基于SWAT模型新開發(fā)梯田模塊的中國南方紅壤區(qū)梯田水沙及養(yǎng)分流失模擬

邵 輝，高建恩，Claire Baffaut，王克勤，樊恒輝

(1 西北農(nóng)林科技大學 a 資源環(huán)境學院，b 水土保持研究所，c 水利與建筑工程學院，d 國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100；2 中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3 USDA-ARS Cropping Systems and Water Quality Research Unit,Missouri 65211，USA；4西南林業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224)

水土流失造成的水體養(yǎng)分富集、面源污染以及泥沙淤積是我國面臨的嚴重水環(huán)境問題之一。梯田是世界上最古老同時也是應(yīng)用最廣的一種水土保持措施，其通過減短產(chǎn)沙坡長和減小徑流流速，以減少坡面產(chǎn)沙、促進徑流下滲及泥沙和養(yǎng)分的沉積[1-2]。大量研究表明，梯田對于坡面水量水質(zhì)具有明顯的調(diào)控作用。石生新[3]的降雨試驗結(jié)果表明，在雨強1.03 mm/min條件下，水平階結(jié)合造林可減少徑流20%以上，減少產(chǎn)沙60%以上；王萍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，紅壤區(qū)隔坡梯田可使天然降雨條件下的產(chǎn)流減少65.3%，產(chǎn)沙減少80.7%；梁改革等[5]研究表明，隔坡梯田可使作物水分利用效率提高50%以上；張展羽等[6]研究了紅壤區(qū)果園梯田對徑流養(yǎng)分的調(diào)控作用，結(jié)果表明梯田可使徑流中的總氮濃度減少 69.51%；韓玉國等[7]對北方石坎梯田的研究結(jié)果表明，水土保持梯田措施可使總氮流失減少50.5%～91.4%，總磷流失減少40.6%～87.3%。然而受研究手段的限制，如何通過優(yōu)化梯田結(jié)構(gòu)將水土流失控制在環(huán)境容許范圍內(nèi)，目前相關(guān)的研究成果還相對較少。

水文模型不僅可以模擬并預測不同條件下水土保持措施對水量水質(zhì)的影響，且其相對于野外試驗具有變更試驗方案快、模擬成本低等特點[8-10]。因此，利用水文模型評價水土保持措施的流域水環(huán)境效應(yīng)已成為水土保持領(lǐng)域研究的重要方向。目前，在水文模型中多采用調(diào)整模型參數(shù)的方法對水土保持措施進行模擬?；诿绹r(nóng)業(yè)部開發(fā)的土壤水分評價模型(Soil and Water Assessment Tool，SWAT模型)和農(nóng)業(yè)政策環(huán)境擴展模型(APEX模型)，Arabi等[11]及Waidler[12]等采用調(diào)節(jié)徑流曲線數(shù)值(Curve number，簡寫CN值)的方式模擬梯田對水量的影響，通過調(diào)節(jié)坡長以及耕作管理因子(USLE-P因子)模擬梯田對產(chǎn)沙的影響。這種調(diào)節(jié)模型參數(shù)的模擬方法可以在一定程度上反映水土保持措施對水量水質(zhì)的調(diào)控作用，但其只是片面和間接地反映了梯田等水保措施在改變流域坡面地形及促使泥沙和養(yǎng)分沉積等方面的作用。

基于此，Shao等[13]針對亟需研究水土保持措施對流域水循環(huán)影響的實際，選取典型的水土保持措施梯田，開發(fā)了基于SWAT模型的梯田措施水土流失過程模塊，使用美國軟埝水沙資料進行了初步驗證。然而由于中國梯田形式、土壤與地形等特點與美國相比差異較大，本研究利用資料較全的云南澄江縣典型徑流小區(qū)2年徑流、泥沙和總氮實測資料，對SWAT模型梯田模塊的梯田水土流失過程模擬進行進一步驗證，以期為研究中國的水土保持措施對流域水循環(huán)的影響提供新的技術(shù)支撐。

1 SWAT模型梯田模塊

1.1 梯田水沙及養(yǎng)分調(diào)控模型

SWAT模型梯田模塊的數(shù)學模擬已在文獻[13]中給出，針對中國與美國梯田在梯田類型、土壤質(zhì)地、地形條件等方面的差異，特別是對修建在陡坡上且無排水設(shè)施的梯田，其水土流失過程與國外情況有所不同，針對該模式其數(shù)學描述如下。

