長江上游坡耕地降雨徑流蓄集利用效果評價

梁 川，侯小波，趙燮京，趙小蓉

（1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.四川省農業科學院土壤與肥料研究所，成都 610066）

長江上游坡耕地降雨徑流蓄集利用效果評價

梁 川1，侯小波1，趙燮京2，趙小蓉2

（1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.四川省農業科學院土壤與肥料研究所，成都 610066）

通過建立反映坡面降雨徑流調控工程技術措施、攔截季節性降水、補充作物需水高峰期用水效果的綜合評價指標體系，利用模糊多因素層次評價數學模型，對坡面降雨徑流調控技術及其降雨徑流蓄集和利用狀況進行評價分析。計算結果表明，在具有季節性干旱缺水的坡耕地灌溉區域，在不同設計代表年份的降雨情況下均表現出良好的降雨徑流蓄集利用效果。因此，通過修建雨水蓄集工程，實施坡面徑流調控和水系的合理配置是很有必要的，同時也能為長江上游坡耕地整治與坡地高效生態農業的可持續發展提供科學依據和決策支持。

長江上游坡耕地；降雨徑流蓄集；利用效果；評價分析

長江上游坡耕地量大面廣、水土流失嚴重。它是我國坡耕地分布最為集中的地區，坡耕地面積約870萬hm2，占全國坡耕地總面積的41%，占區內耕地面積的72%，其中大于25°的坡耕地230萬hm2，占區內耕地面積的27%。同時，由于長江上游地區降雨時空分布不均，為限制農業生產發展的主要因素［1］。因此，如何減少坡耕地水土流失，以維護其生產潛力，改善生態環境，滿足日益增長的人口對糧食的需求；如何采取有效的坡耕地改造配套工程措施，攔截季節性降水徑流，減少地面徑流對土壤表層的沖刷，變無效徑流為有效灌溉水，形成支撐坡地高效生態農業的坡面配套工程體系，實現抗旱與防洪并舉，達到保持水土、保障農業生態安全的目的，是今后相當長一個時期內我國所必須面臨和解決的重大問題之一。

盡管目前與長江上游生態環境治理、農業生產條件改善相關的各種項目（如“中低產田改造”、“長治”、“天保”、“退耕還林”和“生態修復”等工程），都把坡耕地改造作為滿足糧食需求的基本措施和保障條件。但各地在進行坡耕地改造時，相應的配套措施體系滯后，即使有坡面徑流調控配套措施，也大多缺少科學依據，在徑流調控和模擬的原理、試驗方法、調控工程配套技術等方面尚未開展系統全面的研究工作，同時應用適合的概念模型來評價不同調控措施的影響和作用也還需要進行深入研究［2，3］。因此，建立定量化描述徑流調控效應的評價指標體系，并對坡耕地降雨徑流調控工程的結構、功能、蓄集和利用的實施效果進行綜合評價，不僅為指導當地生產實踐和改善生態環境起到一定的借鑒作用，而且能為長江上游坡耕地整治與坡地高效生態農業的可持續發展提供科學依據和決策支持。

1 試驗灌區概況

蝦子嶺流域位于重慶忠縣石寶寨鎮新政村境內長江北岸邊，距忠縣城約30 km。該流域試驗灌區地形北高南低，最高海拔241 m，最低海拔181 m，最大高差60 m，坡度5%～20%，屬典型的丘陵地貌。試驗灌區地處暖濕亞熱帶東南季風區，屬亞熱帶東南季風區山地氣候。溫熱寒涼，四季分明，雨量充沛，年降雨量900～1 200 mm。≥10℃年積溫5 787℃，年均溫度18.2℃，無霜期341 d，日照時數1 327.5 h，日照率29%，太陽總輻射能350.356 kJ／cm2，相對濕度80%，日照充足。

蝦子嶺流域試驗灌區面積為15.17 hm2，其中有旱地5.16 hm2，占33.9%；水田1.66 hm2，占11.0%；園地2.96 hm2，占19.34%；水域面積約0.36 hm2，占2.2%，其余為草地和農民居住地。目前，試驗灌區范圍內包括2個小組，小組1有77戶，人口250人，人均0.053 hm2，其中冬水田0.005 hm2，園地0.007 hm2，旱地0.012 hm2。小組2有45戶，人口176人，人均0.053 hm2，其中冬水田0.02 hm2，園地0.02 hm2，旱地0.013 hm2。

