北京市门头沟地区不同水土保持措施的减水减沙效益

刘 栋

(重庆水利电力职业技术学院, 重庆 402160)

北京市门头沟地区不同水土保持措施的减水减沙效益

刘 栋

(重庆水利电力职业技术学院, 重庆 402160)

摘要：[目的] 评价北京市门头沟区水土保持措施的减水减沙效益，为区域水土保持措施的环境效益评估和土壤侵蚀预报参数选择提供依据。 [方法] 根据2005—2009年北京市门头沟区龙凤岭水土保持科技示范园内8个径流小区的产流产沙数据，对不同水保措施的蓄水减沙效益进行分析。 [结果] 坡长不同的径流小区年径流深和土壤侵蚀模数差异显著;梯田和树盘都具有很好的水土保持效益，其减水效益分别达到77.6%和81.0%，减沙效益分别达到84.3%和77.4%；梯田和树盘的影响因子分别为0.17和0.23，玉米、大豆和京白梨的影响因子分别为0.97，0.35和0.85。 [结论] 研究区内工程措施较植物措施具有更好的水土保持效益，且两者相结合的水土保持效益最佳。

关键词：径流深; 土壤侵蚀模数; 水土保持措施; 水土保持效益

水土保持措施是北方土石山区治理水土流失的重要手段[1-4]，树盘措施和梯田措施是山区坡地的重要水土保持措施之一。而通过径流小区研究水土保持措施的减水减沙效益仍是目前重要的方法之一[5-6]。现阶段对水土保持综合治理的研究较多[7-8]，并且还有许多学者利用土壤侵蚀模型或者方程来评价工程措施因子和生物措施因子对土壤侵蚀量的影响[9-12]，但前人往往集中于对防治过程中单一措施对坡面产流产沙的影响，而对整体措施的水土保持效益研究较少，并且由于设计尺寸和施工材料的差异，使得水土保持措施因子的确定和效益评价较为复杂，故尚有许多问题需要进一步探讨。本研究以北京市门头沟区龙凤岭水土保持科技示范园内8个径流小区的多年径流深、土壤侵蚀模数观测数据为依据，分析不同类型的水土保持措施的功效，以期为北京门头沟地区水土保持措施的环境效益评估和土壤侵蚀预报参数选择提供依据,并为水土保持规划和环境治理等提供基础资料。

1研究区概况

1.1　小流域概况

门头沟区位于北京城区正西偏南，地理坐标为115°25′00″—116°10′07″E，39°48′34″—40°10′37″N，东西长62 km，南北长34 km，总面积1 455 km2，其中山区占总面积的98.5%，属于典型的北方土石山区。全区分属永定河、大清河和北三河3个水系，主要隶属于永定河水系。该区属中纬度大陆性季风气候，年平均无霜期200 d左右，降水量年际变化大，最多为970.1 mm，最少为377.4 mm，年平均降水量约600 mm。

1.2　径流小区概况

试验径流小区布设在北京市门头沟区龙凤岭水土保持科技示范园内。该示范园地处樱桃沟小流域,紧邻永定河和109国道,土质为沙壤土,0—20 cm 土层的饱和含水量为31.49%。土壤容重约为1.367 g/cm3，属于沙壤土。本研究选择示范园区内的8个径流小区进行试验，具体试验设计情况详见表1，其中树盘的修建方式为自上至下交错排列，修建密度参考京白梨种植密度，每排修建一到两个树盘，共5排，每个树盘规格为1 m×1 m；梯田修建方式为土坎隔坡梯田，隔坡段长4 m，平坡段1 m，梯田分布自上至下为：隔坡段—平坡段—隔坡段—平坡段。资料来源于2005—2009年年均径流深和土壤侵蚀模数观测数据。

表1　试验地各径流小区概况

1.3　小区内降雨特征

在所有降雨中，只有部分降雨发生地表径流，进而引起土壤侵烛，发生真正意义上的土壤流失，这部分降雨称为侵烛性降雨，本文所研究的降雨特征仅指产流降雨。利用2005—2009年北京门头沟区担礼的23次侵烛性降雨观测资料，分析降雨特征(表2)。本试验区2005—2009年年平均降雨侵蚀力为1 254.23 MJ/(hm2·mm)。

表2　研究区降雨特征统计表

2结果与分析

2.1　径流小区长度对减沙减水效益的影响

不同长度下的径流小区土壤侵蚀模数和径流深如图1所示。由10和20 m裸地径流小区，10和20 m裸地梯田径流小区对比可知，径流深和土壤侵蚀模数与小区长度相关，10 m的裸地径流小区的径流深和土壤侵蚀模数分别为为20 m裸地径流小区的74.4%和63.9%，10 m的裸地梯田径流小区的径流深和土壤侵蚀模数分别为为20 m裸地梯田径流小区的67.7%和70.1%。可以发现，相同条件下，径流小区越长径流深越大。这是因为在土壤侵蚀发生的过程中，坡长是十分重要的一个影响因子，侵蚀发生时间以及侵蚀量的大小均与坡长密切相关[13]，因此减短坡面长度可降低集水区以及径流汇集区的面积，减少径流对土壤坡面的冲刷，从而减少坡面的产流产沙。