1.1.1 梯田結(jié)構(gòu)的數(shù)學描述 針對國內(nèi)梯田修建地形復雜、坡度較大、梯田結(jié)構(gòu)描述困難等問題，梯田模型將修建后的原始坡面重新分割為切坡段、平坡段和隔坡段3種坡段，其水平長度分別用Lr、Lb、Lu表示。一般情況下，隔坡梯田中的一個梯田單元包括2個切坡段、1個平坡段和1個隔坡段(圖1)。模型在模擬過程中將整個坡面首先分為若干個形狀相同的梯田單元，梯田單元的各種坡段由各自的坡度和坡長來分別表示和模擬。

圖1 中國南方紅壤區(qū)隔坡梯田坡面示意圖

梯田除了將整個坡面分割為不同坡段外，還造成了一定的蓄水體積(圖2)。這部分蓄水體積可以攔截來自上坡的徑流泥沙等運移物，促進徑流的下滲、蒸發(fā)以及泥沙、養(yǎng)分的沉積。當無排水措施時，僅當來水體積大于蓄水最大體積時才發(fā)生產(chǎn)流產(chǎn)沙。最大蓄水體積計算公式如下：

Vmax=Nt/2·(Lb·tanαb)2·(tan-1αb+tan-1αr)·W。

(1)

式中：Vmax為坡面所有梯田蓄水的最大體積，m3；Nt為坡面上修建的梯田單元個數(shù)；Lb為平坡段坡長，m；αb與αr分別為平坡段和切坡段的坡度(°)；W為垂直于坡向的田埂長度，m。

圖2 中國南方紅壤區(qū)隔坡梯田蓄水示意圖

1.1.2 梯田坡段水沙及養(yǎng)分模擬算法 為反映我國梯田修建后對陡坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，首先利用梯田模塊對梯田不同坡段分別進行模擬，模擬所用到的產(chǎn)流模型為SCS產(chǎn)流方程，該方程的基本形式[14]為：

Qsurf=(Rday-Ia)2/(Rday-Ia+S)。

(2)

式中：Qsurf為模擬日產(chǎn)流量，mm；Rday為日降水量，mm；Ia為初始攔截量，mm；S為滯留系數(shù)，mm。

式(2)中滯留系數(shù)(S)與前期土壤含水量、土壤質(zhì)地、種植作物有關(guān)，當降水量小于初始攔截量(Ia)時，該坡段不產(chǎn)流。

產(chǎn)沙模型采用修正的通用土壤流失方程MUSLE[14-15]，相對于原有的通用土壤流失方程(USLE)，該模型使用徑流因子取代了降雨因子，可模擬單次降雨產(chǎn)沙量。產(chǎn)沙模型的具體形式如下：

SED=11.8(Qsurf·qpeak·A)0.56·KUSLE·CUSLE·PUSLE·LSUSLE·CFRG。

(3)

式中：SED為產(chǎn)沙量，t；Qsurf為日產(chǎn)流量，mm；qpeak為峰值流速，m3/s；A為坡段面積，hm2；KUSLE為USLE方程的土壤可蝕性因子，取值0.013 t·m2·h/(m3·t·cm)；CUSLE為USLE方程的覆蓋及作物管理因子；PUSLE為USLE方程的耕作管理因子；LSUSLE為USLE方程的地形因子；CFRG為粗顆粒因子。

1.1.3 梯田蓄水作用模擬 當坡段模擬完成后，產(chǎn)生的徑流、泥沙以及氮素會蓄積到梯田，梯田的蓄水作用主要體現(xiàn)在促進徑流蒸發(fā)、下滲以及泥沙與氮素沉積等。由于本研究選擇的梯田無排水設(shè)施，梯田蓄水作用模擬使用的徑流、泥沙、氮輸出量計算方法需要進行適用性修改，其計算公式為：

Vov=Vstored+Vflowin-Vevap-Vinf-Vmax，

(4)

SEDov=concsed,ov·Vov，

(5)

