劉紀(jì)根, 任洪玉, 牛 俊, 陳 蘭

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院, 武漢 430010)

水土保持是我國(guó)生態(tài)建設(shè)的主體工程，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，在減輕區(qū)域土壤侵蝕，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，減輕下游水沙災(zāi)害等方面發(fā)揮了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[1]。自1989年實(shí)施“長(zhǎng)治”工程以來，長(zhǎng)江中上游實(shí)施大規(guī)模、高速度的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，使該區(qū)的土地利用格局和植被覆蓋狀況在相對(duì)短的時(shí)期內(nèi)發(fā)生了根本變化，紫色土區(qū)流域綜合治理對(duì)土壤、水文和侵蝕特征產(chǎn)生重大影響。因此，在當(dāng)前實(shí)施退耕還林還草政策，大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)重建過程中，分析流域綜合治理對(duì)徑流泥沙影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

水土保持措施對(duì)小流域徑流泥沙的影響研究主要集中在黃土高原[2-6]，多數(shù)研究認(rèn)為，水土保持措施能夠有效地減少小流域的徑流、泥沙模數(shù)，消減洪峰流量，降低徑流含沙量，滯后洪峰出現(xiàn)時(shí)間，縮短洪水歷時(shí)，改變降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系[2-3]。在紫色土區(qū)，少數(shù)研究集中于單項(xiàng)措施的徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙分析上[7-11]，小流域水土保持措施對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究相對(duì)比較少，鄧賢貴[12]、王學(xué)勤等[13]、劉剛才等[14]針對(duì)小流域綜合治理減水減沙效益開展了一些初步研究，但對(duì)降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系變化的研究還相對(duì)比較薄弱。本研究以紫色土區(qū)典型小流域?yàn)槔?，探討水土保持措施?shí)施后流域降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系的變化規(guī)律，以期為紫色土區(qū)小流域綜合治理和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1　小流域概況及水保措施實(shí)施情況

1.1　小流域自然概況

鶴鳴觀小流域位于四川省南部縣境內(nèi)東經(jīng)105°44′，北緯31°31′。屬嘉陵江一級(jí)支流西河的一條支流，流域面積為2 km2左右，由3條小支溝組成，河網(wǎng)密度2.37 km/km2。其中Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)支溝為試驗(yàn)溝，其海拔高程分別為409～681，394～680 m。支溝面積分別為0.8，0.42 km2，干流長(zhǎng)度分別為0.241，0.350 km，干流平均比降為50‰和310‰。流域成土母質(zhì)為白堊系下統(tǒng)城墻巖群，土壤以沙土和中壤土為主。該地區(qū)氣候溫和，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。據(jù)多年氣象觀測(cè)資料分析，多年平均降雨量為975 mm，多年平均降雨天數(shù)為142 d，汛期(5—10月)降雨量占全年降雨量的75%。

Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)支溝林草覆蓋率分別為25.45%，21.95%，水土流失面積為0.481，0.243 km2。水土流失面廣，侵蝕類型多樣，以坡面侵蝕為主，兼有溝蝕、重力侵蝕和母質(zhì)侵蝕等。1987—1989年、1991—1992年兩個(gè)階段對(duì)兩條支溝進(jìn)行了水土保持綜合治理。Ⅰ號(hào)溝內(nèi)以地面工程為主進(jìn)行水保措施配置，Ⅱ號(hào)溝按以林草措施為主的生物工程治理模式配置。經(jīng)過兩次治理，流域內(nèi)的土地利用方式發(fā)生了很大變化，林草覆蓋率均達(dá)到50%以上，年產(chǎn)沙降低了70%以上。

1.2　小流域水土保持措施實(shí)施情況

1987—1989年在試驗(yàn)小流域進(jìn)行了水土保持前期治理。Ⅱ號(hào)溝以林草措施為主的生物工程治理，植榿木5.33萬株、柏樹3.74萬株、桑樹3.14萬株、柑橘樹800株，發(fā)展家庭小果園4處，種馬桑、黃荊等10.33 hm2。新開沿山溝、水平溝1.66 km，擴(kuò)建塘堰2座，新增蓄水量800 m3，治理面積達(dá)49.2%。

