任柯蒙,衛(wèi) 偉,趙西寧,馮天驕,陳 蝶

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100 4 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 5 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

黃土高原是我國土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū),水蝕面積占整個(gè)區(qū)域的45%,其中,劇烈侵蝕(土壤侵蝕模數(shù)≥15000 t km-2a-1)占總面積的5.7%[1-2]。造成土壤侵蝕的主要原因包括自然因素(氣象、水文、生物、地形地貌、土壤等)和人為因素(耕作、工程措施等)兩個(gè)方面[3]。其中,影響土壤侵蝕的人為因素占主導(dǎo)地位,人類對(duì)自然地貌不合理開采加劇了土壤侵蝕[4]。坡度作為主要地貌形態(tài)特征,對(duì)坡面流速、土壤入滲和穩(wěn)定性有重要作用,隨著坡度的增加,入滲量減小,徑流量增加,徑流流速提高,土壤穩(wěn)定性降低[5-6]。大量研究表明,在一定條件和范圍內(nèi),存在臨界坡度使得土壤侵蝕隨坡度先增加后減小,但因試驗(yàn)條件、推導(dǎo)理論和考慮因素等不同,使得不同研究中得到的臨界坡度相差較大,通過理論推導(dǎo)得出的臨界坡度普遍大于40°,而通過徑流小區(qū)試驗(yàn)和模擬降雨實(shí)驗(yàn)的臨界坡度小于30°[7]。

坡面尺度微地形改造是減少土壤侵蝕的有效措施之一,它是指人類根據(jù)科學(xué)研究或改造自然的實(shí)際需求,有目的地對(duì)下墊面原有形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次改造和整理,通過增加地表起伏度、降低地面漫流的連通性,起到涵蓄水源的作用[8]。水平階作為一種微地形改造工程措施,通過調(diào)節(jié)降水在坡面的再分配過程,從而起到保水減沙、提高土壤肥力的作用,且因其操作簡便,成本較低,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)建設(shè)中[9- 11]。從機(jī)耕操作便利和田坎穩(wěn)定性考慮,Ramos等[12]對(duì)葡萄園莊園原始坡面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的水平階規(guī)格為田坎高(4.8±3.0) m,臺(tái)寬(6.2±3.5) m。毛勇等[13]從投資角度考慮發(fā)現(xiàn)坡度在5°—25°時(shí)土坎水平梯田的最佳臺(tái)面寬度為1.5—4 m?？梢娙藗儠?huì)根據(jù)自己實(shí)際需求來設(shè)計(jì)不同水平階規(guī)格,但是在一定的坡度條件下,如何優(yōu)化設(shè)計(jì)水平階臺(tái)面寬度,從而最大限度的減少土壤侵蝕的定量研究十分稀缺。

水蝕預(yù)報(bào)模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP)是基于物理過程模擬模型,以一天為步長,輸入對(duì)侵蝕過程有重要影響的地形、土壤和植物特征,可模擬徑流量和泥沙量[14-15]。與其他侵蝕預(yù)報(bào)模型相比,WEPP模型可以更精確的預(yù)估坡面尺度水土流失情況[16]。目前我國學(xué)者在WEPP模型方面做的研究表明：在單次降雨事件下模擬坡面侵蝕過程與實(shí)際侵蝕過程擬合度良好[17]。為達(dá)到調(diào)控徑流,阻沙防蝕的效果,我國學(xué)者從多個(gè)方面開展了系統(tǒng)研究：模擬了不同水平梯田設(shè)計(jì)參數(shù)下的侵蝕過程,認(rèn)為WEPP模型對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面具有指導(dǎo)意義[18]；應(yīng)用WEPP模型分析不同梯田配置的水土保持效應(yīng)[19]；基于作物需水,將水窖與隔坡梯田結(jié)合,對(duì)隔坡梯田進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)隔坡梯田設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值[20]；運(yùn)用WEPP模型,模擬不同坡度、不同種植密度的植物籬防蝕效果,提出不同坡度植物籬的最佳種植方式[21]。但應(yīng)用該模型評(píng)價(jià)水平階的減流阻蝕效應(yīng)及其臺(tái)面寬度優(yōu)化的研究較少。

