北京市門頭溝地區不同水土保持措施的減水減沙效益

劉 棟

(重慶水利電力職業技術學院, 重慶 402160)

北京市門頭溝地區不同水土保持措施的減水減沙效益

劉 棟

(重慶水利電力職業技術學院, 重慶 402160)

摘要：[目的] 評價北京市門頭溝區水土保持措施的減水減沙效益，為區域水土保持措施的環境效益評估和土壤侵蝕預報參數選擇提供依據。 [方法] 根據2005—2009年北京市門頭溝區龍鳳嶺水土保持科技示范園內8個徑流小區的產流產沙數據，對不同水保措施的蓄水減沙效益進行分析。 [結果] 坡長不同的徑流小區年徑流深和土壤侵蝕模數差異顯著;梯田和樹盤都具有很好的水土保持效益，其減水效益分別達到77.6%和81.0%，減沙效益分別達到84.3%和77.4%；梯田和樹盤的影響因子分別為0.17和0.23，玉米、大豆和京白梨的影響因子分別為0.97，0.35和0.85。 [結論] 研究區內工程措施較植物措施具有更好的水土保持效益，且兩者相結合的水土保持效益最佳。

關鍵詞：徑流深; 土壤侵蝕模數; 水土保持措施; 水土保持效益

水土保持措施是北方土石山區治理水土流失的重要手段[1-4]，樹盤措施和梯田措施是山區坡地的重要水土保持措施之一。而通過徑流小區研究水土保持措施的減水減沙效益仍是目前重要的方法之一[5-6]。現階段對水土保持綜合治理的研究較多[7-8]，并且還有許多學者利用土壤侵蝕模型或者方程來評價工程措施因子和生物措施因子對土壤侵蝕量的影響[9-12]，但前人往往集中于對防治過程中單一措施對坡面產流產沙的影響，而對整體措施的水土保持效益研究較少，并且由于設計尺寸和施工材料的差異，使得水土保持措施因子的確定和效益評價較為復雜，故尚有許多問題需要進一步探討。本研究以北京市門頭溝區龍鳳嶺水土保持科技示范園內8個徑流小區的多年徑流深、土壤侵蝕模數觀測數據為依據，分析不同類型的水土保持措施的功效，以期為北京門頭溝地區水土保持措施的環境效益評估和土壤侵蝕預報參數選擇提供依據,并為水土保持規劃和環境治理等提供基礎資料。

1研究區概況

1.1　小流域概況

門頭溝區位于北京城區正西偏南，地理坐標為115°25′00″—116°10′07″E，39°48′34″—40°10′37″N，東西長62 km，南北長34 km，總面積1 455 km2，其中山區占總面積的98.5%，屬于典型的北方土石山區。全區分屬永定河、大清河和北三河3個水系，主要隸屬于永定河水系。該區屬中緯度大陸性季風氣候，年平均無霜期200 d左右，降水量年際變化大，最多為970.1 mm，最少為377.4 mm，年平均降水量約600 mm。

1.2　徑流小區概況

試驗徑流小區布設在北京市門頭溝區龍鳳嶺水土保持科技示范園內。該示范園地處櫻桃溝小流域,緊鄰永定河和109國道,土質為沙壤土,0—20 cm 土層的飽和含水量為31.49%。土壤容重約為1.367 g/cm3，屬于沙壤土。本研究選擇示范園區內的8個徑流小區進行試驗，具體試驗設計情況詳見表1，其中樹盤的修建方式為自上至下交錯排列，修建密度參考京白梨種植密度，每排修建一到兩個樹盤，共5排，每個樹盤規格為1 m×1 m；梯田修建方式為土坎隔坡梯田，隔坡段長4 m，平坡段1 m，梯田分布自上至下為：隔坡段—平坡段—隔坡段—平坡段。資料來源于2005—2009年年均徑流深和土壤侵蝕模數觀測數據。

