黃土高原梯田和淤地壩坡溝治理措施對產流產沙的協同效應

白璐璐，時 鵬，李占斌，李 鵬，王 雯，趙 準，董敬兵

（1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048；2.旱區生態水文與災害防治國家林業和草原局重點實驗室，西安 710048）

0 引言

坡溝系統是黃土高原地區侵蝕產沙的基本單元，由坡面和溝坡兩部分組成[1-2]。黃土高原坡溝系統的水土保持工程措施主要是梯田和淤地壩工程，它們都發揮了良好的水土保持效益[3]。截至2018 年，黃土高原地區的梯田面積由20 世紀80 年代的1.4 萬km2增加到5.5 萬km2，修建各類淤地壩約5.9 萬座，其中骨干壩約占10%[4]。根據潼關水文站的水沙實測資料，黃河多年平均徑流量由426.4 億m3/a（1919—1959 年）減少至236.4 億m3/a（2000—2008 年），減小幅度為45%；多年平均輸沙量由16 億t/a（1919—1959 年）減少至2.5 億t/a（2000—2008 年），減小幅度為85%[5-6]。冉大川等[7]研究發現，1960 年至2002 年期間黃河中游大理河流域的淤地壩系年平均分別減少1840 萬m3的洪水量和1 290 萬t 的泥沙量。馬紅斌等[8]研究表明，截至2012 年位于潼關水文站以上的梯田工程能夠減少入黃泥沙約5 億t。大規模的水土保持生態建設改變了黃土高原地區的水土流失環境，部分有效控制了黃土高原的土壤侵蝕。

梯田是治理坡面的重要水土保持工程措施，被廣泛應用于黃土高原地區，其主要通過以下3 個方面調控土壤侵蝕過程：1）縮短了坡長，改變了原始的水文路徑，減少了水文連通性并擴大了集水區域，從而有效地攔截降雨[9]；2）減緩了坡度，梯田將原本陡峭的斜坡轉變為相對較為平坦的坡面，顯著地增加了土壤入滲量，土壤濕度和土壤持水能力，從而降低了降雨和徑流的能量，提高了土壤抗侵蝕的能力[10]；3）改善了土壤結構，促進降雨就地入滲，同時通過田坎攔截延長了土壤水分的入滲時間[11]。淤地壩是黃土高原重要的溝道治理工程措施，在攔沙，淤地，滯洪，蓄水等方面發揮了巨大效益[12]。此外，淤地壩攔擊泥沙形成的壩地顯著提升了流域的侵蝕基準面，減少了溝坡區域的水土流失面積[13]。就坡溝系統而言，壩地淤積過程導致了原始坡溝系統的地形發生變化，溝坡區域面積不斷減小[14-15]。

梯田或淤地壩措施能夠有效防治土壤侵蝕[16-19]。CHEN 等[16]基于meta-analysis 的結果，表明6 類不同形式的梯田措施減少徑流產量和泥沙產量的平均效益分別為48.9%和53.0%。張金慧等[17]基于實測資料研究表明，當汛期的降雨量分別小于231、191 和131 mm 時，一類、二類和三類梯田能夠攔截100%的泥沙，隨著降雨量的增加減沙效益減小。YUAN 等[18]基于MIKE 模型的結果，表明黃土高原王茂溝小流域的淤地壩能夠分別減少65.34%的洪峰和58.67%的洪量，使得流域的總輸沙量減少83.92%。WANG 等[19]也得到了相似的結論，淤地壩工程能夠改變降雨的分布特征，增加了地表蓄水量和土壤入滲量，減小了流域出口93.0%的徑流量。然而，現有的研究多集中于梯田或淤地壩工程單獨的減水減沙效益，對其綜合配置下是否能夠協同調控坡溝系統的土壤侵蝕過程尚不清楚。因此，本研究通過室內模擬降雨試驗，研究梯田和淤地壩工程綜合配置下坡溝系統的產流產沙過程，以期為黃土高原地區水土保持措施的科學配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤與試驗設備

