不同降水強度等級和坡度下水土保持措施減流減沙效益研究

任正龑，張 棟，楊 志，馬文濤

(1.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站，寧夏 銀川 750002；2.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

黃土高原地區(qū)水土流失不僅是黃河泥沙的主要來源，而且是制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和生態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為了防治水土流失，我國先后在黃土高原地區(qū)實施了一系列退耕還林工程、天然林保護工程等，取得了顯著成效。但是隨著氣候不斷變化，暴雨和洪水的頻率和強度增加，黃土高原水土保持工作正面臨新的挑戰(zhàn)。研究黃土高原地區(qū)不同降水強度等級下水土保持措施減流減沙效益對于科學評價水土保持措施對水沙的調(diào)控作用具有重要意義。本研究選取2014—2019年寧夏海原縣樹臺水土保持試驗站所有侵蝕性降雨事件，系統(tǒng)研究不同降水強度等級和坡度下各項水土保持措施的減流減沙效益。

1 研究區(qū)概況

海原縣樹臺水土保持試驗站位于海原縣西南部，清水河一級支流西河上游的園河流域，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)。區(qū)域總體地形由東南向西北方向傾斜，地貌以梁、峁、坡、溝、臺地為主，地形破碎，千溝萬壑，沖溝發(fā)育，海拔在1 865～2 045 m之間；屬大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量360 mm，其中6—9月降水量占全年的近67%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成雨洪徑流，多年平均蒸發(fā)量1 902.4 mm；地表由第四紀黃土覆蓋，土層厚度30～80 m，梁峁頂土層較厚，以黑壚土為土壤的構(gòu)成主體，質(zhì)地均勻，土壤肥沃，以中壤土質(zhì)為主；植被類型為干草原類低叢生禾草組，主要草種有長芒草、阿爾泰狗娃花、短柄草、二裂委陵菜、黃花蒿、駱駝蓬、風毛菊等。

試驗站設(shè)有5°、10°、15°、20°、25°五個坡度級的徑流觀測場，每個坡度級徑流場設(shè)4個徑流小區(qū)，共有不同類型徑流小區(qū)20個，詳見表1。

2 研究方法

根據(jù)國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準(表2)，按照12、24 h降水總量劃分小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6個等級。

表2 降水強度等級劃分標準

為了定量評價不同水土保持措施的減流減沙效益，選取減流效益(RRB)和減沙效益(SRB)兩個評價指標，計算公式分別為

RRB=(RBL-RSM)/RBL

(1)

SRB=(SYBL-SYSM)/SYBL

(2)

式中：RBL、RSM分別為裸地和水土保持措施下徑流小區(qū)的產(chǎn)流量，mm；SYBL、SYSM分別為裸地和水土保持措施下徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量，t/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨特征

降雨是水土流失發(fā)生的直接驅(qū)動力。黃土丘陵溝壑區(qū)小雨和中雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對較少，暴雨是水土流失發(fā)生的主要原因。本次共統(tǒng)計2014—2019年樹臺水土保持試驗站30場侵蝕性降雨，次降雨量10.0～57.2 mm，平均雨強0.6～27.0 mm/h，最大30 min雨強在1.9～62.1 mm/h范圍內(nèi)波動，見圖1。

圖1 樹臺試驗站30場侵蝕性降雨特性值

侵蝕性降雨主要集中在4—9月份，7月和8月份累計降雨量最高，分別為320.6、325.4 mm。觀測的侵蝕性降雨主要是中雨、大雨和暴雨，其發(fā)生頻次分別為9、14、7次。暴雨發(fā)生頻次在7月份最高，為4次；大雨發(fā)生頻次在8月份最高，為6次；中雨發(fā)生頻次在8月份最高，為4次。詳見圖2。

3.2 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

不同降水強度等級下各徑流小區(qū)產(chǎn)流特征見圖3。在5種坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表現(xiàn)為最高的產(chǎn)流量，且各土地利用類型的產(chǎn)流量均表現(xiàn)出暴雨>大雨>中雨。坡度5°坡面徑流小區(qū)中雨、大雨和暴雨條件下裸地(BL)的徑流深分別為2.76、3.30、9.65 mm，大雨和暴雨條件下分別是中雨條件下的1.20、3.50倍；中雨、大雨和暴雨條件下天然牧草地(NPL1和NPL2)的平均徑流深為0.33、0.34、2.91 mm，大雨和暴雨條件下分別是中雨條件下的1.03、8.82倍；天然牧草地與裸地相比其徑流深明顯降低。此外，坡度10°、15°坡面徑流小區(qū)中人工喬木林(AFL)減流效果最好，而在坡度較陡的20°和25°坡面徑流小區(qū)中人工灌木林地(ASL)的減流效果最好。

