t/km2，其产沙量远小于裸地和农地。由此可以得出结论，在具有一定降水量的水土流失地区，通过生态的自我修复能力恢复植被，可加快水土流失防治速度，使生态环境走向良性循环。

图2 2015-2017年径流场累计产沙结果分析

植物措施小区Sxyp005（油松）的土壤流失量为65.67 t/km2，Sxyp006小区（黄刺玫）土壤流失量为54.95 t/km2。将相同坡度的荒地小区Sxyp004作为对照，则土壤流失量分别减少7.47 t/km2和18.19 t/km2，二者的保土效益分别为10.21%和24.87%。具备工程措施和植物措施的Sxyp001、Sxyp002小区，土壤流失量甚微，鱼鳞坑+黄刺玫小区为38.96 t/km2，鱼鳞坑+油松小区仅为29.51 t/km2，其累计产沙总量在所有小区中最少。与对照比较，Sxyp001、Sxyp002小区的土壤流失量分别减少34.18 t/km2和43.63 t/km2，二者的保土效益达46.73%和59.65%。由此说明，在降雨、地形和土壤条件均相同的情况下，坡地采用工程整地后栽种植物，水土流失可以得到有效控制，效果显著。

4 结论与讨论

（1）降雨量对产流量有显著影响，呈正相关关系，但降雨量与产沙量无显著相关性。产流量和产沙量均随产流次数的增加而增加，产流量与产沙量之间具有极显著的相关性。

（2）影响产流产沙的因素众多，且作用过程复杂，除降雨因素外，不同的土地利用类型与植被覆盖度对水土流失的影响不同，裸地小区的径流量和土壤流失量最大，农地小区次之，荒地小区居中，而水土保持措施小区的径流量和土壤流失量最小。

（3）植物措施作为水土保持措施的重要组成部分，在防治水土流失、保水保土方面起着积极的重要作用。林草植被通过林冠截流、林下草灌和枯枝落叶层的拦蓄滞流，以及植物根系对土壤的固结作用，从而可实现保持水土、涵养水源、改善土壤肥力。产流量和产沙量与地表植被覆盖度关系密切，植被覆盖度越高，其产流产沙量越小，防治水土流失的效果越好。因此，在黄土高原地区治理水土流失中，必须把植被恢复与再造作为重要手段。分析研究结果还表明，水土保持工程措施对坡面径流和泥沙具有较好的削减作用，对缓解小流域坡地水土流失具有重要意义。因此，在水土流失治理中，必须采取植物措施与工程措施相结合。