綜上所述,本研究旨在尋找臨界坡度,基于水平階臺(tái)面寬度設(shè)計(jì)不同水平階規(guī)格,分析不同水平階規(guī)格對(duì)土壤侵蝕的影響規(guī)律,依據(jù)單位臺(tái)寬減沙效益提出不同水平階規(guī)格的最佳臺(tái)面寬度,以期為工程措施在流域治理及植被恢復(fù)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市龍灘流域(35°43′—35°46′N,104°27′—104°31′E),流域面積16.1 km2,海拔1800—2200 m。該區(qū)屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)小流域,地處半干旱大陸性氣候區(qū),據(jù)長期氣候數(shù)據(jù)(1958年—2016年),年平均氣溫6.8 ℃,平均無霜期152 d,平均日照時(shí)數(shù)2052 h。年均降水量386.3 mm,降雨主要集中在7—9月份,且多暴雨,潛在蒸發(fā)量為1649.0 mm,年平均相對(duì)濕度72%,水分虧缺嚴(yán)重。該地區(qū)土質(zhì)均一,土壤以黃綿土為主。流域?qū)俚湫筒菰貛?本試驗(yàn)在檸條坡面徑流小區(qū)上進(jìn)行,坡長10 m,坡度26°,坡向西偏南,土壤容重(1.22±0.04) g/cm3,植被覆蓋度為50%,主要植被為駱駝蓬(Peganumharmala)、烏里芯芭(Cymbariadahurica)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus) 、長芒草(Stipabungeana)。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立

WEPP模型是包含水蝕相關(guān)參數(shù)最多的土壤侵蝕模型,其參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)模擬結(jié)果尤為重要。WEPP模型運(yùn)行需要4個(gè)輸入文件,分別是氣候文件、地形文件、土壤文件和管理措施文件。

氣候文件源于2015—2016年龍灘自計(jì)式雨量計(jì)(HOBO, USA)觀測站和自動(dòng)氣象站(Vantage Pro2, Davis, USA)的實(shí)測數(shù)據(jù),利用WEPP模型系統(tǒng)提供的獨(dú)立程序斷點(diǎn)氣候生成器(BPCDG)生成氣候文件。在情景設(shè)計(jì)中選擇次降雨模式(single storm),雨強(qiáng)根據(jù)黃土高原典型降雨特征[22]設(shè)為小雨強(qiáng)(0.5 mm/min)、中雨強(qiáng)(1.0 mm/min)、大雨強(qiáng)(1.5 mm/min),降雨歷時(shí)1 h。

土壤文件中的細(xì)溝間土壤可蝕性、細(xì)溝土壤可蝕性、土壤臨界剪切力、有效水力傳導(dǎo)系數(shù)通過土壤顆粒組成(表1)手動(dòng)算出的數(shù)值為基值[23],并通過率定獲得最終參數(shù)。

表1 WEPP模型中的土壤特性

地形文件根據(jù)試驗(yàn)小區(qū)實(shí)際情況獲取,設(shè)置坡面徑流小區(qū)坡度26°,坡長10 m；水平階徑流小區(qū)坡度26°,坡長10 m,水平階臺(tái)面寬度1.3 m。并在情景模擬中設(shè)置不同地形條件：設(shè)置坡長均為10 m,坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°的坡面；基于不同水平階臺(tái)面寬度,固定總坡長和田坎坡度,設(shè)置不同水平階規(guī)格見表2。

表2 水平階規(guī)格設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)選取植被為檸條,管理措施參數(shù)包括植物生長參數(shù)和種植參數(shù),通過植被調(diào)查、參考文獻(xiàn)或選取WEPP模型數(shù)據(jù)庫中的同類植物確定[24- 28](表3)。

表3 檸條生物學(xué)特性參數(shù)

1.3 WEPP模型運(yùn)行機(jī)理

WEPP模型是一種基于侵蝕過程的模型,其坡面版是WEPP模型中最基本的模型版本,模擬水平階時(shí),將坡面分成數(shù)段,設(shè)置多種土壤類型和多個(gè)管理措施[29]。坡面侵蝕分為細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕。細(xì)溝間侵蝕指雨滴擊濺和坡面水流對(duì)土壤進(jìn)行剝蝕和搬運(yùn)的過程；細(xì)溝侵蝕指細(xì)溝內(nèi)土壤所發(fā)生剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。WEPP模型利用穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程來模擬泥沙運(yùn)動(dòng),當(dāng)水流剪切力大于臨界土壤剪切力,且輸沙率小于泥沙輸移能力時(shí),以搬運(yùn)過程為主；當(dāng)輸沙率小于泥沙輸移能力時(shí),以沉積過程為主[30]。

