长江上游坡耕地降雨径流蓄集利用效果评价

梁 川，侯小波，赵燮京，赵小蓉

（1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川省农业科学院土壤与肥料研究所，成都 610066）

长江上游坡耕地降雨径流蓄集利用效果评价

梁 川1，侯小波1，赵燮京2，赵小蓉2

（1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川省农业科学院土壤与肥料研究所，成都 610066）

通过建立反映坡面降雨径流调控工程技术措施、拦截季节性降水、补充作物需水高峰期用水效果的综合评价指标体系，利用模糊多因素层次评价数学模型，对坡面降雨径流调控技术及其降雨径流蓄集和利用状况进行评价分析。计算结果表明，在具有季节性干旱缺水的坡耕地灌溉区域，在不同设计代表年份的降雨情况下均表现出良好的降雨径流蓄集利用效果。因此，通过修建雨水蓄集工程，实施坡面径流调控和水系的合理配置是很有必要的，同时也能为长江上游坡耕地整治与坡地高效生态农业的可持续发展提供科学依据和决策支持。

长江上游坡耕地；降雨径流蓄集；利用效果；评价分析

长江上游坡耕地量大面广、水土流失严重。它是我国坡耕地分布最为集中的地区，坡耕地面积约870万hm2，占全国坡耕地总面积的41%，占区内耕地面积的72%，其中大于25°的坡耕地230万hm2，占区内耕地面积的27%。同时，由于长江上游地区降雨时空分布不均，为限制农业生产发展的主要因素［1］。因此，如何减少坡耕地水土流失，以维护其生产潜力，改善生态环境，满足日益增长的人口对粮食的需求；如何采取有效的坡耕地改造配套工程措施，拦截季节性降水径流，减少地面径流对土壤表层的冲刷，变无效径流为有效灌溉水，形成支撑坡地高效生态农业的坡面配套工程体系，实现抗旱与防洪并举，达到保持水土、保障农业生态安全的目的，是今后相当长一个时期内我国所必须面临和解决的重大问题之一。

尽管目前与长江上游生态环境治理、农业生产条件改善相关的各种项目（如“中低产田改造”、“长治”、“天保”、“退耕还林”和“生态修复”等工程），都把坡耕地改造作为满足粮食需求的基本措施和保障条件。但各地在进行坡耕地改造时，相应的配套措施体系滞后，即使有坡面径流调控配套措施，也大多缺少科学依据，在径流调控和模拟的原理、试验方法、调控工程配套技术等方面尚未开展系统全面的研究工作，同时应用适合的概念模型来评价不同调控措施的影响和作用也还需要进行深入研究［2，3］。因此，建立定量化描述径流调控效应的评价指标体系，并对坡耕地降雨径流调控工程的结构、功能、蓄集和利用的实施效果进行综合评价，不仅为指导当地生产实践和改善生态环境起到一定的借鉴作用，而且能为长江上游坡耕地整治与坡地高效生态农业的可持续发展提供科学依据和决策支持。

1 试验灌区概况

虾子岭流域位于重庆忠县石宝寨镇新政村境内长江北岸边，距忠县城约30 km。该流域试验灌区地形北高南低，最高海拔241 m，最低海拔181 m，最大高差60 m，坡度5%～20%，属典型的丘陵地貌。试验灌区地处暖湿亚热带东南季风区，属亚热带东南季风区山地气候。温热寒凉，四季分明，雨量充沛，年降雨量900～1 200 mm。≥10℃年积温5 787℃，年均温度18.2℃，无霜期341 d，日照时数1 327.5 h，日照率29%，太阳总辐射能350.356 kJ／cm2，相对湿度80%，日照充足。

虾子岭流域试验灌区面积为15.17 hm2，其中有旱地5.16 hm2，占33.9%；水田1.66 hm2，占11.0%；园地2.96 hm2，占19.34%；水域面积约0.36 hm2，占2.2%，其余为草地和农民居住地。目前，试验灌区范围内包括2个小组，小组1有77户，人口250人，人均0.053 hm2，其中冬水田0.005 hm2，园地0.007 hm2，旱地0.012 hm2。小组2有45户，人口176人，人均0.053 hm2，其中冬水田0.02 hm2，园地0.02 hm2，旱地0.013 hm2。