1991—1992年在前期治理的基礎(chǔ)上再次對(duì)試驗(yàn)小流域進(jìn)行治理。Ⅱ號(hào)小流域仍以林草措施為主的生物工程治理模式布置，除對(duì)原有水利水保工程進(jìn)行清淤整治外，新開沿山溝11條，計(jì)1 700 m，排洪溝300 m，配置蓄水池、沉沙凼15個(gè)，以提高對(duì)坡面徑流、泥沙的調(diào)控和攔蓄能力。種植林草7.67 hm2，植用材林7.1萬株，薪炭林4.1萬株，經(jīng)濟(jì)果林0.5萬株，地面播種馬桑7.5 kg，使流域坡面形成合理的喬、灌、草立體防護(hù)體系，從而使流域覆蓋率進(jìn)一步鞏固和提高。

1.3　試驗(yàn)場(chǎng)點(diǎn)布設(shè)及觀測(cè)計(jì)算方法

1.3.1場(chǎng)點(diǎn)布設(shè)在兩條試驗(yàn)支溝的出口處，分別建有梯形量水槽、巴歇爾量水堰、三角堰出流3個(gè)控制斷面觀測(cè)設(shè)施，各斷面均設(shè)有水標(biāo)尺，巴歇爾堰和梯形測(cè)流斷面還分別安有自記水位計(jì)，記錄洪水水位變化過程，并用人工觀測(cè)水標(biāo)尺進(jìn)行校正。

在每條試驗(yàn)溝內(nèi)，按不同方位和梯度共設(shè)置雨量觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，每個(gè)雨量點(diǎn)均安裝有自記和人工觀測(cè)雨量?jī)x器進(jìn)行降雨的觀測(cè)。

1.3.2觀測(cè)計(jì)算方法

(1) 觀測(cè)方法。降雨量觀測(cè)：汛期采用四段制(14時(shí)、20時(shí)、2時(shí)、8時(shí))，非汛期按一段制(8時(shí))觀測(cè)，并用人工、自記儀器同步觀測(cè)、校正。

水位觀測(cè)：汛期觀測(cè)采用四段制，非汛期采用兩段制，洪水期觀測(cè)全過程變化。

泥沙觀測(cè)：洪水時(shí)采用直口平底式采樣器(1 000 ml)，根據(jù)不同水位情況取水樣，并做到取水樣與水位觀測(cè)、流速測(cè)定同步。樣品在室內(nèi)靜置、過濾、烘干等過程測(cè)定徑流含沙量。

以上各觀測(cè)項(xiàng)目，均以當(dāng)日8時(shí)—次日8時(shí)為日界，其觀測(cè)值為當(dāng)日的觀測(cè)資料。

(2) 計(jì)算方法。雨量計(jì)算：根據(jù)Ⅰ，Ⅱ號(hào)試驗(yàn)溝內(nèi)各雨量點(diǎn)的實(shí)測(cè)次降雨量及各點(diǎn)的控制集雨面積，用權(quán)重法求得各試驗(yàn)溝平均降雨量。

徑流量計(jì)算：通過觀測(cè)按照在各控制斷面的水標(biāo)尺和自記水位計(jì)，經(jīng)訂正后得到時(shí)段、日水深及洪水過程，借助H—Q關(guān)系曲線查得時(shí)段、日或次洪水過程流量，再查Q—t過程線算出時(shí)段、日或次洪水徑流量。特殊水深值用流速儀法檢測(cè)各斷面量水建筑物H—Q曲線精度。

輸沙量計(jì)算：根據(jù)一次洪水變化過程，用采用器在0.4 H(40%水深)水深處取樣。在取樣橫斷面上，巴歇爾堰每次取3組，梯形槽斷面每次取5組樣，求得某一水深的平均含沙量，再通過H—Q曲線和Q—t過程線求得一次洪水的總輸沙量。

本研究數(shù)據(jù)來自Ⅱ號(hào)支溝1985—2001年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中降雨徑流泥沙數(shù)據(jù)1985—1986年共8次，1993—2001年共18次，1987—1992年為治理中的幾年。

2　結(jié)果與分析

2.1　水土保持措施對(duì)流域徑流量的影響

影響流域徑流量的主要因素包括降雨量和下墊面因素，但起決定因素的是降雨。因此，一般情況，通過建立降雨量和徑流量的單變量相關(guān)模型即可獲得較理想的模擬效果。圖1為治理前和治理后的次降雨量與次徑流量關(guān)系圖，采用線性回歸分析得到如圖所示的直線。治理前(1985—1986年)與治理后(1993—2001年)次降雨與次徑流量回歸關(guān)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為治理前后次降雨量(mm)；Q1，Q2為治理前后次徑流量(m3)。