1.4 模型評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)計(jì)算

采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)和決定系數(shù)(R2)對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。NSE的計(jì)算公式為：

(1)

決定系數(shù)R2(擬合優(yōu)度)是回歸方程擬合優(yōu)度的一個(gè)度量,取值范圍為0—1,當(dāng)R2越接近1,則表示實(shí)測值與預(yù)測值相關(guān)性越高。

(2)

為了描述水平階對(duì)徑流泥沙的調(diào)控作用,分別引入徑流和泥沙調(diào)控率的概念[32]。徑流調(diào)控率指布置某種調(diào)控措施后)徑流量相對(duì)于對(duì)照條件下徑流量的變化百分率；產(chǎn)沙調(diào)控率指布置某種調(diào)控措施后產(chǎn)沙量相對(duì)于對(duì)照條件下產(chǎn)沙量的變化百分率?？捎孟率奖硎荆?/p>

(3)

(4)

式中:Cw、Cs分別是徑流調(diào)控率(%)和泥沙調(diào)控率(%)；Ws、Wo分別是調(diào)控措施后和原狀坡面的徑流量(mm)；Gs、Go分別是調(diào)控措施后和原狀坡面的產(chǎn)沙量(t/hm2)。

為了更好的描述臺(tái)面寬度的減蝕效益,引入單位臺(tái)面寬度減沙量,其計(jì)算公式為：

(5)

式中,Ds為單位臺(tái)寬減沙量(kg/m3)；Gs、Go與上述一致；L為臺(tái)面的總寬度(m)。

1.5 模型率定及模型有效性驗(yàn)證

2015年和2016年生長季(5.1—10.31)降水量分別為320.8、156.8 mm,雨量計(jì)共記錄降雨事件130余次,其中引起較為明顯水土流失現(xiàn)象的降雨事件共21場(微弱降雨不計(jì)),將降雨量由小到大排序每兩場降雨劃分為一組,每組中隨機(jī)選取一組用來率定或驗(yàn)證[29]。選用檸條坡面徑流小區(qū)對(duì)土壤參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。從圖1a、1c可知率定小區(qū)徑流量和產(chǎn)沙量的NSE分別為0.90、0.77,圖1b、1d驗(yàn)證小區(qū)徑流量和產(chǎn)沙量分別為0.79和0.63,說明模擬結(jié)果較好；從決定系數(shù)R2看,率定小區(qū)徑流量和產(chǎn)沙量的R2分別為0.92、0.81,驗(yàn)證小區(qū)徑流量和產(chǎn)沙量的R2分別為0.82和0.78,模擬值與實(shí)測值擬合度良好,具有良好的相關(guān)性,因此WEPP模型的模擬結(jié)果可以較好反映坡面的實(shí)際情況。最終土壤參數(shù)率定結(jié)果見表4。

圖1 土壤參數(shù)率定結(jié)果驗(yàn)證Fig.1 Validation of soil parameter of WEPPa. 率定小區(qū)徑流量對(duì)比；b. 驗(yàn)證小區(qū)徑流量對(duì)比；c. 率定小區(qū)土壤侵蝕量對(duì)比；d. 驗(yàn)證小區(qū)土壤侵蝕量對(duì)比；NSE為Nash-Sutcliffe效率系數(shù); WEPP: 水蝕預(yù)報(bào)模型, Water Erosion Prediction Project

參數(shù)Parameters細(xì)溝間可蝕性Interill erodibility細(xì)溝可蝕性Rill erodibility/(s/m)臨界剪切力Critical shear stress/Pa有效水力導(dǎo)水系數(shù)Effective hydraulic conductivity/(mm/h)參數(shù)值Parameter values6.995×1060.0263.512.2

為驗(yàn)證WEPP模型模擬水平階的有效性,對(duì)檸條水平階徑流小區(qū)進(jìn)行模擬驗(yàn)證,由圖2知徑流量和產(chǎn)沙量模擬值和實(shí)測值的決定系數(shù)分別為0.80和0.87,NSE為0.72和0.60,表明模型可以有效反映水平階的水文過程。