在试验灌区主要粮食作物为水稻、玉米、小麦和红薯。水稻栽培为冬水田种植模式，水稻旱育秧（3月20日至谷雨）、移栽（谷雨移栽至立秋），7月10日左右抽穗扬花，8月25日至9月15日收割。正常年份，水稻产量约7 500～9 000 kg／hm2。2003年遇干旱，水稻产量仅为1 500 kg／hm2左右。2009年夏季的大暴雨，坡面行洪，田坎被冲毁，致使水田无法蓄水，同时又遭遇虫害，当年水稻产量约4 500 kg／hm2。旱地种植模式为小麦－玉米－红薯，每年2～3熟。正常年份，小麦产量约3 750～4 500 kg／hm2，玉米产量约5 250～6 000 kg／hm2，红薯产量约15 000～22 500 kg／hm2。蔬菜种植主要是蕃茄、茄子、海椒和白菜等。主要的农产品价格，水稻0.55元／kg，玉米0.575元／kg，小麦0.45元／kg，红薯0.1元／kg。主要的农资价格，碳铵40元／包（50 kg），尿素100元／包（40 kg），磷肥（奉节产）35元／包（50 kg）。

虾子岭流域试验灌区的地形和坡面降雨径流蓄集工程（农田水利工程）规划示于图1。

2 降雨量分析及设计代表年选择

根据虾子岭流域的地理位置、自然环境和下垫面条件等综合因素，选取双河站作为试验灌区的代表站，并收集整理了1958－2009年共51年测降雨量和蒸发资料。对该站降雨系列进行频率分析，计算得出P－III型分布的统计参数，即多年平均降雨量为1 235 mm，Cv＝0.11，Cs＝2Cv；同时也得到P分别为10%（湿润年）、50%（平水年）和90%（干旱年）3个设计代表年，采用同倍比缩放典型年降雨过程，推求出不同设计典型年逐旬的降雨量值，计算结果见表1。

图1 试验灌区地形与农田水利工程Fig.1 Landform and farm land hydraulic engineerings in the test irrigation district

3 坡面降雨径流蓄集利用效果评价

虾子岭流域坡面降雨径流蓄集和利用综合评价是根据试验灌区自然地形、降雨径流蓄集工程、径流调控措施、田间道路防护、坡耕地改造等，以及结合经济、技术、社会影响和生态环境各个方面构建评价指标体系，通过所建立的评价方法与数学模型，在不同设计代表年份的降雨情况下，对坡面降雨径流调控技术及其水系的合理配置进行综合评价，从而全面地分析降雨径流蓄集利用实施效果。

3.1 评价指标的构建

表1 设计典型年逐旬的天然降雨量Table 1 Ten-day mean natural rainfalls in typical design years mm

在进行虾子岭流域试验灌区现场调研的基础上，针对试验灌区的自然地理条件和农业种植特点，建立坡面降雨径流蓄集和利用评价指标体系的主要目的：①了解坡面降雨径流蓄集工程措施和调控技术的作用、功能及效益；②从认识如何采取有效的坡耕地改造，拦截季节性降水径流，减少地面径流对土壤表层的冲刷，变无效径流为有效灌溉水等几个方面，分析、集成和筛选坡面径流调控的配套工程技术与措施；③通过对各种措施的降雨径流调控机理进行深入分析，并优化各种工程技术，以达到固土保水、调节径流、减少泥沙等功效，进而探析坡耕地地质、地貌特征、降水规律、地面坡度、耕地资源等特征，形成适合于长江上游坡耕地坡面降雨径流调控措施体系和模式；④实现抗旱与防洪并举，达到保持水土和保障农业生态安全的目的。因此，构建评价指标体系应遵循可操作性与指导性相结合的基本原则。

虾子岭流域试验灌区坡耕地坡面降雨径流蓄集和利用分析主要包括3方面的内容：一是降雨径流蓄集工程设施现状分析，侧重于对降雨径流蓄集的农田水利工程（水池、凼和塘）建设及其蓄水和供水能力的分析；二是降雨径流蓄集利用效果分析，侧重于对降雨径流利用效率和效益的分析；三是降雨径流蓄集配套工程措施与调控技术集成可持续性分析，侧重于对降雨径流蓄集工程管理制度和降雨径流调控技术的可持续性，以及配套工程开发的潜力与措施等的综合分析。该试验灌区坡面降雨径流蓄集和利用的综合评价指标体系，包括3个目标层和4个效果层，共14个指标因子，见表2所示。

表2 试验灌区降雨径流蓄集和利用综合评价指标体系Table 2 Integrated evaluation index system of rainfallrunoff storage and utilization in test irrigation district

