紫色土区小流域侵蚀产沙对水土保持措施的响应

刘纪根, 任洪玉, 牛 俊, 陈 兰

(长江水利委员会 长江科学院, 武汉 430010)

水土保持是我国生态建设的主体工程，是可持续发展战略的重要组成部分，在减轻区域土壤侵蚀，改善农业生产条件，减轻下游水沙灾害等方面发挥了显著的生态、经济及社会效益[1]。自1989年实施“长治”工程以来，长江中上游实施大规模、高速度的生态环境建设，使该区的土地利用格局和植被覆盖状况在相对短的时期内发生了根本变化，紫色土区流域综合治理对土壤、水文和侵蚀特征产生重大影响。因此，在当前实施退耕还林还草政策，大规模生态恢复重建过程中，分析流域综合治理对径流泥沙影响具有重要现实意义。

水土保持措施对小流域径流泥沙的影响研究主要集中在黄土高原[2-6]，多数研究认为，水土保持措施能够有效地减少小流域的径流、泥沙模数，消减洪峰流量，降低径流含沙量，滞后洪峰出现时间，缩短洪水历时，改变降雨产流、产沙关系[2-3]。在紫色土区，少数研究集中于单项措施的径流小区产流产沙分析上[7-11]，小流域水土保持措施对产流产沙的研究相对比较少，邓贤贵[12]、王学勤等[13]、刘刚才等[14]针对小流域综合治理减水减沙效益开展了一些初步研究，但对降雨产流产沙关系变化的研究还相对比较薄弱。本研究以紫色土区典型小流域为例，探讨水土保持措施实施后流域降雨产流产沙关系的变化规律，以期为紫色土区小流域综合治理和评价提供依据。

1　小流域概况及水保措施实施情况

1.1　小流域自然概况

鹤鸣观小流域位于四川省南部县境内东经105°44′，北纬31°31′。属嘉陵江一级支流西河的一条支流，流域面积为2 km2左右，由3条小支沟组成，河网密度2.37 km/km2。其中Ⅰ号和Ⅱ号支沟为试验沟，其海拔高程分别为409～681，394～680 m。支沟面积分别为0.8，0.42 km2，干流长度分别为0.241，0.350 km，干流平均比降为50‰和310‰。流域成土母质为白垩系下统城墙岩群，土壤以沙土和中壤土为主。该地区气候温和，雨量充沛，属亚热带季风气候。据多年气象观测资料分析，多年平均降雨量为975 mm，多年平均降雨天数为142 d，汛期(5—10月)降雨量占全年降雨量的75%。

Ⅰ号和Ⅱ号支沟林草覆盖率分别为25.45%，21.95%，水土流失面积为0.481，0.243 km2。水土流失面广，侵蚀类型多样，以坡面侵蚀为主，兼有沟蚀、重力侵蚀和母质侵蚀等。1987—1989年、1991—1992年两个阶段对两条支沟进行了水土保持综合治理。Ⅰ号沟内以地面工程为主进行水保措施配置，Ⅱ号沟按以林草措施为主的生物工程治理模式配置。经过两次治理，流域内的土地利用方式发生了很大变化，林草覆盖率均达到50%以上，年产沙降低了70%以上。

1.2　小流域水土保持措施实施情况

1987—1989年在试验小流域进行了水土保持前期治理。Ⅱ号沟以林草措施为主的生物工程治理，植桤木5.33万株、柏树3.74万株、桑树3.14万株、柑橘树800株，发展家庭小果园4处，种马桑、黄荆等10.33 hm2。新开沿山沟、水平沟1.66 km，扩建塘堰2座，新增蓄水量800 m3，治理面积达49.2%。

1991—1992年在前期治理的基础上再次对试验小流域进行治理。Ⅱ号小流域仍以林草措施为主的生物工程治理模式布置，除对原有水利水保工程进行清淤整治外，新开沿山沟11条，计1 700 m，排洪沟300 m，配置蓄水池、沉沙凼15个，以提高对坡面径流、泥沙的调控和拦蓄能力。种植林草7.67 hm2，植用材林7.1万株，薪炭林4.1万株，经济果林0.5万株，地面播种马桑7.5 kg，使流域坡面形成合理的乔、灌、草立体防护体系，从而使流域覆盖率进一步巩固和提高。

1.3　试验场点布设及观测计算方法

1.3.1场点布设在两条试验支沟的出口处，分别建有梯形量水槽、巴歇尔量水堰、三角堰出流3个控制断面观测设施，各断面均设有水标尺，巴歇尔堰和梯形测流断面还分别安有自记水位计，记录洪水水位变化过程，并用人工观测水标尺进行校正。