圖2 驗(yàn)證水平階有效性Fig.2 Validate the effectiveness of level terrace

2 結(jié)果

2.1 坡度變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響

采用WEPP模型模擬檸條坡面小區(qū)不同坡度下的土壤侵蝕規(guī)律,為合理開展整地措施提供理論依據(jù)。從圖3可知,同一雨強(qiáng)條件下,徑流量隨坡度的逐漸增加呈增加趨勢,但坡度大于20°后,徑流值不再變化,保持穩(wěn)定。而在不同雨強(qiáng)下,水土流失與雨強(qiáng)和坡度(小于20°)呈正比,且在小雨強(qiáng)時(shí),徑流量增加最為明顯,增加了1.9倍,中、大雨強(qiáng)時(shí)徑流量分別增加了1.2倍、1.1倍。此外,由圖3可知,產(chǎn)沙量隨坡度增加,也呈增加態(tài)勢,但增加幅度卻并不一致。當(dāng)坡度從5°變化到10°時(shí),不同雨強(qiáng)下的產(chǎn)沙量增幅明顯,其中小雨強(qiáng)下的產(chǎn)沙增加了4.7倍,增加幅度最大,而中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)增加了2.6倍、2.1倍。在20°以上,產(chǎn)沙量增加放緩,變化倍數(shù)約1倍左右。

圖3 不同雨強(qiáng)下坡度變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響Fig.3 Effects of slope on runoff and sediment yield under different rainfall intensity

2.2 水平階規(guī)格對(duì)侵蝕的調(diào)控作用

水平階臺(tái)面寬度可以有效蓄流阻沙,因此為研究水平階臺(tái)面寬度對(duì)徑流的攔截作用,根據(jù)以上所述,選取徑流臨界坡度20°的檸條坡面徑流小區(qū)為研究對(duì)象,比較坡面徑流小區(qū)與相同小區(qū)尺寸不同水平階規(guī)格下的土壤侵蝕變化。

增加臺(tái)面寬度與階數(shù)可以減少徑流量(圖4)。在小雨強(qiáng)(0.5 mm/min)時(shí),相比于自然坡面,水平階為二階時(shí)臺(tái)面寬度從1 m增加到2 m,徑流調(diào)控率從31.9%增加到61.2%,當(dāng)階數(shù)變?yōu)槿A時(shí),徑流調(diào)控率從49.4%增加到69.7%；中雨強(qiáng)(1 mm/min)時(shí),臺(tái)面寬度從1 m增加到2 m,二階和三水平階的徑流調(diào)控率分別從10.9%增加到20.9%,16.8%增加到23.8%；大雨強(qiáng)(1.5 mm/min)時(shí),臺(tái)面寬度從1 m增加到2 m,二階和三階水平階的徑流調(diào)控率從6.5%增加到12.6%,10.1%增加到14.3%。臺(tái)面越寬,徑流調(diào)控效果越好,與二階水平階相比,三階水平階可更有效減少坡面徑流量。

圖4 不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨不同水平階規(guī)格的變化Fig.4 Effects of level terrace specificationon runoff and sediment yield under different rainfall intensities

產(chǎn)沙量從圖4可知,水平階可以削弱產(chǎn)沙能力。小雨強(qiáng)時(shí),二階水平階的泥沙調(diào)控率在臺(tái)面寬度從1 m增加到2 m時(shí),泥沙調(diào)控率分別從8.4%增加到68.8%,53%增加到82.3%；中、大雨強(qiáng)時(shí),水平階臺(tái)面寬度在1 m時(shí),二階水平階的產(chǎn)沙量比自然坡面分別高18.9%和21.0%,當(dāng)臺(tái)面寬度為1.5 m時(shí)開始減少產(chǎn)沙,泥沙調(diào)控率分別從8.1%增加到21.7%,1.1%增加到12.7%。而三階水平階在不同臺(tái)面寬度時(shí)均可以減少產(chǎn)沙量,其調(diào)控范圍為1.7%—82.3%。