在試驗灌區主要糧食作物為水稻、玉米、小麥和紅薯。水稻栽培為冬水田種植模式，水稻旱育秧（3月20日至谷雨）、移栽（谷雨移栽至立秋），7月10日左右抽穗揚花，8月25日至9月15日收割。正常年份，水稻產量約7 500～9 000 kg／hm2。2003年遇干旱，水稻產量僅為1 500 kg／hm2左右。2009年夏季的大暴雨，坡面行洪，田坎被沖毀，致使水田無法蓄水，同時又遭遇蟲害，當年水稻產量約4 500 kg／hm2。旱地種植模式為小麥－玉米－紅薯，每年2～3熟。正常年份，小麥產量約3 750～4 500 kg／hm2，玉米產量約5 250～6 000 kg／hm2，紅薯產量約15 000～22 500 kg／hm2。蔬菜種植主要是蕃茄、茄子、海椒和白菜等。主要的農產品價格，水稻0.55元／kg，玉米0.575元／kg，小麥0.45元／kg，紅薯0.1元／kg。主要的農資價格，碳銨40元／包（50 kg），尿素100元／包（40 kg），磷肥（奉節產）35元／包（50 kg）。

蝦子嶺流域試驗灌區的地形和坡面降雨徑流蓄集工程（農田水利工程）規劃示于圖1。

2 降雨量分析及設計代表年選擇

根據蝦子嶺流域的地理位置、自然環境和下墊面條件等綜合因素，選取雙河站作為試驗灌區的代表站，并收集整理了1958－2009年共51年測降雨量和蒸發資料。對該站降雨系列進行頻率分析，計算得出P－III型分布的統計參數，即多年平均降雨量為1 235 mm，Cv＝0.11，Cs＝2Cv；同時也得到P分別為10%（濕潤年）、50%（平水年）和90%（干旱年）3個設計代表年，采用同倍比縮放典型年降雨過程，推求出不同設計典型年逐旬的降雨量值，計算結果見表1。

圖1 試驗灌區地形與農田水利工程Fig.1 Landform and farm land hydraulic engineerings in the test irrigation district

3 坡面降雨徑流蓄集利用效果評價

蝦子嶺流域坡面降雨徑流蓄集和利用綜合評價是根據試驗灌區自然地形、降雨徑流蓄集工程、徑流調控措施、田間道路防護、坡耕地改造等，以及結合經濟、技術、社會影響和生態環境各個方面構建評價指標體系，通過所建立的評價方法與數學模型，在不同設計代表年份的降雨情況下，對坡面降雨徑流調控技術及其水系的合理配置進行綜合評價，從而全面地分析降雨徑流蓄集利用實施效果。

3.1 評價指標的構建

表1 設計典型年逐旬的天然降雨量Table 1 Ten-day mean natural rainfalls in typical design years mm

在進行蝦子嶺流域試驗灌區現場調研的基礎上，針對試驗灌區的自然地理條件和農業種植特點，建立坡面降雨徑流蓄集和利用評價指標體系的主要目的：①了解坡面降雨徑流蓄集工程措施和調控技術的作用、功能及效益；②從認識如何采取有效的坡耕地改造，攔截季節性降水徑流，減少地面徑流對土壤表層的沖刷，變無效徑流為有效灌溉水等幾個方面，分析、集成和篩選坡面徑流調控的配套工程技術與措施；③通過對各種措施的降雨徑流調控機理進行深入分析，并優化各種工程技術，以達到固土保水、調節徑流、減少泥沙等功效，進而探析坡耕地地質、地貌特征、降水規律、地面坡度、耕地資源等特征，形成適合于長江上游坡耕地坡面降雨徑流調控措施體系和模式；④實現抗旱與防洪并舉，達到保持水土和保障農業生態安全的目的。因此，構建評價指標體系應遵循可操作性與指導性相結合的基本原則。