3.2 评价指标的赋权

熵权法是根据各评价对象指标值来确定各指标权重的一种方法，它反映的是指标因子间的相互比较关系，是比较客观的一种指标赋权方法［4，5］。本文采用熵权法来确定各指标的权重。

3.2.1 计算权重

定义fij为矩阵X的第j层指标下第i项被评价对象指标值的比重，则有

式中：xij为第j层指标的第i项指标值；wj为第j层指标的权重。

3.2.2 指标赋权

使用上述权重计算方法求得各层指标的权重后，对样本矩阵Y进行加权处理，令zij＝wijyij，可得加权后的样本矩阵Z＝（zij）n×p，评价向量为¯di＝（zi1，zi2，…，zip），i＝1，2，…，n。

3.2.3 指标的正交变换

由于多个评价指标之间存在一定的关联关系，并会造成评价信息之间的相互重叠和干扰，因而难以进行客观分类和评价。为了过滤掉指标间相互联系所造成的重复信息，则对原指标值进行正交变换，降低数据噪声。

设Z′Z的特征值为λ1，λ2，…λp（λ1≥λ2≥…λp≥0），对应的单位特征向量分别为α1，α2，…，αp。令A＝（α1，α2，…，αp），对样本矩阵Z作正交变换，即令U＝ZA，则得到新的样本评价矩阵U＝（uij）n×p，新的决策向量记为di＝（ui1，ui2，…，uip），i＝1，2，…，n。

3.2.4 构造理想决策向量

为了求出各决策向量在理想决策向量上的投影，构造理想决策向量，即将每个样本看作一个p维向量，则理想决策向量记为

以各决策向量在理想决策向量上的投影值作为评价指标的权重（见表2）。

3.3 评价模型的建立

结合虾子岭流域试验灌区的自然环境和农业生产实际情况，本文采用模糊多因素三级综合评价方法进行虾子岭流域试验灌区降雨径流蓄集和利用的综合评价。

3.3.1 一级评判

将综合评价指标体系按已分的M大类中的N大亚类，分别进行一级评判，并将其结果作为二级评判时的一个单因素。即

式中：Ci为第i亚类的一级评判结果；Ai和Bi分别为第i亚类中各个因素的权重分配矩阵和隶属度矩阵；Ui为第i个评价指标的隶属度。

3.3.2 二级评判

将综合评价指标体系已分的M大类，分别进行二级评判，并将其结果作为三级评判时的一个单因素。即

式中：Ej为第j类的二级评判结果；Dj为第j类在二级评判中的权重分配矩阵；Cj为第j类的一级评判结果。

3.3.3 三级评判

式中：F为某一方案的综合评价结果；Gk为第k类在整个类中的权重分配矩阵；Ek为第k类的二级评判结果。这里的Gk应满足归一化条件，即

3.3.4 各个评价指标隶属度的确定

评价指标的隶属度Ui是指各个评价指标隶属于缺水的程度，取值在0～1之间。

3.4 综合评价计算与结果分析

3.4.1 评价指标无量纲化处理

设有n个被评价对象，由p个指标来描述，样本矩阵则表示为X＝（xij）n×p。为了消除各指标值量纲和数量级的差异对评价结果造成的影响，首先就要对各评价指标值进行无量纲化处理。

对于正向指标：

对于负向指标：

其中max xij，min xij分别表示第j个指标下各评价样本属性值的最大值和最小值。

经过无量纲化处理后，样本矩阵X转化为矩阵Y＝（yij）n×p，yij∈［0，1］。

3.4.2 实施效果水平标度

针对虾子岭流域试验灌区水系配置和降雨径流调控的特点，并参考国内外有关项目评估的经验［6］，采用灰色理论中的白化权函数，将其坡面降雨径流蓄集和利用实施效果水平按降雨径流蓄集工程设施现状、利用效果、配套工程措施与调控技术集成可持续发展势头等内容分为5个等级，相应的标度值如表3。

表3 降雨径流蓄集和利用实施效果标度值Table 3 Calibration values of performance effect of rainfall-runoff storage and utilization

3.4.3 计算结果分析

根据虾子岭流域试验灌区农业、水利、经济等实际资料和参考四川省相关指标的统计数据［6］，分别针对未实施改造与实施改造后平水年和干旱年2种情形，采用模糊多因素3级综合评价方法，计算得到降雨径流蓄集和利用实施效果水平比较结果见表4。

表4 降雨径流蓄集利用评价结果比较Table 4 Comparison of evaluation results of rainfall-runoff storage and utilization