圖1　治理前后流域次降雨量與次徑流量關(guān)系對(duì)比

比較治理前后徑流隨降雨的變化率，治理前降雨增多而徑流增長(zhǎng)率較快，而治理后期則較慢。從圖中趨勢(shì)線的斜率可以看出，流域治理后期的降雨產(chǎn)流量變化率較前期減少，即水土保持使產(chǎn)流量相應(yīng)減少。隨著降雨的增多，水土保持措施對(duì)徑流的影響效應(yīng)增強(qiáng)[15]。治理后次降雨量與次徑流量的相關(guān)關(guān)系明顯減少，說明水土保持治理后將導(dǎo)致水文過程復(fù)雜性增加。根據(jù)次降雨量與次徑流量的線性擬合公式可以得到治理前和治理后降雨產(chǎn)流的臨界降雨量分別是13.94，33.34 mm。水土保持措施可對(duì)流域內(nèi)的徑流進(jìn)行直接攔蓄從而影響流域徑流量；另外使流域土地覆被發(fā)生一定的變化，從而改變了徑流產(chǎn)生與匯集的下墊面條件，間接影響流域徑流量[1]。1992年后，隨著流域內(nèi)水土保持措施數(shù)量的增加，流域內(nèi)的水土保持措施逐步發(fā)揮了其涵養(yǎng)水源的功能，徑流量也逐漸減少，降雨量—徑流量關(guān)系逐漸趨于平緩。也可以說，在相同降雨條件下，隨著水土保持措施的增加，洪水徑流流量隨之減少。

2.2　水土保持措施對(duì)流域產(chǎn)沙量的影響

降雨對(duì)流域產(chǎn)沙的影響關(guān)系十分復(fù)雜，不同時(shí)段降雨量、暴雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等對(duì)流域產(chǎn)、輸沙有著不同程度的影響。圖2為治理前與治理后流域次降雨量與次產(chǎn)沙量關(guān)系圖，采用回歸分析得到如下所示指數(shù)函數(shù)關(guān)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為治理前后次降雨量(mm)；M1，M2為治理前后次產(chǎn)沙量(kg)。

圖2　治理前后流域次降雨量與次產(chǎn)沙量關(guān)系對(duì)比

比較治理前后產(chǎn)沙隨降雨的變化，治理前降雨增多而產(chǎn)沙增長(zhǎng)率較快，而治理后期則較慢。從圖中趨勢(shì)線可以看出，流域治理后期的降雨產(chǎn)沙量變化率較前期減少，即水土保持使產(chǎn)沙量相應(yīng)減少。隨著降雨的增多，水土保持措施對(duì)產(chǎn)沙的影響效應(yīng)增強(qiáng)。選擇了治理前后降雨量大致相當(dāng)?shù)那闆r下，徑流量與產(chǎn)沙量的變化情況(表1)。從表1中可以看出，在降雨量一致的情況下，治理后徑流量與產(chǎn)沙量明顯低于治理前，如以1986年9月8日(治理前)，1995年10月13日(治理后)兩場(chǎng)降雨為例，其降雨量37 mm左右，治理前徑流量2 819.1 m3，產(chǎn)沙量8 715.2 kg，治理后徑流量889.1 m3，產(chǎn)沙量882.833 kg，徑流量減少68.46%，產(chǎn)沙量減少89.87%。降雨徑流產(chǎn)沙統(tǒng)計(jì)顯示，減水量一般在30%～70%，而減沙量都高于90%，減沙量明顯高于減水量。

暴雨強(qiáng)度愈小，降雨量愈少，水土保持徑流攔蓄作用愈顯著，這與穆興民等[2]的研究結(jié)果一致；但降雨量愈大，泥沙攔蓄作用愈顯著。從表中可以看到，降雨量37 mm時(shí)，徑流量減少68.46%，泥沙量減少89.87%；降雨量60 mm左右時(shí)，徑流量減少51.62%，泥沙量減少93.03%；降雨量92 mm左右時(shí)，徑流量減少36.78%，泥沙量減少91.55%。

相同降雨產(chǎn)生的水土流失，未治理的明顯大于治理后的。說明采取合理的水土保持措施，可有效抑制水土流失。其原因一是退耕還林還草種植的喬冠草逐漸長(zhǎng)大，覆蓋度增加，地表糙度增加，促進(jìn)水分下滲，減少并延緩產(chǎn)流；二是等高種植的草帶，逐漸形成地埂，阻止或減緩徑流泥沙的流失；三是沿山溝、排洪溝、蓄水池、沉沙凼提高了對(duì)坡面徑流、泥沙的調(diào)控和攔蓄能力。

