不同降水强度等级和坡度下水土保持措施减流减沙效益研究

任正龑，张 栋，杨 志，马文涛

(1.宁夏回族自治区水土保持监测总站，宁夏 银川 750002；2.黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021)

黄土高原地区水土流失不仅是黄河泥沙的主要来源，而且是制约当地经济发展和生态稳定的关键因素。为了防治水土流失，我国先后在黄土高原地区实施了一系列退耕还林工程、天然林保护工程等，取得了显著成效。但是随着气候不断变化，暴雨和洪水的频率和强度增加，黄土高原水土保持工作正面临新的挑战。研究黄土高原地区不同降水强度等级下水土保持措施减流减沙效益对于科学评价水土保持措施对水沙的调控作用具有重要意义。本研究选取2014—2019年宁夏海原县树台水土保持试验站所有侵蚀性降雨事件，系统研究不同降水强度等级和坡度下各项水土保持措施的减流减沙效益。

1 研究区概况

海原县树台水土保持试验站位于海原县西南部，清水河一级支流西河上游的园河流域，属黄土丘陵沟壑区第五副区。区域总体地形由东南向西北方向倾斜，地貌以梁、峁、坡、沟、台地为主，地形破碎，千沟万壑，冲沟发育，海拔在1 865～2 045 m之间；属大陆性季风气候区，多年平均降水量360 mm，其中6—9月降水量占全年的近67%，且多以暴雨形式出现，易形成雨洪径流，多年平均蒸发量1 902.4 mm；地表由第四纪黄土覆盖，土层厚度30～80 m，梁峁顶土层较厚，以黑垆土为土壤的构成主体，质地均匀，土壤肥沃，以中壤土质为主；植被类型为干草原类低丛生禾草组，主要草种有长芒草、阿尔泰狗娃花、短柄草、二裂委陵菜、黄花蒿、骆驼蓬、风毛菊等。

试验站设有5°、10°、15°、20°、25°五个坡度级的径流观测场，每个坡度级径流场设4个径流小区，共有不同类型径流小区20个，详见表1。

2 研究方法

根据国家气象局颁布的降水强度等级划分标准(表2)，按照12、24 h降水总量划分小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6个等级。

表2 降水强度等级划分标准

为了定量评价不同水土保持措施的减流减沙效益，选取减流效益(RRB)和减沙效益(SRB)两个评价指标，计算公式分别为

RRB=(RBL-RSM)/RBL

(1)

SRB=(SYBL-SYSM)/SYBL

(2)

式中：RBL、RSM分别为裸地和水土保持措施下径流小区的产流量，mm；SYBL、SYSM分别为裸地和水土保持措施下径流小区的产沙量，t/hm2。

3 结果与分析

3.1 侵蚀性降雨特征

降雨是水土流失发生的直接驱动力。黄土丘陵沟壑区小雨和中雨产流产沙量相对较少，暴雨是水土流失发生的主要原因。本次共统计2014—2019年树台水土保持试验站30场侵蚀性降雨，次降雨量10.0～57.2 mm，平均雨强0.6～27.0 mm/h，最大30 min雨强在1.9～62.1 mm/h范围内波动，见图1。

图1 树台试验站30场侵蚀性降雨特性值

侵蚀性降雨主要集中在4—9月份，7月和8月份累计降雨量最高，分别为320.6、325.4 mm。观测的侵蚀性降雨主要是中雨、大雨和暴雨，其发生频次分别为9、14、7次。暴雨发生频次在7月份最高，为4次；大雨发生频次在8月份最高，为6次；中雨发生频次在8月份最高，为4次。详见图2。

3.2 坡面产流产沙特征分析

不同降水强度等级下各径流小区产流特征见图3。在5种坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表现为最高的产流量，且各土地利用类型的产流量均表现出暴雨>大雨>中雨。坡度5°坡面径流小区中雨、大雨和暴雨条件下裸地(BL)的径流深分别为2.76、3.30、9.65 mm，大雨和暴雨条件下分别是中雨条件下的1.20、3.50倍；中雨、大雨和暴雨条件下天然牧草地(NPL1和NPL2)的平均径流深为0.33、0.34、2.91 mm，大雨和暴雨条件下分别是中雨条件下的1.03、8.82倍；天然牧草地与裸地相比其径流深明显降低。此外，坡度10°、15°坡面径流小区中人工乔木林(AFL)减流效果最好，而在坡度较陡的20°和25°坡面径流小区中人工灌木林地(ASL)的减流效果最好。