从表4的综合评价可知，通过开展坡面水系配置和降雨径流调控，使得降雨径流蓄集和利用效果显著提高。未实施改造与实施改造后平水年与干旱年的总评判值从0.505分别提高为0.795和0.908，实施效果水平标度由“一般”上升到“较好”和“很好”标准。同时，还表明当遭遇季节性干旱的程度越大，实施坡地水系配置和降雨径流调控技术的效果也会越大。这一评价结果基本上是符合实际情况的，也说明正是在虾子岭流域试验灌区实施农田水利工程和田间道路工程改造，进而提高了降雨径流蓄集利用和改善农业生态环境所带来的结果。

4 结 语

在国家支撑计划课题的支持下，重庆市忠县虾子岭流域试验灌区实施坡耕地改造前后，通过组装集成就地拦蓄、联合调配、田间防渗等措施，使降雨径流蓄集和利用得到较大的提高，实施效果水平标度由“一般”上升到“较好”和“很好”，反映出坡地分段集雨补灌技术模式，不仅能够增强降雨径流调控能力，而且是保障示范区蓄集和利用降水的安全高效农业关键技术。同时，相关成果对长江上游坡耕地整治与高效生态农业建设发展起到了良好的推进作用，并具有推广意义。

［1］ 杨青华，张 志，杜 军，等.三峡库区下岸溪小流域水土流失现状评估［J］.长江科学院院报，2009，26（4）：53－56.（YANG Qing-hua，ZHANG Zhi，DU Jun，et al.Soil erosion assessment on Xia’anxi small watershed of Three Gorges Reservoir Area［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（4）：53－56.（in Chinese））

［2］ 马根录.植物篱技术在湖北坡耕地治理中的应用和效果分析［J］.长江科学院院报，2009，26（3）：9－12.（MA Gen-lu.Application and benefit analysis of hedgerows technology in sloping farm land imporvment of Hubei Provine［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（3）：9－12.（in Chinese））

［3］ 周利军，齐 实，王云琦，等.三峡库区典型林分林地土壤抗蚀抗冲研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：186－188.（ZHOU Li-jun，QI Shi，WANG Yun-qi，et al.Study on erision of soil in typic trees of Three Gorges Reservoir Area［J］.Research of Soil and Water Conservation，2006，13（1）：186－188.（in Chinese））

［4］ 秦永昊，方维风.营区雨水集蓄利用效果评价模糊数学模型［J］.四川环境，2010，29（3）：140－142.（QIN Yong-hao，FANGWei-feng.Fuzzy Mathematic model for evaluation utilization effect of rain water conllection in barreck［J］.Sicuhan Enviorment，2010，29（3）：140－142.（in Chinese））

［5］ 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2006.（XIE Ji-jian，LIU Chenping.Fuzzy Mathematic Mathod and Application［M］.Wuhan：Huazhong Science and Technology Press，2006.（in Chinese））

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（编辑：王 慰）

Effect Evaluation of Rainfall-Runoff Storage and Utilization w ith Sloping Farm land in Upper Yangtze River

LIANG Chuan1，HOU Xiao-bo1，ZHAO Xie-jing2，ZHAO Xiao-rong2
（1.College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Soil and Fertilizer Institute，Sichuan Academy of Agricultural Sciences，Chengdu 610066，China）

In this paper，the effectevaluation of rainfall-runoff storage and utilization with sloping farmland at Xiaziling Irrigation Test District in Zhong County，Chongqing City，was studied by establishing reasonable fuzzy mathematic model.The integrated evaluation index system，which takes into consideration of building the reservoirs up sloping farmlands，used for regulating rainfall-runoff，intercepting seasonal rainwater and supplying water for crop irrigation requirement，has been advanced.Then the model was used to evaluate collection and utilization of the rainwater in the test areas.The calculated results showed that the good effectivenesswith different natural rainfalls in typical design years was determined.Therefore，it is necessary to regulate the flow of rainfall-runoff and to implementwater into a distribution system in seasonal drought zone.At same time the result can provide scientific basis for furthermore researches of rainfall-runoff storage and utilization on the sloping farmland in the upper reaches of Yangtze River aswell.

sloping farmland in upper Yangtze River；rainfall-runoff storage；utilization effect；evaluation

X824

A

1001－5485（2010）11－0001－05

2010-09-10

“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAD98B02）

梁 川（1957-），男，四川雅安人，教授，从事水文水资源及水环境研究工作，（电话）028-85463699（电子信箱）lchester＠sohu.com。