Nov=concN,ov·Vov，

(6)

concsed,ov=(SEDstored+SEDflowin-SEDstl)/

(Vstored+Vflowin-Vevap-Vinf)，

(7)

concN,ov=(Nstored+Nflowin-Nstl)/

(Vstored+Vflowin-Vevap-Vinf)。

(8)

式中：Vov為梯田坡面日產(chǎn)流量，m3；Vstored為日初梯田內(nèi)的蓄水量，m3；Vflowin為坡段產(chǎn)流量，m3；Vevap為梯田蓄水蒸發(fā)量，m3；Vinf為梯田蓄水下滲量，m3；SEDov為梯田坡面日產(chǎn)沙量，t；concsed,ov為坡面產(chǎn)流中泥沙的質(zhì)量濃度，t/m3；Nov為梯田坡面氮流失量，kg；concN,ov為坡面產(chǎn)流中氮的質(zhì)量濃度，t/m3；SEDstored為日初梯田內(nèi)的泥沙量，t；SEDflowin為日梯田內(nèi)的產(chǎn)沙量，t；SEDstl為日蓄水泥沙沉積量，t；Nstored為日初梯田內(nèi)的氮蓄積量，kg；Nflowin為日梯田內(nèi)的產(chǎn)氮量，kg；Nstl為日蓄水氮沉積量，kg。

公式(4)中的梯田蓄水蒸發(fā)量(Vevap)在考慮平坡段葉面積指數(shù)條件下進行計算，梯田蓄水下滲量(Vinf)在考慮平坡段土壤水含量條件下進行計算，其計算公式分別為：

(9)

(10)

式中：E0為當日潛在蒸發(fā)量，mm；SA為蓄水蒸發(fā)、下滲或養(yǎng)分沉積發(fā)生前的自由水面面積，hm2；LAItrcb為平坡段葉面積指數(shù)，根據(jù)作物生物量估算[14]；LAIevap為不發(fā)生蒸發(fā)的葉面積指數(shù)，默認值為3.0；Ksat為平坡段表層土壤的飽和導水率，mm/h；SWtrcb為發(fā)生蓄水下滲前平坡段土壤平均含水量，mm；FC為平坡段土壤持水量，mm。

日梯田內(nèi)的產(chǎn)沙量(SEDflowin)為MUSLE方程計算的各坡段產(chǎn)沙量之和，梯田日蓄水泥沙沉積量(SEDstl)根據(jù)用戶設(shè)定的泥沙平衡濃度(concsed,eq)進行指數(shù)衰減計算[15]，計算方法如下：

SEDstl=(concsed,i-concsed,f)·(Vstored+Vflowin)，

(11)

concsed,i=(SEDstored+SEDflowin)/(Vstored+Vflowin)，

(12)

(13)

式中：concsed,i為沉積發(fā)生前蓄水體積中泥沙的質(zhì)量濃度，t/m3；concsed,f為泥沙沉積后梯田蓄水體積中泥沙的質(zhì)量濃度，t/m3；concsed,eq為梯田蓄水體積中泥沙沖淤平衡的最大質(zhì)量濃度，t/m3；ktrc為梯田泥沙的衰減常數(shù)，1/d；t為模擬時間步長(day)，由于無排水設(shè)施，t=1 d；d50為梯田蓄水體積中泥沙的中值粒徑，μm。其中，衰減常數(shù)ktrc可由用戶自定義。

公式(8)中日梯田內(nèi)的產(chǎn)氮量(Nflowin)為不同坡面產(chǎn)量之和[16]。梯田日蓄水氮沉積量(Nstl)采用表征沉積速率方法進行計算[14,17]，計算公式為：

Nstl=10 000·v·SA·concN,i·t，

(14)

concN,i=(Nstored+Nflowin)/(Vstored+Vflowin)。

(15)

式中：Nstl為梯田日蓄水氮沉積量，kg；v為表征沉降速率，m/d；concN,i為沉積發(fā)生前蓄水體積中氮的質(zhì)量濃度，kg/m3。

1.2 SWAT模型中梯田模塊的模擬與驗證

目前，筆者已在SWAT模型中將梯田模擬方法編譯為梯田模擬模塊，并對美國軟埝水沙流失過程進行了初步驗證。為研究SWAT模型中梯田模塊在模擬中國隔坡梯田水量水質(zhì)方面的適用性，本研究采用云南省澄江縣尖山河小流域標準徑流小區(qū)2007-2008年的天然降雨徑流、侵蝕產(chǎn)沙及總氮資料對其進行進一步檢驗。