試驗土壤來自陜西省西安市周邊表層黃土（0～20 cm），土壤類型為黃綿土，土壤容重為1.3 g/cm3，激光粒度儀（Mastersizer 2000,英國馬爾文公司）測得土壤顆粒組成：砂粒（＞0.050 mm）占比7.60%，黏粒（0.002～0.050 mm）占比91.26%，粉粒（＜0.002 mm）占比1.13%。將土壤運回試驗室后，剔除土壤中的雜草，石頭等，風干后過10 mm 的土篩，備用。

黃土高原地區典型的坡溝系統是由坡面與溝坡兩部分組成。其中，坡面的坡度一般為10°～25°，溝坡的坡度一般為25°～35°，坡面與溝坡的長度比為1.5:1.0。因此，在綜合考慮坡溝系統地形特征和室內試驗場地的設施情況后，試驗鋼槽由長6 m、寬1 m 和坡度15°的坡面和長4 m、寬1 m 和坡度28°的溝坡兩部分構成（圖1）。將坡溝系統等分為10 個斷面，并自上而下依次編號1、2····10。

圖1 坡溝物理模型模擬降雨試驗系統Fig.1 Physical model of slope-gully system under simulated rainfall experiment

模擬降雨試驗在西安理工大學西北旱區生態水利國家重點實驗室降雨侵蝕大廳進行，設計雨強為90 mm/h（連續降雨30 min）。降雨裝置為西安理工大學水資源研究所研制的下噴式模擬降雨裝置，有效降雨面積約為4.5 m×13.5 m，降雨高度為6 m，有效降雨均勻度為85%以上。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計

本研究共設計了10 種坡溝系統并分別命名（表1）。首先，在坡面區域設置了2 種模式，即裸坡和水平梯田。梯田措施設置于坡面的斷面3、4，每個斷面設置3 個階梯，水平梯田各階梯的尺寸根據坡面坡度和坡面長度計算得到：高度為8.6 cm，長度為32.2 cm。其次，在坡溝區域模擬了因淤地壩壩地淤積導致溝坡區域長度縮短，縮短值分別為0、1、2、3 和4 m（圖2）。

表1 模擬降雨試驗方案Table 1 Scheme of simulated rainfall experiment

圖2 試驗方案設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme design

1.2.2 試驗步驟

在進行模擬降雨試驗前，為保證土壤入滲條件與黃土高原自然狀態一致，首先在鋼槽底部鋪上一層20 cm厚的天然砂層。然后采用分層填壓得方式填土（每層5 cm），每層土壤都進行打毛處理，待土壤自然沉降后利用環刀測算土壤容重。當填土容重為1.30 g/cm3，土壤前期含水率為19%時即可進行模擬降雨試驗。

為消除試驗誤差，每種坡溝系統模擬降雨試驗重復2 次，共計20 場試驗。模擬降雨的產流時長為30 min，每分鐘都收集徑流泥沙樣品并稱其質量。待渾水樣品靜置12 h 后除去其上清液，用烘箱在65 ℃的條件下完全烘干并稱取侵蝕泥沙量，得到模擬降雨過程中每分鐘的產流率和產沙率。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 單一措施的減水減沙效益

基于收集到的徑流泥沙樣品，得到了土壤侵蝕過程中產流率（ri,L/min）和產沙率（si,g/min）。因此，累計產流量（R，L）和累計產沙量（S，g）可通過式（1）和式（2）計算得到。

式中x為監測時間，本文為30 min。

梯田措施的減水減沙效益通過式（3）和式（4）計算。

式中TRR指梯田措施減少坡溝系統徑流總量的效益，%；RCO指無梯田措施的10 m 裸坡坡溝系統的徑流總量，L：TR指梯田措施配置下坡溝系統的產流總量，L；TSR指梯田措施減少坡溝系統泥沙總量的效益，%；SCO指無梯田措施的10 m 裸坡坡溝系統的泥沙總量，g：TS指梯田措施配置下坡溝系統的泥沙總量，g。