表1　試驗地各徑流小區概況

1.3　小區內降雨特征

在所有降雨中，只有部分降雨發生地表徑流，進而引起土壤侵燭，發生真正意義上的土壤流失，這部分降雨稱為侵燭性降雨，本文所研究的降雨特征僅指產流降雨。利用2005—2009年北京門頭溝區擔禮的23次侵燭性降雨觀測資料，分析降雨特征(表2)。本試驗區2005—2009年年平均降雨侵蝕力為1 254.23 MJ/(hm2·mm)。

表2　研究區降雨特征統計表

2結果與分析

2.1　徑流小區長度對減沙減水效益的影響

不同長度下的徑流小區土壤侵蝕模數和徑流深如圖1所示。由10和20 m裸地徑流小區，10和20 m裸地梯田徑流小區對比可知，徑流深和土壤侵蝕模數與小區長度相關，10 m的裸地徑流小區的徑流深和土壤侵蝕模數分別為為20 m裸地徑流小區的74.4%和63.9%，10 m的裸地梯田徑流小區的徑流深和土壤侵蝕模數分別為為20 m裸地梯田徑流小區的67.7%和70.1%。可以發現，相同條件下，徑流小區越長徑流深越大。這是因為在土壤侵蝕發生的過程中，坡長是十分重要的一個影響因子，侵蝕發生時間以及侵蝕量的大小均與坡長密切相關[13]，因此減短坡面長度可降低集水區以及徑流匯集區的面積，減少徑流對土壤坡面的沖刷，從而減少坡面的產流產沙。

圖1　不同長度徑流小區土壤侵蝕模數及徑流深

2.2　不同工程措施對減沙減水效益的影響

試驗條件下，不同工程措施下的土壤侵蝕模數和徑流深如圖2所示。可以看出20 m徑流小區條件下，與裸地相比，裸地樹盤的減水減沙效益分別是81.0%和77.4%。10 m徑流小區條件下，裸地梯田的減水減沙效益分別是77.6%和84.3%，通過對比可以發現，試驗條件下樹盤措施可以最為有效的降低徑流小區內徑流深，而梯田則可以有效降低小區內的產沙量。這是因為樹盤措施改變了原有的坡面形態，形成了集水坑，并且呈品字形排列，避免地表徑流的匯集，增加了對徑流的攔蓄[14-15]。而梯田作為有效控制水土流失的工程措施，可以使原有地形變得平整，形成集水平臺。與樹盤相比梯田一旦溢流易形成明顯的溢流口，對下方土壤形成密集的沖刷侵蝕，故其保水能力稍弱于樹盤，但是梯田由于其改造地形，形成了集水平臺，因而對泥沙有更好的攔蓄作用。

圖2　不同工程措施徑流小區土壤侵蝕模數及徑流深

2.3　植物措施對減沙減水效益的影響

通過對比20 m徑流小區內裸地樹盤和植物樹盤、10 m徑流小區內裸地和坡耕地以及裸地梯田和植物梯田內的徑流深和土壤侵蝕模數可知(圖3)，植物措施可進一步提高減水減沙效益。與裸地相對比，植物覆蓋后，樹盤的減水減沙效益進一步提高為86.9%和81.0%，梯田的減水減沙效益提高為84.8%和94.5%。這是因為植物根系具有故土作用，并且植物的莖、干、葉也可以起到攔截降雨，減小雨滴擊濺侵蝕的作用，起到一定的水土保持效果。裸地、樹盤和梯田條件下，植物措施的減水減沙效益分別為5.6%，3.0%，31.25%，15.5%，32.14%，65.24%。由圖3可以看出，梯田上植物措施的減水減沙效益最大，裸地上的效益最小，不同工程措施上的植物措施有著不同的減水減沙效果[16-17]。但是效果不如工程措施明顯，其原因是：雖然植物措施有上述功能，但是工程措施可以直接改變地形，形成了不同層次集水區域，調控功能明顯。而且植物蓋度、形態對徑流泥沙進行調控有著很大影響。因此，植物措施與工程措施相結合的綜合性水土保持措施在坡面上有著更好的水土保持效果。