1.2.1 研究區(qū)概況 驗證資料采集自云南省尖山河小流域的標準徑流小區(qū)。尖山河小流域(24°32′00″～24°37′38″N，102°47′21″～102°52′02″E)位于珠江南北盤江上游巖溶區(qū)域的玉溪市澄江縣，為撫仙湖一級支流，海拔1 722.0～2 347.4 m，總面積35.42 km2，年均降水量1 050 mm[4]。

流域內(nèi)布置有烤煙種植坡地標準徑流小區(qū)，徑流小區(qū)南北順坡設(shè)置，海拔1 773 m。徑流小區(qū)2007年為無梯田坡耕地(以下簡稱為無梯田對照小區(qū))，2008年改造為含有隔坡梯田的徑流小區(qū)[4](圖3，以下簡稱為梯田小區(qū))。小區(qū)底部設(shè)有集流池，池內(nèi)安裝水文尺觀測水位。小區(qū)旁布置有RG2-M自記雨量計記錄降雨過程。每次降雨產(chǎn)流后，在集流池中取樣利用置換法計算泥沙含量。試驗小區(qū)測量的養(yǎng)分數(shù)據(jù)主要包括次降雨水樣中的總氮濃度。

圖3 中國南方紅壤區(qū)隔坡梯田試驗小區(qū)示意圖

試驗小區(qū)在2007-2008年均種植烤煙，每年4月下旬至5月中旬移栽，并在移栽后25 d內(nèi)施肥3次：底肥、提苗肥和追肥。底肥和追肥共計施用煙草專用復合肥(12-6-24)1 020 kg/km2，其中含N量為122.4 kg/hm2，含P量61.2 kg/hm2；提苗肥為烤煙提苗肥(28-0-5)，共計施用45 kg/hm2，含N量12.6 kg/hm2。

1.2.2 SWAT模型梯田模塊數(shù)據(jù)及參數(shù)的選取 SWAT模型梯田模塊所用2007-2008年氣象數(shù)據(jù)，如日降水量、最高最低溫、濕度、太陽輻射強度以及風速由SWAT模型全球氣象數(shù)據(jù)庫下載(http://globalweather.tamu.edu/)，所用數(shù)據(jù)氣象站點位于試驗小區(qū)東北方向約30 km(24°49′19″N，103°7′30″E)。模型所用氣象生成器(WGN)參數(shù)采用SWAT模型輸入?yún)?shù)計算軟件pcpSWAT以及dew/dew02計算獲取。

表1匯總了模擬小區(qū)坡面主要參數(shù)，其中坡度、坡長等地形參數(shù)根據(jù)文獻[4]確定，USLE管理因子(P因子)選用等高耕作的參數(shù)推薦值[14,18]，對照小區(qū)CN值選用低滲透性土壤(土壤水文分組為D)作物條帶種植的推薦值[14，19]?？紤]到梯田小區(qū)修建較晩，土壤疏松，滲透性增強，其CN值選用較低滲透性土壤(土壤水文分組為C)作物條帶種植的推薦值[14, 19]。

研究區(qū)土壤類別為紅紫泥土，土壤物理數(shù)據(jù)由中國土種數(shù)據(jù)庫根據(jù)地點查詢獲取。模型所用土壤參數(shù)根據(jù)所獲取的土種及物理參數(shù)結(jié)合美國土壤-作物-空氣-水(SPAW)模型的土壤參數(shù)模塊計算得出[20-21]。由于隔坡梯田是在原2007年對照小區(qū)基礎(chǔ)上修建的，修建過程中必然導致土壤擾動。因此，部分梯田小區(qū)土壤參數(shù)相對于對照小區(qū)有所變化，具體參數(shù)匯總結(jié)果如表 2所示。