坡溝系統產流試驗的徑流量和泥沙量數據采用Shapiro-Wilk 法進行正態性檢驗，均呈正態分布(不同試驗方案下SW值為0.96～0.99，P＞ 0.05)。采用SPSS 20.0(IBM SPSS @)軟件包和Orgin 軟件進行數據分析和繪制圖表。

無梯田措施下不同淤地壩淤積深度的減水減沙效益通過式（5）和式（6）計算。

式中SjRR指淤地壩淤積jm 減少坡溝系統徑流總量的效益，%；SjR指淤地壩淤積jm 坡溝系統的徑流總量，L；SjSR指淤地壩淤積jm 減少坡溝系統泥沙總量的效益，%；SjS指淤地壩淤積jm 坡溝系統的泥沙總量，g；j指淤地壩的淤積深度，j=0、1、2、3、4 m。

1.3.2 梯田和淤地壩減水減沙的協同效益

梯田和淤地壩共同配置下減水減沙的綜合效益通過式（7）和式（8）計算。

式中SjTRR指有梯田措施并淤積jm 綜合配置下減少坡溝系統徑流總量的效益，%；SjTR指有梯田措施并淤積jm綜合配置下坡溝系統的徑流總量，L；SjTRS指有梯田措施并淤積jm 綜合配置下減少坡溝系統泥沙總量的效益，%；SjTS指有梯田措施并淤積jm 綜合配置下坡溝系統的泥沙總量，g。

梯田和淤地壩共同配置下減水減沙的協同效益通過式（9）和式（10）計算。

式中SjTRS指梯田和淤地壩共同配置減少坡溝系統徑流總量的協同效益，%；SjTSS指梯田和淤地壩共同配置減少坡溝系統泥沙總量的協同效益，%。

坡溝系統產流試驗的徑流量和泥沙量數據采用Shapiro-Wilk 法進行正態性檢驗，均呈正態分布(不同試驗方案下SW值為0.96～0.99，P＞ 0.05)。采用SPSS 20.0(IBM SPSS @)軟件包和Orgin 軟件進行數據分析和繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同措施下坡溝系統的產流產沙過程

梯田和淤地壩顯著改變了坡溝系統的產流過程（圖3）。由圖3 可知，沒有梯田措施配置下的徑流過程在降雨開始后的幾分鐘內迅速增加，隨后趨于穩定。相比之下，梯田措施配置顯然延長了產流率達到峰值所需的產流時間。此外，無梯田措施配置的坡溝系統徑流過程的變異系數均小于35%，呈中等變異；而有梯田措施配置的坡溝系統徑流過程的變異系數均大于35%，呈高度變異（表2）。產流率達到峰值的時間隨著坡溝區域坡長的減小而增加，沒有梯田措施配置時，CO、L1、L2、L3、L4 的坡溝系統的產流率峰值分別在7、8、10、11 和13 min 后出現。隨著坡溝區域坡長的減小，梯田配置顯著降低了產流率的中位數，坡長縮短4、3、2、1.0 m 時減小幅度分別為77.39%、65.81%、53.56%、48.52%、45.63%（圖3）。此外，隨著坡溝區域坡長的減小，坡溝系統的累計徑流量不斷減小為CO (365.70 L) ＞ L1(336.92 L) ＞ L2 (315.33 L) ＞ L3 (278.21 L) ＞ L4 (243.48 L),T0 (196.36 L) ＞ T1 (158.71 L) ＞ T2 (136.39 L) ＞ T3(96.43 L) ＞ T4 (60.00 L)。

表2 不同試驗方案下產流率統計Table 2 Statistical of runoff yield under different experimental schemes

圖3 不同措施配置下坡溝系統的產流過程Fig.3 Runoff process of slope-gully system in different experimental schemes