圖3　有無植物措施下徑流小區土壤侵蝕模數及徑流深

2.4　水土保持措施因子的確定

本研究中以中國土壤流失方程[18]為模型結構：

M=R·K·L·S·B·E·T

式中：M——年均侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長因子；S——坡度因子；B——生物措施因子；E——工程措施因子；T——耕作措施因子。

由方程定義可計算得出徑流小區內樹盤、梯田的工程措施因子以及大豆和玉米的生物措施因子(表3)。值得注意的是，生物措施因子通常受工程措施因子影響較大[19]，因此單一的分析研究不同植物物種的生物措施因子意義不大，應與工程措施相結合來進行分析，或僅在無資料時起到參考作用。

表3　徑流小區工程措施因子及生物措施因子

3結 論

(1) 坡長對徑流小區內單位面積上的產流產沙量有著顯著影響，年徑流深和土壤侵蝕模數隨著坡長的增大而增大。徑流小區坡面長度從10 m增加到20 m后，其他條件不變的情況下，徑流深和土壤侵蝕模數分別增加了34.4%～47.7%和42.1%～56.6%。

(2) 樹盤和梯田都具有十分良好的保水保土效益，減水效益分別達到81.0%和77.6%，減沙效益分別達到77.4%和84.3%。相比較而言，樹盤措施更能起到減水效益，而梯田措施能更好地起到減沙效益。

(3) 與植物措施相比，工程措施具有更好的水土保持功能，但是將二者結合后會具有更高的水土保持效益。并且植物措施受工程措施影響較大，不同工程措施下輔助的植物措施減水減沙效果差異顯著。

(4) 本研究條件下，梯田和樹盤的多年平均工程措施影響因子分別為0.17和0.23，玉米、大豆和京白梨的植物措施影響因子分別為0.97，0.35和0.85。

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Benefits of Runoff and Sediment Reductions of Different Soil and Water Conservation Measures in Mentougou Area of Beijing City

LIU Dong

(ChongqingWaterResourcesandElectricEngineeringCollege,Chongqing402160,China)

Abstract：[Objective] The reductions of runoff and sediment by the soil and water conservation measures in Beijing mentougou district were evaluated in order to provide some references for soil erosion prediction and environmental effects evaluation upon soil and water conservation. [Metheds] The benefits produced by different measures of soil and water conservation on reducing runoff and sediments were analyzed with the data from runoff plots(2005—2009) in the synthetic science demonstration park of soil and water conservation. [Results] There existed significant differences of runoff depth and soil erosion modulus among the runoff plots with different length; The benefits of terrace and tree disk mensure had good effects of soil and water conservation, they reduced runoff about 77.6% and 81.0%, respectively; and reduced sediment about 84.3% and 77.4%, respectively. The biological impacting factors of terrace and tree disk mensure were 0.17 and 0.23, respectively; the engineering factors of corn, soybean and developing pear were 0.97, 0.35 and 0.85, respectively. [Conclusion] As compared with biological measures, the benefits of engineering measures behaved better, and the combined benefits of the two measures would be the best in the study area.

Keywords:runoff depth; soil erosion modulus; soil and water conservation measures; benefits of soil and water conservation measures

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0107-04

中圖分類號：S157.1

收稿日期：2014-12-23修回日期：2015-01-06

資助項目：重慶市教育委員會科學技術研究項目“庫區坡地綠籬系統保土效益的空間分異規律”(KJ1403602); 重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2014jcyjA20009)

第一作者：劉棟(1987—),男(漢族),甘肅省定西市人,碩士研究生，講師，主要從事水土保持與土壤侵蝕方面的研究。E-mail:ld5229605@126.com。

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