表1 中國南方紅壤區(qū)試驗小區(qū)主要坡面參數(shù)匯總

表2 中國南方紅壤區(qū)試驗小區(qū)主要土壤參數(shù)匯總

1.2.3 SWAT模型梯田模塊參數(shù)的率定 本研究模擬時段為2006-2009年，即以2006年數(shù)據(jù)用于模型初始化。使用2007年無梯田對照小區(qū)日徑流、侵蝕產(chǎn)沙和總氮數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行率定，使用2008年梯田小區(qū)測量數(shù)據(jù)對模型適用性進行驗證?？紤]到試驗測量時間可能晚于實際產(chǎn)流時間，當某次降雨徑流事件長于1 d時，率定或驗證時將多日產(chǎn)流、產(chǎn)沙或總氮計算值合并后與實測值進行對比。

徑流參數(shù)率定主要是對影響坡面產(chǎn)流的土壤飽和導水率進行率定，侵蝕參數(shù)率定是對MUSLE方程作物覆蓋與管理因子年平均最小值USLE-Cmin進行率定。氮模擬選用常用的總氮作為模型驗證數(shù)據(jù)，并對有機氮富集比(ERORGN)以及硝態(tài)氮滲透系數(shù)(NPERCO)進行參數(shù)率定。其余模型參數(shù)均采用默認值。

參數(shù)率定時采用納什系數(shù)(NSE)、中誤差與實測值標準偏差的比值(RSR)及偏差百分比(PBIAS)來評價模擬結(jié)果，其計算公式[22-23]分別為：

(16)

(17)

(18)

參數(shù)率定結(jié)果為納什系數(shù)最高的一組參數(shù)值，本研究中的參數(shù)率定結(jié)果如表 3所示。

表3 中國南方紅壤區(qū)徑流小區(qū)模擬參數(shù)的率定

2 結(jié)果與分析

2.1 基于SWAT模型梯田模塊對紅壤區(qū)梯田徑流的模擬

為驗證SWAT模型梯田模塊的適用性，本研究比較了中國云南尖山河小流域無梯田對照小區(qū)以及梯田小區(qū)的日徑流模擬值與實測值。由圖4可以看出，SWAT模型梯田模塊在無梯田對照小區(qū)與梯田小區(qū)均有較優(yōu)的模擬結(jié)果，大多數(shù)日徑流對比點均分布在“1∶1”對稱線的附近。

圖4 基于SWAT模型梯田模塊的徑流模擬結(jié)果

表 4總結(jié)了SWAT模型梯田模塊在模擬徑流、侵蝕產(chǎn)沙以及總氮時的NSE、RSR和PBIAS指標。Moriasi等[23]研究表明，當徑流模擬結(jié)果的NSE>0.50，RSR<0.70且|PBIAS|<25%(侵蝕產(chǎn)沙和總氮的|PBIAS|合格標準分別為55%和70%，NSE及RSR與徑流標準一致)時，SWAT模型梯田模塊可滿足模擬精度要求。從表 4可以看出，無論無梯田對照小區(qū)還是梯田小區(qū)，模型對徑流的模擬均可以滿足模擬精度要求，且梯田小區(qū)NSE與RSR明顯優(yōu)于無梯田小區(qū)，說明SWAT模型梯田模塊更能反映梯田小區(qū)的產(chǎn)流過程。

表4 中國南方紅壤區(qū)徑流小區(qū)模擬精度定量指標匯總

2.2 基于SWAT模型梯田模塊對紅壤區(qū)梯田侵蝕的模擬

圖5采用對數(shù)坐標比較了無梯田對照小區(qū)及梯田小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量的模擬結(jié)果與實測結(jié)果。由圖5可知，與徑流模擬結(jié)果相似，侵蝕產(chǎn)沙量模擬值與實測值對比點在2個小區(qū)均分布于1∶1線的附近，其中梯田小區(qū)的模擬值與實測值對比點距離1∶1線更加接近。但當實測值較小時，SWAT模型梯田模塊在梯田小區(qū)和無梯田小區(qū)的計算結(jié)果均會出現(xiàn)零值。