同樣，梯田和淤地壩顯著改變了坡溝系統的產沙過程（圖4）。與無梯田措施配置的坡溝系統相比，有梯田配置的坡溝系統產沙過程較為穩定。此外，無論是否有梯田措施配置，坡溝系統的產沙過程均呈現為高度變異，變異系數均大于35%（表3）。隨著坡溝區域坡長的減小，坡溝系統的產沙率中位數也不斷減小：CO(2 058.77 g/min) ＞L1 (1 745.02 g/min)＞L2 (1 538.35 g/min)＞L3 (1 265.94 g/min)＞L4 (1 232.60 g/min)，T0 (1 359.87 g/min)＞T1 (856.64 g/min)＞T2 (559.50 g/min)＞T3 (426.51 g/min)＞T4 (323.70 g/min)。相較于沒有梯田配置，梯田配置下坡溝系統產沙的減小幅度隨著坡溝區域坡長的減小而增加：4 m (73.74%)＞3 m (66.31%)＞2 m (63.63%)＞1 m(50.91%)＞0 m (33.95%) (圖4)。

表3 不同試驗方案下產沙率統計Table 3 Statistical of sediment yield under different experimental schemes

圖4 不同試驗方案下坡溝系統的產沙過程Fig.4 Sediment process of slope-gully system under different experimental schemes

此外，隨著坡溝區域坡長的減小，坡溝系統的累計泥沙量不斷減小：CO (59 067.74 g)＞L1 (53 040.61 g)＞L2 (44 893.95 g)＞L3 (43 076.94 g)＞L4 (41 011.01 g),T0(43 814.01 g)＞T1 (25 220.38 g)＞T2 (16 327.66 g)＞T3 (13 456.55 g)＞T4 (10 391.52 g)。

2.2 徑流過程與泥沙過程的相關性分析

不同措施配置下坡溝系統的產流率和產沙率之間滿足y=ax+b的線性函數關系（y為產沙率，x為產流率）（P＜0.05）（圖5）。當a＞ 0 時，即產沙率隨著產流率的增加而增加，因此可定義斜率a為產沙效率，其值的大小能夠反映其產沙率的大小。不同方案下的a值滿足以下關系：CO ＞ T0，L1 ＞ T1，L2 ＞ T2，L3 ＞ T3，L4 ＞T4。從斜率a可以看出，與無梯田措施相比，梯田配置下的a值均較小，這表明梯田措施減小了坡溝系統的產沙能力。

圖5 不同試驗方案下坡溝系統產流率與產沙率的關系Fig.5 Relationship between runoff and sediment yields in slope-system under different experimental schemes

表4 不同試驗方案下坡溝系統累計產流量（x1）和累計產沙量（y1）的關系Table 4 Relationship between accumulated runoff and sediment in slope-system with different experimental schemes

由冪函數特性可知，當其冪指數B越靠近1，累計產沙量隨著累計產流量的增加迅速增加，因此可以定義其冪指數B為產沙能力。不同方案下冪指數B滿足以下順序：CO ＞ T0，L1 ＞ T1，L2 ＞ T2，L3 ＞ T3，L4 ＞ T4。產流率和產沙率的線性關系和累計產流量和累計產沙量的冪函數關系都表明，相較于有梯田配置的坡溝系統，沒有梯田配置的坡溝系統產沙能力更大。

2.3 梯田和淤地壩措施共同配置調控坡溝系統徑流量和泥沙量的協同效益

當無梯田措施配置時，減少坡溝系統的累計徑流量隨著坡溝區域坡長的減小而增加（表5）：L4 ＞ L3 ＞ L2＞ L1；減小幅度也隨著坡溝區域坡長的減小而增加：L4（33.42%）＞ L3（23.92%）＞ L2（13.77%）＞L1（7.87%）。無梯田措施配置下，減少坡溝系統的泥沙總量也具有相似的結果（表5）：L4 ＞ L3 ＞ L2 ＞ L1；減小幅度也隨著坡溝區域坡長的減小而增加：L4（30.57%）＞L3（27.07%）＞ L2（24.00%）＞ L1（10.20%）。