蝦子嶺流域試驗灌區坡耕地坡面降雨徑流蓄集和利用分析主要包括3方面的內容：一是降雨徑流蓄集工程設施現狀分析，側重于對降雨徑流蓄集的農田水利工程（水池、凼和塘）建設及其蓄水和供水能力的分析；二是降雨徑流蓄集利用效果分析，側重于對降雨徑流利用效率和效益的分析；三是降雨徑流蓄集配套工程措施與調控技術集成可持續性分析，側重于對降雨徑流蓄集工程管理制度和降雨徑流調控技術的可持續性，以及配套工程開發的潛力與措施等的綜合分析。該試驗灌區坡面降雨徑流蓄集和利用的綜合評價指標體系，包括3個目標層和4個效果層，共14個指標因子，見表2所示。

表2 試驗灌區降雨徑流蓄集和利用綜合評價指標體系Table 2 Integrated evaluation index system of rainfallrunoff storage and utilization in test irrigation district

3.2 評價指標的賦權

熵權法是根據各評價對象指標值來確定各指標權重的一種方法，它反映的是指標因子間的相互比較關系，是比較客觀的一種指標賦權方法［4，5］。本文采用熵權法來確定各指標的權重。

3.2.1 計算權重

定義fij為矩陣X的第j層指標下第i項被評價對象指標值的比重，則有

式中：xij為第j層指標的第i項指標值；wj為第j層指標的權重。

3.2.2 指標賦權

使用上述權重計算方法求得各層指標的權重后，對樣本矩陣Y進行加權處理，令zij＝wijyij，可得加權后的樣本矩陣Z＝（zij）n×p，評價向量為ˉdi＝（zi1，zi2，…，zip），i＝1，2，…，n。

3.2.3 指標的正交變換

由于多個評價指標之間存在一定的關聯關系，并會造成評價信息之間的相互重疊和干擾，因而難以進行客觀分類和評價。為了過濾掉指標間相互聯系所造成的重復信息，則對原指標值進行正交變換，降低數據噪聲。

設Z′Z的特征值為λ1，λ2，…λp（λ1≥λ2≥…λp≥0），對應的單位特征向量分別為α1，α2，…，αp。令A＝（α1，α2，…，αp），對樣本矩陣Z作正交變換，即令U＝ZA，則得到新的樣本評價矩陣U＝（uij）n×p，新的決策向量記為di＝（ui1，ui2，…，uip），i＝1，2，…，n。

3.2.4 構造理想決策向量

為了求出各決策向量在理想決策向量上的投影，構造理想決策向量，即將每個樣本看作一個p維向量，則理想決策向量記為

以各決策向量在理想決策向量上的投影值作為評價指標的權重（見表2）。

3.3 評價模型的建立

結合蝦子嶺流域試驗灌區的自然環境和農業生產實際情況，本文采用模糊多因素三級綜合評價方法進行蝦子嶺流域試驗灌區降雨徑流蓄集和利用的綜合評價。

3.3.1 一級評判

將綜合評價指標體系按已分的M大類中的N大亞類，分別進行一級評判，并將其結果作為二級評判時的一個單因素。即

式中：Ci為第i亞類的一級評判結果；Ai和Bi分別為第i亞類中各個因素的權重分配矩陣和隸屬度矩陣；Ui為第i個評價指標的隸屬度。

3.3.2 二級評判

將綜合評價指標體系已分的M大類，分別進行二級評判，并將其結果作為三級評判時的一個單因素。即

式中：Ej為第j類的二級評判結果；Dj為第j類在二級評判中的權重分配矩陣；Cj為第j類的一級評判結果。

3.3.3 三級評判

式中：F為某一方案的綜合評價結果；Gk為第k類在整個類中的權重分配矩陣；Ek為第k類的二級評判結果。這里的Gk應滿足歸一化條件，即

3.3.4 各個評價指標隸屬度的確定

評價指標的隸屬度Ui是指各個評價指標隸屬于缺水的程度，取值在0～1之間。

3.4 綜合評價計算與結果分析

3.4.1 評價指標無量綱化處理

設有n個被評價對象，由p個指標來描述，樣本矩陣則表示為X＝（xij）n×p。為了消除各指標值量綱和數量級的差異對評價結果造成的影響，首先就要對各評價指標值進行無量綱化處理。