根據(jù)侵蝕產(chǎn)沙模擬判定標準[23]，可知SWAT模型梯田模塊在模擬無梯田對照小區(qū)和梯田小區(qū)時均符合模擬精度要求，但梯田侵蝕產(chǎn)沙量模擬結(jié)果相對于實測結(jié)果較為偏低(PBIAS=27.73%)。結(jié)合圖5-B可以看出，導致梯田侵蝕產(chǎn)沙量模擬值偏低的主要原因在于最大一場產(chǎn)沙事件(最高的菱形點)，其為梯田修建后的首場大產(chǎn)沙事件；此外，修建梯田導致的土壤松動也可能是造成該場產(chǎn)沙模擬值偏小的原因之一。另外，短歷時的高強度暴雨也可導致模型產(chǎn)沙的計算偏差。相對于徑流模擬，梯田侵蝕產(chǎn)沙量的模擬精度偏低(侵蝕產(chǎn)沙量的NSE相對于徑流的NSE小)，這與以往部分使用SWAT模型進行的徑流侵蝕產(chǎn)沙的驗證結(jié)果相吻合[24]。

2.3 基于SWAT模型梯田模塊對紅壤區(qū)梯田總氮流失的模擬

在采用2007年無梯田對照小區(qū)總氮數(shù)據(jù)對SWAT模型梯田模塊進行參數(shù)率定的基礎(chǔ)上，采用梯田模塊對2008年梯田小區(qū)總氮進行模擬。結(jié)果(表4)顯示，NSE系數(shù)達到0.61，RSR達到0.60，PBIAS為-12.57%，模擬精度滿足合理性要求，說明SWAT模型梯田模塊可用于坡面尺度梯田總氮流失的模擬。

圖5 基于SWAT模型梯田模塊的侵蝕產(chǎn)沙量模擬結(jié)果

從圖6可以看出，SWAT模型梯田模塊在模擬梯田小區(qū)的總氮時，相對于無梯田小區(qū)其模擬精度更好，說明SWAT模型梯田模塊模擬的梯田調(diào)控作用以及所考慮的參數(shù)，能在一定程度上反映梯田條件下總氮流失的實際情況。

圖6 基于SWAT模型梯田模塊的總氮模擬結(jié)果

2.4 紅壤區(qū)隔坡梯田結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

土壤侵蝕及伴隨流失的土壤養(yǎng)分是目前我國最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一，數(shù)學模型可通過快速變更情景方案模擬不同條件下的土壤侵蝕量。因此，本研究基于前文分析，使用SWAT模型梯田模塊對隔坡梯田不同平坡比及不同梯田單元長度條件下的土壤侵蝕模數(shù)進行模擬，從而可以為梯田結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)。

隔坡梯田設(shè)計主要是確定平坡段與隔坡段長度比值(即平坡比，本研究采用平坡段長度與隔坡段+兩切坡段長度的比值表示)以及梯田單元的長度(即水平投影長度)[5,25]。本研究通過模擬不同平坡比條件下2007-2008年梯田年平均侵蝕模數(shù)與梯田單元長度的關(guān)系，結(jié)合侵蝕模數(shù)控制標準來確定滿足水質(zhì)要求時不同坡長修建單條梯田的最小平坡比，模擬結(jié)果如圖7所示。本研究所采用的侵蝕模數(shù)調(diào)控標準是水利部土壤侵蝕分類分級標準(SL 190-2007)[26]關(guān)于南方紅壤區(qū)的容許土壤流失量，即500 t/(km2·年)，如圖7中虛線所示。在梯田小區(qū)模擬中，所采用參數(shù)除坡長單獨計算外，其余參數(shù)值均采用表 1～3中梯田小區(qū)的相關(guān)參數(shù)值；而在無梯田對照小區(qū)模擬中，則采用對照小區(qū)相關(guān)參數(shù)值。需要指出的是，圖7中所有梯田模擬結(jié)果均是在相應(yīng)坡長條件下，在坡面底部修建單階地梯田的侵蝕模擬結(jié)果，圖中部分侵蝕模數(shù)曲線出現(xiàn)零值是由于全部徑流被攔截而坡面無產(chǎn)流所導致，在梯田結(jié)構(gòu)優(yōu)化時暫不予考慮。