在每条试验沟内，按不同方位和梯度共设置雨量观测点5个，每个雨量点均安装有自记和人工观测雨量仪器进行降雨的观测。

1.3.2观测计算方法

(1) 观测方法。降雨量观测：汛期采用四段制(14时、20时、2时、8时)，非汛期按一段制(8时)观测，并用人工、自记仪器同步观测、校正。

水位观测：汛期观测采用四段制，非汛期采用两段制，洪水期观测全过程变化。

泥沙观测：洪水时采用直口平底式采样器(1 000 ml)，根据不同水位情况取水样，并做到取水样与水位观测、流速测定同步。样品在室内静置、过滤、烘干等过程测定径流含沙量。

以上各观测项目，均以当日8时—次日8时为日界，其观测值为当日的观测资料。

(2) 计算方法。雨量计算：根据Ⅰ，Ⅱ号试验沟内各雨量点的实测次降雨量及各点的控制集雨面积，用权重法求得各试验沟平均降雨量。

径流量计算：通过观测按照在各控制断面的水标尺和自记水位计，经订正后得到时段、日水深及洪水过程，借助H—Q关系曲线查得时段、日或次洪水过程流量，再查Q—t过程线算出时段、日或次洪水径流量。特殊水深值用流速仪法检测各断面量水建筑物H—Q曲线精度。

输沙量计算：根据一次洪水变化过程，用采用器在0.4 H(40%水深)水深处取样。在取样横断面上，巴歇尔堰每次取3组，梯形槽断面每次取5组样，求得某一水深的平均含沙量，再通过H—Q曲线和Q—t过程线求得一次洪水的总输沙量。

本研究数据来自Ⅱ号支沟1985—2001年监测数据。其中降雨径流泥沙数据1985—1986年共8次，1993—2001年共18次，1987—1992年为治理中的几年。

2　结果与分析

2.1　水土保持措施对流域径流量的影响

影响流域径流量的主要因素包括降雨量和下垫面因素，但起决定因素的是降雨。因此，一般情况，通过建立降雨量和径流量的单变量相关模型即可获得较理想的模拟效果。图1为治理前和治理后的次降雨量与次径流量关系图，采用线性回归分析得到如图所示的直线。治理前(1985—1986年)与治理后(1993—2001年)次降雨与次径流量回归关系：

Q1=185.1p1-2579.8 (n=8，r2=0.93)

(1)

Q2=139.59p2-4653.4 (n=18，r2=0.82)

(2)

式中：p1，p2为治理前后次降雨量(mm)；Q1，Q2为治理前后次径流量(m3)。

图1　治理前后流域次降雨量与次径流量关系对比

比较治理前后径流随降雨的变化率，治理前降雨增多而径流增长率较快，而治理后期则较慢。从图中趋势线的斜率可以看出，流域治理后期的降雨产流量变化率较前期减少，即水土保持使产流量相应减少。随着降雨的增多，水土保持措施对径流的影响效应增强[15]。治理后次降雨量与次径流量的相关关系明显减少，说明水土保持治理后将导致水文过程复杂性增加。根据次降雨量与次径流量的线性拟合公式可以得到治理前和治理后降雨产流的临界降雨量分别是13.94，33.34 mm。水土保持措施可对流域内的径流进行直接拦蓄从而影响流域径流量；另外使流域土地覆被发生一定的变化，从而改变了径流产生与汇集的下垫面条件，间接影响流域径流量[1]。1992年后，随着流域内水土保持措施数量的增加，流域内的水土保持措施逐步发挥了其涵养水源的功能，径流量也逐渐减少，降雨量—径流量关系逐渐趋于平缓。也可以说，在相同降雨条件下，随着水土保持措施的增加，洪水径流流量随之减少。

2.2　水土保持措施对流域产沙量的影响

降雨对流域产沙的影响关系十分复杂，不同时段降雨量、暴雨强度、降雨历时等对流域产、输沙有着不同程度的影响。图2为治理前与治理后流域次降雨量与次产沙量关系图，采用回归分析得到如下所示指数函数关系。

M1=9570.7e0.0297P1(n=8，r2=0.62)

(3)

M2=356.06e0.0231P2(n=18，r2=0.68)

(4)

式中：P1，P2为治理前后次降雨量(mm)；M1，M2为治理前后次产沙量(kg)。

图2　治理前后流域次降雨量与次产沙量关系对比

比较治理前后产沙随降雨的变化，治理前降雨增多而产沙增长率较快，而治理后期则较慢。从图中趋势线可以看出，流域治理后期的降雨产沙量变化率较前期减少，即水土保持使产沙量相应减少。随着降雨的增多，水土保持措施对产沙的影响效应增强。选择了治理前后降雨量大致相当的情况下，径流量与产沙量的变化情况(表1)。从表1中可以看出，在降雨量一致的情况下，治理后径流量与产沙量明显低于治理前，如以1986年9月8日(治理前)，1995年10月13日(治理后)两场降雨为例，其降雨量37 mm左右，治理前径流量2 819.1 m3，产沙量8 715.2 kg，治理后径流量889.1 m3，产沙量882.833 kg，径流量减少68.46%，产沙量减少89.87%。降雨径流产沙统计显示，减水量一般在30%～70%，而减沙量都高于90%，减沙量明显高于减水量。