2.3 水平階不同單位臺(tái)寬的侵蝕調(diào)控效益對(duì)比

產(chǎn)沙量的變化與徑流相比較為復(fù)雜。由表5可知,在小雨強(qiáng)時(shí),三階水平階不同臺(tái)寬的單位臺(tái)寬減沙量沒有明顯變化,而二階水平階在臺(tái)寬是1.5 m時(shí)單位臺(tái)寬減沙量達(dá)到最大值0.13 kg/m3；中雨強(qiáng)時(shí),二階水平階在臺(tái)寬為1.5 m時(shí)開始起到攔截泥沙的作用,且在2 m臺(tái)寬時(shí)單位臺(tái)寬減沙量達(dá)到最大值0.14 kg/m3。三階水平階在臺(tái)面寬度1.5 m時(shí),單位臺(tái)寬減沙量增加最大,增加1.9倍；大雨強(qiáng)時(shí),二階水平階在2 m臺(tái)寬時(shí)的單位臺(tái)寬減沙量遠(yuǎn)大于1.5 m臺(tái)寬的單位臺(tái)寬減沙量,而三階水平階臺(tái)面寬度是1 m時(shí)單位臺(tái)寬減沙量為0.02 kg/m3,隨著臺(tái)面寬度的增加,其效能逐漸體現(xiàn),在臺(tái)寬2 m時(shí)單位臺(tái)寬減沙量達(dá)到最大值0.3 kg/m3。

表5 不同規(guī)格的水平階單位臺(tái)寬減沙量

3 討論

坡度是影響坡面土壤侵蝕的重要地形因子之一,其大小能夠決定徑流的沖刷與搬運(yùn)能力[33]。Nassif和Wilson[34]進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界坡度使得徑流量達(dá)到峰值后不隨坡度增加而變化。本研究通過WEPP模型模擬坡度與徑流的關(guān)系,也得到與之相似的結(jié)果,當(dāng)坡度達(dá)到20°時(shí),徑流量隨坡度增加無變化。原因從入滲特性角度分析,坡度與累積入滲量呈反比,當(dāng)坡度較小時(shí),入滲量隨坡度變化較大,當(dāng)坡度較大時(shí),入滲隨坡度變化不明顯[35]。有研究表明當(dāng)坡度小于18°時(shí),入滲量隨坡度變化較大,但當(dāng)坡度大于18°后入滲量隨坡度的變化將不明顯[36]。土壤侵蝕隨坡度變化存在類似規(guī)律。Mccool等[37]發(fā)現(xiàn)存在轉(zhuǎn)折坡度,坡度超過一定限度時(shí),侵蝕量反而隨坡度增大而減小。在此基礎(chǔ)上,Horton[38]從坡面流理論角度,通過曼寧公式得出坡度轉(zhuǎn)折角為57°。國內(nèi)學(xué)者陳永宗[39]對(duì)黃土高原徑流小區(qū)研究發(fā)現(xiàn)臨界坡度是25°或者28°。由于理論推導(dǎo)只考慮徑流沖刷而忽略了雨滴擊濺對(duì)坡面的濺蝕作用,導(dǎo)致理論推導(dǎo)的臨界坡度普遍高于試驗(yàn)值[40]。存在臨界坡度的原因可以從承雨面積角度解釋,將斜坡面積平均分配到水平投影上時(shí),則單位面積上承受的雨量變小,單位面積沖刷量也相應(yīng)減小,即坡度到達(dá)一定值時(shí),坡度越大,侵蝕反而減小[41-42]。本研究通過WEPP模型模擬結(jié)果得到隨著坡度增加,土壤侵蝕量也在隨之增加,但當(dāng)坡度大于20°時(shí),土壤侵蝕量增長放緩,但仍呈增加趨勢。這可能是由于設(shè)計(jì)的坡度并未達(dá)到臨界坡度。