圖7 不同平坡比條件下土壤侵蝕模數(shù)與梯田單元長度的關(guān)系

從圖7可以看出，在未修建梯田時，坡面侵蝕模數(shù)隨坡長的增大顯著增加。而修建梯田后，侵蝕模數(shù)隨坡長的增大同樣表現(xiàn)出增大趨勢。另外，當平坡比小于1∶10.0時，修建單階地梯田的侵蝕控制效應(yīng)相對有限，造成該模擬結(jié)果的原因一方面是由于較小的平坡比創(chuàng)造的蓄水體積較為有限，梯田的泥沙沉積作用不明顯；另一方面，在修建梯田時對原狀土壤造成擾動，梯田土壤可蝕性因子即K值相對于無梯田小區(qū)有所增大，從而增大了梯田小區(qū)的產(chǎn)沙量。

從隔坡梯田優(yōu)化結(jié)果(表 5)可以看出，在坡度小于18.58°、坡長小于40 m的坡地上，修建平坡比大于1∶3.0的單階梯田，坡面侵蝕模數(shù)即可滿足容許土壤流失量控制目標；對梯田單元長度小于20 m的坡地，修建單階梯田的平坡比大于1∶5.0時，可滿足容許土壤流失量的控制目標；而當坡面長度大于50 m后，修建單階梯田已不能滿足容許土壤流失量控制標準(圖7中梯田單元長度50 m對應(yīng)低于虛線的點均為不產(chǎn)流)的要求，故需要修建多階地梯田以控制坡面產(chǎn)沙。

表5 中國南方紅壤區(qū)隔坡梯田結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3 結(jié) 論

針對我國水土保持措施對流域水循環(huán)影響亟需研究而缺乏有效工具等問題，利用南方紅壤徑流小區(qū)水量水質(zhì)資料，采用SWAT模型梯田模塊對隔坡梯田調(diào)控作用進行了模擬驗證，并對隔坡梯田結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明：

1)經(jīng)實測水量水質(zhì)資料驗證，基于SWAT模型開發(fā)的梯田模塊基本可以反映梯田徑流、侵蝕泥沙以及總氮流失過程，模擬結(jié)果均滿足精度要求，表明SWAT模型梯田模塊在模擬中國紅壤區(qū)梯田水土流失過程中有一定的適用性，說明其開發(fā)成功合理，為研究水土保持措施對流域水循環(huán)的影響提供了新的技術(shù)支撐。

2)在坡度小于18.58°，梯田單元長度小于20 m的坡地上，修建單階地梯田的平坡比需大于1∶5.0，這樣才能滿足容許土壤流失量(≤500 t/(年·km2) )控制目標的要求；而當梯田單元長度大于50 m時，需要修建多階地梯田以滿足侵蝕控制指標的需要。

志謝:趙春紅、王宏杰、許秀泉、張元星、王紅、王飛等在本研究數(shù)據(jù)收集與處理過程中提供了幫助與支持，在此一并感謝！

[參考文獻]

[1] Dorren L,Rey F.A review of the effect of terracing on erosion [C]//Boix Fayos C,van Asselen S,Imeson A C,Edi.Briefing Papers of the Second SCAPE Workshop.Cinque Terre,Italy:[s.n.],2004:97-108.

[2] Neibling W H,Thompson A L.Terrace design affects inter-terrace sheet and rill erosion [J].American Society of Agricultural Engineers,1992,35(5):1473-1481.

[3] 石生新.整地造林措施對強化降雨入滲和減沙的影響 [J].土壤侵蝕與水土保持學報,1996,2(4):54-59.

Shi S X.Impact of measures of afforestation with engineering preparation to strengthening rainfall infiltration and reducting sediment [J].Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation,1996,2(4):54-59.(in Chinese)

[4] 王 萍,王克勤,李太興,等.反坡水平階對坡耕地徑流和泥沙的調(diào)控作用 [J].應(yīng)用生態(tài)學報,2011,22(5):1261-1267.

Wang P,Wang K Q,Li T X,et al.Regulation effects of reverse-slope level terrace on the runoff and sediment yield in sloping farmland [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(5):1261-1267.(in Chinese)

[5] 梁改革,高建恩,韓 浩,等.基于作物需水與降雨徑流調(diào)控的隔坡梯田結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].中國水土保持科學,2011,9(1):24-32.

Liang G G,Gao J E,Han H,et al.Optimization of structure of slope-separated terrace based on crop water requirement and control of rainfall runoff [J].Science of Soil and Water Conservation,2011,9(1):24-32.(in Chinese)

[6] 張展羽,張 衛(wèi),楊 潔,等.不同尺度下梯田果園地表徑流養(yǎng)分流失特征分析 [J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(11):105-109.

