賈 芳
(山西省水土保持科學研究所)
晉西黃土丘陵溝壑區(qū)是全省水土流失最為嚴重的區(qū)域,為了研究小流域的水土流失規(guī)律和水土保持綜合治理效益,我所在20世紀50年代就選擇了離石縣王家溝小流域作為試驗區(qū)。該流域總面積9.1 km2,地處黃河一級支流三川河流域的北川河東岸,溝壑縱橫,地形破碎,屬典型的黃土丘陵溝壑地貌。在研究方法上,選取王家溝小流域流向一致、地形差別不大、面積基本相同的2條一級小支溝—羊道溝和插財主溝,前者不治理,后者綜合治理,分別在溝口設置測流堰,進行徑流、泥沙對比觀測研究。
羊道溝是王家溝流域主溝左岸的一條支溝,集水面積 0.206 km2。主溝長 752 m,平均比降12.7%,平均坡度 31°,高差 173.5 m。中上部狹窄陡峻,比降28.5%,是土壤侵蝕最為嚴重的地帶;下部溝道較緩,比降2.3%。土壤侵蝕類型主要為水蝕,在溝間地上以細溝、淺溝侵蝕為主。在黃土質(zhì)溝坡,以沖溝、陷穴、滑塌、崩塌等侵蝕為主。溝底為第三紀紅土出露區(qū),除水力侵蝕外,存在較嚴重的瀉溜侵蝕。據(jù)觀測,40°以上的紅土陡坡,年瀉溜侵蝕模數(shù)為48 600 t/km2。由于不治理,地形地貌與土地利用基本保持自然狀態(tài),水土流失的發(fā)生與發(fā)展順其自然規(guī)律。
插財主溝與羊道溝毗鄰,流向一致,自然條件基本相同。集水面積0.193 km2,主溝長776 m,平均比降11.9%,平均坡度 31°,高差167.0 m。中上部狹窄陡峻,比降 32.9%;下部溝道較緩,比降2.33%。治理前,土壤侵蝕形式、強度與羊道溝基本相同。該支溝的水土保持綜合治理從1956年開始,主要采取坡耕地人工修梯田、種草及造林綠化等措施,至1970年底治理面積達0.151 km2,占總面積78.3%。特別是占總面積 65.2%的坡耕地,有90.8%被修成了梯田。由于“集中、綜合、連續(xù)”治理以及采取封禁措施,荒坡植被得以恢復,控制水土流失的作用明顯。
小流域一般由坡面和溝道等不同的地形地貌所組成,徑流起始于坡面,從上到下,從坡到溝運行。按此水土流失規(guī)律,從坡面到溝道,層層設防對徑流進行攔截和調(diào)控,就遏制住了源頭,抓住了解決問題的根本,是控制整個小流域水土流失的正確途徑。歷史的教訓值得警覺,只強調(diào)或顧及某一方面,是不能成功治理水土流失的。插財主溝坡面由于經(jīng)過水土保持綜合治理,增大了地面糙率,截短了徑流流線,加之植被覆蓋率提高,降雨入滲時間、產(chǎn)流和匯流時間相應延長,土壤的入滲量大大增加,坡面形成的徑流量大為減少,故集水區(qū)出口的產(chǎn)流次數(shù)減少,相應的集水區(qū)徑流深、洪峰流量亦減小,洪峰出現(xiàn)時間延長。下面從產(chǎn)流次數(shù)、徑流深、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)時間等方面,對采取了綜合治理措施的插財主溝和未采取任何措施的羊道溝,進行產(chǎn)流特征參數(shù)對比分析。
根據(jù)1956-1970年的觀測資料,羊道溝與插財主溝的產(chǎn)流次數(shù)明顯不同(見圖1)。從圖1可以看出,除干旱嚴重的1961年和1965年僅發(fā)生1次產(chǎn)流外,其余年份的產(chǎn)流次數(shù)為2-17次。15年間,羊道溝共發(fā)生產(chǎn)流117次,年最多產(chǎn)流次數(shù)為17次,年均產(chǎn)流次數(shù)為7.8次;插財主溝共發(fā)生產(chǎn)流99次,年最多產(chǎn)流次數(shù)為16次,年均產(chǎn)流次數(shù)為6.6次。從年均產(chǎn)流次數(shù)看,插財主溝比羊道溝少1.2 次,減少比率為15.4%。
圖1 兩條溝道產(chǎn)流次數(shù)對比圖
根據(jù)1956-1970年的觀測資料,在同樣降雨條件下,無論年渾水徑流深還是清水徑流深,羊道溝均比插財主溝要大很多(見圖2)。15年間,羊道溝總的渾水徑流深為549.6 mm,年最大渾水徑流深為94.9 mm,年最小渾水徑流深為0.8 mm,年均渾水徑流深為36.6 mm;插財主溝總的渾水徑流深為243.7 mm,年最大渾水徑流深為 52.5 mm,年最小渾水徑流深為 0.3 mm,年均渾水徑流深為16.2 mm;從年均渾水徑流深看,插財主溝比羊道溝減少了20.4 mm,減少比率為55.7%。
圖2 兩條溝道徑流深對比圖
為了分析水土保持綜合治理對洪峰流量、洪峰出現(xiàn)時間的影響,選擇了6次典型降雨的特征值(見表1)。從表1可以看出,在次平均產(chǎn)流降雨量為73.8 mm,平均歷時為 587 min,平均雨強為0.165 mm/min情況下,羊道溝的平均產(chǎn)流時間為496 min,而插財主溝的平均產(chǎn)流時間為453 min,二者相比產(chǎn)流時間推遲了43 min;羊道溝的最大洪峰流量為1.39 -4.08 m3/s,平均值為2.58 m3/s,而插財主溝的最大洪峰流量為0.28-2.75 m3/s,平均值為1.33 m3/s,二者相比最大洪峰流量平均值降低了1.25 m3/s,降低率達48.44%。為了進一步分析水土保持綜合治理與不治理對小流域洪水的影響,選擇了1958年7月29日和1970年8月29日2次雨量接近的產(chǎn)流降水,其徑流量對比過程線見圖3。從圖3可以看出,插財主溝和羊道溝相比,時段徑流峰值差異很大,洪峰流量減少,洪峰出現(xiàn)時間推后,1970年8月29日降雨產(chǎn)流時間推遲30 min以上。
表1 典型降雨特征值
圖3 兩條溝道2次暴雨徑流過程線對比圖
從上述定位觀測資料分析,可以得出以下結論:在水土流失治理程度78.3%的情況下,小流域綜合治理對產(chǎn)流的影響很大,相對不治理:年均產(chǎn)流次數(shù)減少1.2次,減少率15.4%;年均渾水徑流深減小20.4 mm,降少率55.7%。在次均產(chǎn)流降雨量、平均降雨歷時和平均雨強相同情況下,治理小流域比不治理小流域,產(chǎn)流時間可推遲43 min,最大洪峰流量平均值可降低48.44%。小流域水土保持綜合治理對產(chǎn)流影響的機理,主要是因為增大了地面糙率,截短了徑流流線,提高了植被覆蓋率,土壤的入滲量大大增加,從而使降雨的產(chǎn)流、匯流時間相應延長,產(chǎn)流次數(shù)減少,洪峰流量減小,洪峰出現(xiàn)時間延長。由此可見,實行小流域水土保持綜合治理,建立層層攔蓄防線,是控制水土流失的可靠途徑。