表1　同雨量情況下的徑流侵蝕

2.3　水土保持措施對(duì)水沙關(guān)系影響

從本質(zhì)上，水土保持措施減少侵蝕是通過減少地表徑流來實(shí)現(xiàn)的，通過改變地表坡度(如修梯田)、增加植被覆蓋(種樹種草)，增加了降雨入滲，減小了徑流系數(shù)和徑流量，使徑流的侵蝕、搬運(yùn)能力減弱，故侵蝕量減少，沉積量增大，因而產(chǎn)沙量減小[16]。圖3為治理前后流域次徑流量與次產(chǎn)沙量關(guān)系圖，采用回歸分析得到如下所示指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

M1=16363e0.0001Q1(n=8，r2=0.58)

(5)

M2=723.75e0.0002Q2(n=18，r2=0.90)

(6)

式中：Q1，Q2為治理前后次徑流量(m3)；M1，M2為治理前后次產(chǎn)沙量(kg)。

圖3　治理前后流域次徑流量與次產(chǎn)沙量關(guān)系對(duì)比

從公式(1)—(6)可以看出，除次徑流量與次降雨量治理前的決定性系數(shù)(相關(guān)系數(shù)的平方)大于治理后的，次產(chǎn)沙量與次降雨量、次產(chǎn)沙量與次徑流量治理前的決定性系數(shù)都小于治理后的，這與晏清洪等[6]、許炯心[16]在北方的研究有一定的出入。分析其原因，主要產(chǎn)流機(jī)制不同，紫色土區(qū)產(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主，北方產(chǎn)流以超滲產(chǎn)流為主，劉淑燕等[17]在黃土丘陵溝壑區(qū)的研究表明，當(dāng)實(shí)施水土保持治理后，在一定的雨量雨強(qiáng)情況下，土壤由“超滲產(chǎn)流”變成“蓄滿產(chǎn)流”，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的入滲率，使得地表徑流在形成含沙水流的過程中，土壤含水量一致，形成均質(zhì)性土壤，導(dǎo)致徑流與產(chǎn)沙之間的關(guān)系好于治理前。

從圖3中可以看出，治理前的水沙關(guān)系曲線明顯高于治理后的水沙關(guān)系曲線，說明治理前的徑流泥沙明顯大于治理后的徑流泥沙，而且隨著徑流量的增大，產(chǎn)沙量的差距顯著增大。累積年徑流量與累積年產(chǎn)沙量的關(guān)系曲線表明(圖4)，1989年后的斜率較1989年前的明顯偏小，說明1989年是流域水沙關(guān)系的突變點(diǎn)。由于水土保持綜合治理的作用，1989年后的多年平均徑流量較1989年前減少33.11%，多年平均產(chǎn)沙量減少90.50%。

圖4　累積年徑流量與累積年產(chǎn)沙量變化曲線

3　結(jié) 論

(1) 流域治理后期的降雨產(chǎn)流量變化率較前期減少，隨著降雨的增多，水土保持措施對(duì)徑流的影響效應(yīng)增強(qiáng)。治理前和治理后降雨產(chǎn)流的臨界降雨量分別是13.94 mm和33.34 mm。

(2) 流域治理后期的降雨產(chǎn)沙量變化率較前期減少，隨著降雨的增多，水土保持措施對(duì)產(chǎn)沙的影響效應(yīng)增強(qiáng)。流域減水量一般在30%～70%，而減沙量都高于90%，減沙量明顯高于減水量。暴雨強(qiáng)度愈小，降雨量愈少，水土保持徑流攔蓄作用愈顯著；但降雨量愈大，泥沙攔蓄作用愈顯著。

(3) 治理前的水沙關(guān)系曲線明顯高于治理后的水沙關(guān)系曲線，治理前的徑流泥沙大于治理后的徑流泥沙。1989年后累積年徑流量與累積年產(chǎn)沙量的關(guān)系曲線斜率較1989年前的明顯偏小，說明1989年是流域水沙關(guān)系的突變點(diǎn)。由于水土保持綜合治理的作用，1989年后的多年平均徑流量較1989年前減少33.11%，多年平均產(chǎn)沙量減少90.50%。

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