Zhang Z Y,Zhang W,Yang J,et al.Characteristics of nutrient loss from surface runoff of terraced orchards under different scales [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(11):105-109.(in Chinese)

[7] 韓玉國,李敘勇,段淑懷,等.水土保持措施對徑流泥沙及養(yǎng)分流失的影響 [J].中國水土保持,2010(12):34-36.

Han Y G,Li X Y,Duan S H,et al.Infiltration performance of different land use in loess hilly region [J].Soil and Water Conservation in China,2010(12):34-36.(in Chinese)

[8] Easton Z M,Fuka D R,Walter M T,et al.Re-conceptualizing the soil and water assessment tool (SWAT) model to predict runoff from variable source areas [J].Journal of Hydrology,2007,348:279-291.

[9] Jeong J,Santhi C,Arnold J G,et al.Development of algorithms for modeling onsite wastewater systems within SWAT [J].Transactions of the ASABE,2010,54(5):1693-1704.

[10] Deletic A.Modelling of water and sediment transport over grassed areas [J].Journal of Hydrology,2001,248(1/2/3/4):168-182.

[11] Arabi M,Frankenberger J R,Engel B A,et al.Representation of agricultural conservation practices with SWAT [J].Hydrological Processes,2007,22(16):3042-3055.

[12] Waidler D,White M,Steglich E,et al.Conservation practice modeling guide for SWAT and APEX [R].Texas:Texas Water Resources Institute Technical Report,2011.

[13] Shao H,Baffaut C,Gao J E,et al.Development and application of algorithms for simulating terraces within SWAT [J].Transactions of the ASABE,2013,56(5):1715-1730.

[14] Neitsch S L,Arnold J G,Kiniry J R,et al.Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2009 [R].Texas:Texas A&M University System,2011.

[15] Arnold J G,Williams J R.SWRRB-A watershed scale model for soil and water resources management [M].Colorado:Water Resources Publications,1995.

[16] Du B,Arnold J G,Saleh A,et al.Development and application of SWAT to landscapes with tiles and potholes [J].Transactions of the ASAE,2005,48(3):1121-1133.

[17] Panuska J C.Estimating phosphorus concentrations following alum treatment using apparent settling velocity [J].Jounral of Lake and Reservoir Management,1999,15(1):28-38.

[18] Williams J R.The EPIC model [M].Colorado:Water Resour-ces Publications,1995.

[19] Wischmeier W H,Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:A guide to conervation planning [M].Washington,DC:U.S.Department of Agriculture,1978.

[20] Saxton K E,Rawls W J.Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions [J].Soil Science Society of America Journal,2006,70:1569-1577.

[21] Saxton K E,Willey P H,Rawls W J.Field and pond hydrologic analyses with the SPAW model [C]//Proceedings of the Annual International Meeting of American Society of Agricultural and Biological Engineers.Portland,Oregon:[s.n.],2006:1-13.

[22] Harmel R D,Smith P K,Migliaccio K W.Modifying goodness-of-fit indicators to incorporate both measurement and model uncertainty in model calibration and validation [J].Transactions of the ASABE,2010,51(1):55-63.

[23] Moriasi D N,Arnold J G,Liew M W V,et al.Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations [J].Transactions of the ASABE,2007,50(3):885-900.

[24] Maski D,Mankin K R,Janssen K A,et al.Modeling runoff and sediment yieldds from combined in-field crop crop practices using the Soil and Water Assessment Tool [J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,63(4):193-203.

[25] 高曉玲,蔣定生.隔坡梯田優(yōu)化設(shè)計試驗研究 [J].水土保持研究,1994,1(1):89-98.

Gao X L,Jiang D S.Experimental study on interval slope terrace [J].Research of Soil and Water Conservation,1994,1(1):89-98.(in Chinese)

[26] 中華人民共和國水利部.SL 190-2007 土壤侵蝕分級分類標準 [S].北京:中國水利水電出版社,2008.

Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.SL 190-2007 Standards for classification and gradation of soil erosion [S].Beijing:China WaterPower Press,2008.(in Chinese)