圖3 不同降水強度等級下各徑流小區(qū)產(chǎn)流特征

不同降水強度等級下各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量見表3。在5種坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表現(xiàn)出最高的土壤流失量，中雨、大雨、暴雨條件下分別為0.206～1.285、0.416～5.291、6.310～27.052 t/hm2，并且土壤流失量隨坡度的增加而增加。與裸地(BL)相比，各水土保持措施下坡面土壤流失量均較小，在中雨、大雨、暴雨條件下天然牧草地(NPL)土壤流失量分別為0～0.053、0.004～0.047、0.044～0.483 t/hm2，人工灌木林地(ASL)土壤流失量分別為0～0.039、0.008～0.145、0.056～0.228 t/hm2，人工喬木林地(AFL)在中雨條件下基本不產(chǎn)生土壤流失，在大雨、暴雨條件下土壤流失量分別為0.001～0.022、0.029～0.099 t/hm2。上述結(jié)果表明，人工灌木林地和喬木林地可以更有效地減少原地表土壤流失量。此外，坡度25°以下裸地(BL)土壤流失量隨坡度的增加而增加，而水土保持措施作用下土壤流失量并不總是呈現(xiàn)隨著坡度增加而增加的趨勢。這表明，水土保持措施長期布設(shè)后，灌木林、喬木林等能夠有效降低坡面的土壤流失量。

表3 不同降水強度等級下各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量

3.3 減流減沙效益分析

不同降水強度等級和坡度下各項水土保持措施減流效益見圖4。由圖4可知，各項水土保持措施中農(nóng)地(CL)的減流效益最低，在0.1～0.4之間；各項水土保持措施的減流效益受坡度和降水強度等級共同影響；人工喬木林地(AFL)和人工灌木林地(ASL)的減流效益較高，效益值在0.8附近波動，大雨和暴雨條件下坡度15°時人工喬木林地(AFL)的減流效益最高，坡度20°和25°時人工灌木林地(ASL)的減流效益最高。

圖4 不同降水強度等級和坡度下各項水土保持措施減流效益

不同降水強度等級和坡度下各項水土保持措施減沙效益見圖5。由圖5可知，中雨、大雨、暴雨條件下天然牧草地(NPL)、人工灌木林地(ASL)和人工喬木林地(AFL)減沙效益均接近1，表明這3種水土保持措施均可以有效減少土壤流失量；減沙效益整體表現(xiàn)為人工喬木林地(AFL)>人工灌木林地(ASL)>天然牧草地(NPL)>農(nóng)地(CL)。在坡度為15°時人工灌木林地(ASL)的減沙效益略低于人工喬木林地(AFL)，在坡度為20°和25°時，兩者的減沙效益相當。

圖5 不同降水強度等級和坡度下各項水土保持措施減沙效益

4 結(jié) 語

本研究依據(jù)樹臺水土保持試驗站2014—2019連續(xù)6年的徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)，量化了不同降水強度等級(中雨、大雨和暴雨)和坡度(5°、10°、15°、20°和25°)下4種水土保持措施的減流減沙效益，得出以下結(jié)論：中雨、大雨和暴雨是該地區(qū)發(fā)生頻次較高的侵蝕性降雨類型，且集中發(fā)生于 7—8 月；所有土地利用類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)出暴雨>大雨>中雨；裸地呈現(xiàn)最高的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，且均隨坡度的增加而增加；與裸地相比，各水土保持措施下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量有明顯減少，其中人工喬木林地和人工灌木林地的減流減沙效益最高，減流效益在0.8附近波動，減沙效益接近1，在坡度15°時人工喬木林地的減流減沙效益最高，坡度為20°和25°時人工灌木林地減流效益最高，減沙效益與人工喬木林地相當；與中雨和大雨相比，暴雨條件下4種措施的減流效益均有降低，但減沙效益變化不明顯。