水平階對(duì)水文效應(yīng)的影響除受到雨強(qiáng)等自然因素外,其自身結(jié)構(gòu)也是影響水文過程的重要因素。景維杰[43]研究了不同間距水平階的保水效果發(fā)現(xiàn)水平階間距從4 m縮減到1 m,土壤含水量從11.8%增加到18%,說明水平階密度越大越能有效攔截地表徑流,增加土壤含水量。董莉等[44]、王建文等[45]在元謀干熱河谷區(qū)的徑流小區(qū)布設(shè)的水平階規(guī)格分別為：每隔3 m布設(shè)臺(tái)寬1 m的水平階和每隔0.8 m布設(shè)0.8 m的水平階,與對(duì)照(無水平階)相比,徑流攔截率分別為69.74%和33.68%,說明不僅水平階間距對(duì)水土流失有影響外,臺(tái)面寬度對(duì)其也有一定作用。本研究中,我們發(fā)現(xiàn)二階和三階水平階隨臺(tái)寬(1,1.5,2 m)增加對(duì)地表徑流調(diào)控率分別從6.5%增加到61.2%,從10.1%增加到69.7%,說明水平階的阻流作用表現(xiàn)為隨臺(tái)面寬度的增加其減流能力越大。但是,由于水平階的結(jié)構(gòu)分為田坎和臺(tái)面,在單位坡長條件下,增加臺(tái)寬勢必會(huì)增加田坎坡度。田坎越陡峭,水分損失越嚴(yán)重,發(fā)生土壤侵蝕的可能性越大[46-47]。本研究應(yīng)用WEPP模型模擬水平階對(duì)土壤侵蝕的影響是田坎與臺(tái)面共同作用的結(jié)果。本研究從臺(tái)面寬度減蝕效果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí), 二階水平階在1 m臺(tái)寬時(shí)的產(chǎn)沙量高于坡面小區(qū),說明臺(tái)面寬度是1 m時(shí)水平階未起到減沙作用,因此在設(shè)計(jì)水平階規(guī)格時(shí),考慮合理的臺(tái)面寬度是十分必要的。

水平階通過縮短坡長,增加雨水入滲來削弱土壤侵蝕。本研究通過分析單位臺(tái)面寬度的減蝕能力為水平階設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。模擬小雨強(qiáng)(0.5 mm/min)時(shí),二階、三階水平階分別在臺(tái)寬1.5 m和1 m時(shí),單位臺(tái)寬減沙量最大分別為0.13 kg/m3和0.12 kg/m3。隨著雨強(qiáng)變大,單位臺(tái)寬減沙量呈增加趨勢且存在一個(gè)臨界臺(tái)寬使得其變化倍數(shù)呈減小趨勢。說明單位臺(tái)寬減沙量存在臨界值。其原因可能是,在降雨一定情況下,有效臺(tái)寬范圍內(nèi)可有效減少土壤侵蝕,當(dāng)臺(tái)寬超過該范圍時(shí)可視為無效臺(tái)寬。類似地,李萍[48]在設(shè)計(jì)不同規(guī)格魚鱗坑時(shí)發(fā)現(xiàn),如果設(shè)計(jì)的魚鱗坑面積過大,沒有足量雨水匯集,不但使土壤蒸散量有所增加,而且也增加了整地費(fèi)用,同時(shí)地表破壞面積增大,增加了水蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此在實(shí)際地形改造時(shí),應(yīng)合理考慮工程面積,面積過大或過小均不利于水保措施發(fā)揮作用。

4 結(jié)論

(1)基于WEPP模型模擬不同坡度的土壤侵蝕規(guī)律：徑流量和侵蝕量隨坡度增加而增加。坡度達(dá)到20°時(shí),徑流量隨坡度增加保持穩(wěn)定,產(chǎn)沙量增加趨勢漸緩。

(2)與坡面小區(qū)對(duì)比,二階和三階水平階隨臺(tái)寬增加對(duì)地表徑流調(diào)控率分別從6.5%增加到61.2%,從10.1%增加到69.7%；二階水平階在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨強(qiáng)下,臺(tái)面寬度大于1.5 m時(shí)產(chǎn)沙量小于坡面,泥沙調(diào)控率從1.1%增加到68.8%,三階水平階泥沙調(diào)控率從1.4%增加到82.3%。

(3)單位臺(tái)寬減沙量可以作為優(yōu)化臺(tái)面寬度的一個(gè)重要指標(biāo)。以模擬的10 m坡長為例,小雨強(qiáng)(0.5 mm/min)時(shí),二階和三階水平階的臺(tái)面寬度達(dá)到1.5 m和1 m時(shí)即可發(fā)揮優(yōu)良的水土保持效益,其單位臺(tái)寬減沙量最大,分別為0.13 kg/m3和0.12 kg/m3；遭遇中雨強(qiáng)(1 mm/min)時(shí),臺(tái)寬1.5 m的三階水平階效果最佳,其最大單位臺(tái)寬減沙量為0.17 kg/m3；大雨強(qiáng)(0.5 mm/min)時(shí),臺(tái)寬2 m的三階水平階效益最好,其最大單位臺(tái)寬減沙量為0.30 kg/m3。