對于正向指標：

對于負向指標：

其中max xij，min xij分別表示第j個指標下各評價樣本屬性值的最大值和最小值。

經過無量綱化處理后，樣本矩陣X轉化為矩陣Y＝（yij）n×p，yij∈［0，1］。

3.4.2 實施效果水平標度

針對蝦子嶺流域試驗灌區水系配置和降雨徑流調控的特點，并參考國內外有關項目評估的經驗［6］，采用灰色理論中的白化權函數，將其坡面降雨徑流蓄集和利用實施效果水平按降雨徑流蓄集工程設施現狀、利用效果、配套工程措施與調控技術集成可持續發展勢頭等內容分為5個等級，相應的標度值如表3。

表3 降雨徑流蓄集和利用實施效果標度值Table 3 Calibration values of performance effect of rainfall-runoff storage and utilization

3.4.3 計算結果分析

根據蝦子嶺流域試驗灌區農業、水利、經濟等實際資料和參考四川省相關指標的統計數據［6］，分別針對未實施改造與實施改造后平水年和干旱年2種情形，采用模糊多因素3級綜合評價方法，計算得到降雨徑流蓄集和利用實施效果水平比較結果見表4。

表4 降雨徑流蓄集利用評價結果比較Table 4 Comparison of evaluation results of rainfall-runoff storage and utilization

從表4的綜合評價可知，通過開展坡面水系配置和降雨徑流調控，使得降雨徑流蓄集和利用效果顯著提高。未實施改造與實施改造后平水年與干旱年的總評判值從0.505分別提高為0.795和0.908，實施效果水平標度由“一般”上升到“較好”和“很好”標準。同時，還表明當遭遇季節性干旱的程度越大，實施坡地水系配置和降雨徑流調控技術的效果也會越大。這一評價結果基本上是符合實際情況的，也說明正是在蝦子嶺流域試驗灌區實施農田水利工程和田間道路工程改造，進而提高了降雨徑流蓄集利用和改善農業生態環境所帶來的結果。

4 結 語

在國家支撐計劃課題的支持下，重慶市忠縣蝦子嶺流域試驗灌區實施坡耕地改造前后，通過組裝集成就地攔蓄、聯合調配、田間防滲等措施，使降雨徑流蓄集和利用得到較大的提高，實施效果水平標度由“一般”上升到“較好”和“很好”，反映出坡地分段集雨補灌技術模式，不僅能夠增強降雨徑流調控能力，而且是保障示范區蓄集和利用降水的安全高效農業關鍵技術。同時，相關成果對長江上游坡耕地整治與高效生態農業建設發展起到了良好的推進作用，并具有推廣意義。

［1］ 楊青華，張 志，杜 軍，等.三峽庫區下岸溪小流域水土流失現狀評估［J］.長江科學院院報，2009，26（4）：53－56.（YANG Qing-hua，ZHANG Zhi，DU Jun，et al.Soil erosion assessment on Xia’anxi small watershed of Three Gorges Reservoir Area［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（4）：53－56.（in Chinese））

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（編輯：王 慰）

Effect Evaluation of Rainfall-Runoff Storage and Utilization w ith Sloping Farm land in Upper Yangtze River

LIANG Chuan1，HOU Xiao-bo1，ZHAO Xie-jing2，ZHAO Xiao-rong2
（1.College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Soil and Fertilizer Institute，Sichuan Academy of Agricultural Sciences，Chengdu 610066，China）

In this paper，the effectevaluation of rainfall-runoff storage and utilization with sloping farmland at Xiaziling Irrigation Test District in Zhong County，Chongqing City，was studied by establishing reasonable fuzzy mathematic model.The integrated evaluation index system，which takes into consideration of building the reservoirs up sloping farmlands，used for regulating rainfall-runoff，intercepting seasonal rainwater and supplying water for crop irrigation requirement，has been advanced.Then the model was used to evaluate collection and utilization of the rainwater in the test areas.The calculated results showed that the good effectivenesswith different natural rainfalls in typical design years was determined.Therefore，it is necessary to regulate the flow of rainfall-runoff and to implementwater into a distribution system in seasonal drought zone.At same time the result can provide scientific basis for furthermore researches of rainfall-runoff storage and utilization on the sloping farmland in the upper reaches of Yangtze River aswell.

sloping farmland in upper Yangtze River；rainfall-runoff storage；utilization effect；evaluation

X824

A

1001－5485（2010）11－0001－05

2010-09-10

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2008BAD98B02）

梁 川（1957-），男，四川雅安人，教授，從事水文水資源及水環境研究工作，（電話）028-85463699（電子信箱）lchester＠sohu.com。