暴雨强度愈小，降雨量愈少，水土保持径流拦蓄作用愈显著，这与穆兴民等[2]的研究结果一致；但降雨量愈大，泥沙拦蓄作用愈显著。从表中可以看到，降雨量37 mm时，径流量减少68.46%，泥沙量减少89.87%；降雨量60 mm左右时，径流量减少51.62%，泥沙量减少93.03%；降雨量92 mm左右时，径流量减少36.78%，泥沙量减少91.55%。

相同降雨产生的水土流失，未治理的明显大于治理后的。说明采取合理的水土保持措施，可有效抑制水土流失。其原因一是退耕还林还草种植的乔冠草逐渐长大，覆盖度增加，地表糙度增加，促进水分下渗，减少并延缓产流；二是等高种植的草带，逐渐形成地埂，阻止或减缓径流泥沙的流失；三是沿山沟、排洪沟、蓄水池、沉沙凼提高了对坡面径流、泥沙的调控和拦蓄能力。

表1　同雨量情况下的径流侵蚀

2.3　水土保持措施对水沙关系影响

从本质上，水土保持措施减少侵蚀是通过减少地表径流来实现的，通过改变地表坡度(如修梯田)、增加植被覆盖(种树种草)，增加了降雨入渗，减小了径流系数和径流量，使径流的侵蚀、搬运能力减弱，故侵蚀量减少，沉积量增大，因而产沙量减小[16]。图3为治理前后流域次径流量与次产沙量关系图，采用回归分析得到如下所示指数函数关系。

M1=16363e0.0001Q1(n=8，r2=0.58)

(5)

M2=723.75e0.0002Q2(n=18，r2=0.90)

(6)

式中：Q1，Q2为治理前后次径流量(m3)；M1，M2为治理前后次产沙量(kg)。

图3　治理前后流域次径流量与次产沙量关系对比

从公式(1)—(6)可以看出，除次径流量与次降雨量治理前的决定性系数(相关系数的平方)大于治理后的，次产沙量与次降雨量、次产沙量与次径流量治理前的决定性系数都小于治理后的，这与晏清洪等[6]、许炯心[16]在北方的研究有一定的出入。分析其原因，主要产流机制不同，紫色土区产流以蓄满产流为主，北方产流以超渗产流为主，刘淑燕等[17]在黄土丘陵沟壑区的研究表明，当实施水土保持治理后，在一定的雨量雨强情况下，土壤由“超渗产流”变成“蓄满产流”，形成一个相对稳定的入渗率，使得地表径流在形成含沙水流的过程中，土壤含水量一致，形成均质性土壤，导致径流与产沙之间的关系好于治理前。

从图3中可以看出，治理前的水沙关系曲线明显高于治理后的水沙关系曲线，说明治理前的径流泥沙明显大于治理后的径流泥沙，而且随着径流量的增大，产沙量的差距显著增大。累积年径流量与累积年产沙量的关系曲线表明(图4)，1989年后的斜率较1989年前的明显偏小，说明1989年是流域水沙关系的突变点。由于水土保持综合治理的作用，1989年后的多年平均径流量较1989年前减少33.11%，多年平均产沙量减少90.50%。

图4　累积年径流量与累积年产沙量变化曲线

3　结 论

(1) 流域治理后期的降雨产流量变化率较前期减少，随着降雨的增多，水土保持措施对径流的影响效应增强。治理前和治理后降雨产流的临界降雨量分别是13.94 mm和33.34 mm。

(2) 流域治理后期的降雨产沙量变化率较前期减少，随着降雨的增多，水土保持措施对产沙的影响效应增强。流域减水量一般在30%～70%，而减沙量都高于90%，减沙量明显高于减水量。暴雨强度愈小，降雨量愈少，水土保持径流拦蓄作用愈显著；但降雨量愈大，泥沙拦蓄作用愈显著。

(3) 治理前的水沙关系曲线明显高于治理后的水沙关系曲线，治理前的径流泥沙大于治理后的径流泥沙。1989年后累积年径流量与累积年产沙量的关系曲线斜率较1989年前的明显偏小，说明1989年是流域水沙关系的突变点。由于水土保持综合治理的作用，1989年后的多年平均径流量较1989年前减少33.11%，多年平均产沙量减少90.50%。

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