图3 不同降水强度等级下各径流小区产流特征

不同降水强度等级下各径流小区产沙量见表3。在5种坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表现出最高的土壤流失量，中雨、大雨、暴雨条件下分别为0.206～1.285、0.416～5.291、6.310～27.052 t/hm2，并且土壤流失量随坡度的增加而增加。与裸地(BL)相比，各水土保持措施下坡面土壤流失量均较小，在中雨、大雨、暴雨条件下天然牧草地(NPL)土壤流失量分别为0～0.053、0.004～0.047、0.044～0.483 t/hm2，人工灌木林地(ASL)土壤流失量分别为0～0.039、0.008～0.145、0.056～0.228 t/hm2，人工乔木林地(AFL)在中雨条件下基本不产生土壤流失，在大雨、暴雨条件下土壤流失量分别为0.001～0.022、0.029～0.099 t/hm2。上述结果表明，人工灌木林地和乔木林地可以更有效地减少原地表土壤流失量。此外，坡度25°以下裸地(BL)土壤流失量随坡度的增加而增加，而水土保持措施作用下土壤流失量并不总是呈现随着坡度增加而增加的趋势。这表明，水土保持措施长期布设后，灌木林、乔木林等能够有效降低坡面的土壤流失量。

表3 不同降水强度等级下各径流小区产沙量

3.3 减流减沙效益分析

不同降水强度等级和坡度下各项水土保持措施减流效益见图4。由图4可知，各项水土保持措施中农地(CL)的减流效益最低，在0.1～0.4之间；各项水土保持措施的减流效益受坡度和降水强度等级共同影响；人工乔木林地(AFL)和人工灌木林地(ASL)的减流效益较高，效益值在0.8附近波动，大雨和暴雨条件下坡度15°时人工乔木林地(AFL)的减流效益最高，坡度20°和25°时人工灌木林地(ASL)的减流效益最高。

图4 不同降水强度等级和坡度下各项水土保持措施减流效益

不同降水强度等级和坡度下各项水土保持措施减沙效益见图5。由图5可知，中雨、大雨、暴雨条件下天然牧草地(NPL)、人工灌木林地(ASL)和人工乔木林地(AFL)减沙效益均接近1，表明这3种水土保持措施均可以有效减少土壤流失量；减沙效益整体表现为人工乔木林地(AFL)>人工灌木林地(ASL)>天然牧草地(NPL)>农地(CL)。在坡度为15°时人工灌木林地(ASL)的减沙效益略低于人工乔木林地(AFL)，在坡度为20°和25°时，两者的减沙效益相当。

图5 不同降水强度等级和坡度下各项水土保持措施减沙效益

4 结 语

本研究依据树台水土保持试验站2014—2019连续6年的径流泥沙观测数据，量化了不同降水强度等级(中雨、大雨和暴雨)和坡度(5°、10°、15°、20°和25°)下4种水土保持措施的减流减沙效益，得出以下结论：中雨、大雨和暴雨是该地区发生频次较高的侵蚀性降雨类型，且集中发生于 7—8 月；所有土地利用类型的产流产沙量均表现出暴雨>大雨>中雨；裸地呈现最高的产流产沙量，且均随坡度的增加而增加；与裸地相比，各水土保持措施下坡面产流产沙量有明显减少，其中人工乔木林地和人工灌木林地的减流减沙效益最高，减流效益在0.8附近波动，减沙效益接近1，在坡度15°时人工乔木林地的减流减沙效益最高，坡度为20°和25°时人工灌木林地减流效益最高，减沙效益与人工乔木林地相当；与中雨和大雨相比，暴雨条件下4种措施的减流效益均有降低，但减沙效益变化不明显。