图1　不同长度径流小区土壤侵蚀模数及径流深

2.2　不同工程措施对减沙减水效益的影响

试验条件下，不同工程措施下的土壤侵蚀模数和径流深如图2所示。可以看出20 m径流小区条件下，与裸地相比，裸地树盘的减水减沙效益分别是81.0%和77.4%。10 m径流小区条件下，裸地梯田的减水减沙效益分别是77.6%和84.3%，通过对比可以发现，试验条件下树盘措施可以最为有效的降低径流小区内径流深，而梯田则可以有效降低小区内的产沙量。这是因为树盘措施改变了原有的坡面形态，形成了集水坑，并且呈品字形排列，避免地表径流的汇集，增加了对径流的拦蓄[14-15]。而梯田作为有效控制水土流失的工程措施，可以使原有地形变得平整，形成集水平台。与树盘相比梯田一旦溢流易形成明显的溢流口，对下方土壤形成密集的冲刷侵蚀，故其保水能力稍弱于树盘，但是梯田由于其改造地形，形成了集水平台，因而对泥沙有更好的拦蓄作用。

图2　不同工程措施径流小区土壤侵蚀模数及径流深

2.3　植物措施对减沙减水效益的影响

通过对比20 m径流小区内裸地树盘和植物树盘、10 m径流小区内裸地和坡耕地以及裸地梯田和植物梯田内的径流深和土壤侵蚀模数可知(图3)，植物措施可进一步提高减水减沙效益。与裸地相对比，植物覆盖后，树盘的减水减沙效益进一步提高为86.9%和81.0%，梯田的减水减沙效益提高为84.8%和94.5%。这是因为植物根系具有故土作用，并且植物的茎、干、叶也可以起到拦截降雨，减小雨滴击溅侵蚀的作用，起到一定的水土保持效果。裸地、树盘和梯田条件下，植物措施的减水减沙效益分别为5.6%，3.0%，31.25%，15.5%，32.14%，65.24%。由图3可以看出，梯田上植物措施的减水减沙效益最大，裸地上的效益最小，不同工程措施上的植物措施有着不同的减水减沙效果[16-17]。但是效果不如工程措施明显，其原因是：虽然植物措施有上述功能，但是工程措施可以直接改变地形，形成了不同层次集水区域，调控功能明显。而且植物盖度、形态对径流泥沙进行调控有着很大影响。因此，植物措施与工程措施相结合的综合性水土保持措施在坡面上有着更好的水土保持效果。

图3　有无植物措施下径流小区土壤侵蚀模数及径流深

2.4　水土保持措施因子的确定

本研究中以中国土壤流失方程[18]为模型结构：

M=R·K·L·S·B·E·T

式中：M——年均侵蚀量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蚀性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡长因子；S——坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

由方程定义可计算得出径流小区内树盘、梯田的工程措施因子以及大豆和玉米的生物措施因子(表3)。值得注意的是，生物措施因子通常受工程措施因子影响较大[19]，因此单一的分析研究不同植物物种的生物措施因子意义不大，应与工程措施相结合来进行分析，或仅在无资料时起到参考作用。

表3　径流小区工程措施因子及生物措施因子

3结 论

(1) 坡长对径流小区内单位面积上的产流产沙量有着显著影响，年径流深和土壤侵蚀模数随着坡长的增大而增大。径流小区坡面长度从10 m增加到20 m后，其他条件不变的情况下，径流深和土壤侵蚀模数分别增加了34.4%～47.7%和42.1%～56.6%。

(2) 树盘和梯田都具有十分良好的保水保土效益，减水效益分别达到81.0%和77.6%，减沙效益分别达到77.4%和84.3%。相比较而言，树盘措施更能起到减水效益，而梯田措施能更好地起到减沙效益。

(3) 与植物措施相比，工程措施具有更好的水土保持功能，但是将二者结合后会具有更高的水土保持效益。并且植物措施受工程措施影响较大，不同工程措施下辅助的植物措施减水减沙效果差异显著。

(4) 本研究条件下，梯田和树盘的多年平均工程措施影响因子分别为0.17和0.23，玉米、大豆和京白梨的植物措施影响因子分别为0.97，0.35和0.85。

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Benefits of Runoff and Sediment Reductions of Different Soil and Water Conservation Measures in Mentougou Area of Beijing City

LIU Dong

(ChongqingWaterResourcesandElectricEngineeringCollege,Chongqing402160,China)

Abstract：[Objective] The reductions of runoff and sediment by the soil and water conservation measures in Beijing mentougou district were evaluated in order to provide some references for soil erosion prediction and environmental effects evaluation upon soil and water conservation. [Metheds] The benefits produced by different measures of soil and water conservation on reducing runoff and sediments were analyzed with the data from runoff plots(2005—2009) in the synthetic science demonstration park of soil and water conservation. [Results] There existed significant differences of runoff depth and soil erosion modulus among the runoff plots with different length; The benefits of terrace and tree disk mensure had good effects of soil and water conservation, they reduced runoff about 77.6% and 81.0%, respectively; and reduced sediment about 84.3% and 77.4%, respectively. The biological impacting factors of terrace and tree disk mensure were 0.17 and 0.23, respectively; the engineering factors of corn, soybean and developing pear were 0.97, 0.35 and 0.85, respectively. [Conclusion] As compared with biological measures, the benefits of engineering measures behaved better, and the combined benefits of the two measures would be the best in the study area.

Keywords:runoff depth; soil erosion modulus; soil and water conservation measures; benefits of soil and water conservation measures

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)04-0107-04

中图分类号：S157.1

收稿日期：2014-12-23修回日期：2015-01-06

资助项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目“库区坡地绿篱系统保土效益的空间分异规律”(KJ1403602); 重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA20009)

第一作者：刘栋(1987—),男(汉族),甘肃省定西市人,硕士研究生，讲师，主要从事水土保持与土壤侵蚀方面的研究。E-mail:ld5229605@126.com。

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