表5 不同方案下減少坡溝系統累計徑流量和累計泥沙量Table 5 Cumulative runoff and sediment reduction in slope-gully system under different schemes

與CO 相比，單一梯田配置導致坡溝系統的累計徑流量和累計徑流量分別減少了46.30%和25.82%（表5中T0）。與CO 相比，當梯田措施和淤地壩共同配置時，減少坡溝系統的累計徑流量坡溝區域坡長的減小而增加（表5）：T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1；減小幅度也隨著淤地壩淤積深度的增加而增加：T4（83.59%）＞ T3（73.63%）＞T2（62.71%）＞ T1（56.60%）。同樣的，減少坡溝系統的累計泥沙量也具有相似的結果（表5）：T4 ＞ T3 ＞ T2＞ T1；減小幅度也隨著坡溝區域坡長的減小而增加：T4（82.41%）＞ T3（77.22%）＞ T2（72.36%）＞T1（57.30%）。

與CO 相比，當梯田措施和淤地壩共同配置時，協同減少坡溝系統的累計徑流量隨著坡溝區域坡長的減小而增加（表6）：4 m＞3 m＞2 m＞1 m；協同減小效率也隨著坡溝區域坡長的減小而增加：4 m（3.87%）＞3 m（3.41%）＞2 m（2.63%）＞1 m（2.43%）。同樣的，協同減小坡溝系統的累計泥沙量也具有類似的結果（表6）：4 m＞3 m＞2 m ＞1 m；協同減小效率也隨著坡溝區域坡長的減小而增加：4 m（26.01%）＞3 m（24.32%）＞2 m（22.54%）＞1 m（21.27%）。

表6 梯田和淤地壩對坡溝系統累計徑流量和累計泥沙量的協同效應Table 6 Synergistic effects of terracing and check dam on cumulative runoff and sediment in the slope-gully system

3 討論

3.1 梯田和淤地壩措施的減水減沙作用

梯田和淤地壩是黃土高原地區控制土壤侵蝕的重要工程措施[20-22]。研究表明[22]，淤地壩工程通過壩身攔截了大量的徑流和泥沙，并且減少了原本流入下級河道的水沙。然而，對于坡溝系統而言，淤地壩工程能夠通過提升侵蝕基準面，減小坡溝區域可能發生土壤侵蝕的面積[23]。隨著淤地壩淤積深度的增加，坡溝系統的地貌發生改變，坡溝區域的長度不斷減小，縮短了坡溝系統的徑流長度。付興濤等[24]通過模擬降雨試驗探究了紅壤丘陵區坡耕地的土壤侵蝕過程，結果表明：坡耕地的產沙量與坡長因子存在顯著的相關關系，隨著坡長的增加產沙量增大。陳超等[25]通過室內放水沖刷試驗研究了不同坡長下黑土區的土壤侵蝕過程，結果表明：坡面含沙量隨著坡長的增加而增加，但是其增加速率卻隨著坡長減小。此外，王偉等[26]通過室內模擬降雨試驗與電解質示蹤相結合的方法，研究了黃土坡面流的水動力過程，結果表明坡面徑流流速隨著坡長的增加而增加。這些研究結果與本研究的結果類似，在坡溝系統中隨著淤地壩淤積深度的增加，坡溝區域的坡長縮短，進而導致坡溝系統的產流產沙量減小，并隨坡溝長度的縮短呈減小趨勢。

梯田措施能夠減小落在坡面區域的雨滴能量并增加坡面區域的土壤入滲量，從而降低了坡溝系統的徑流量[27]。此外，梯田措施還減緩了坡溝系統的坡度，在改變徑流路徑的同時降低了徑流能量，進而減少了坡溝系統的產沙量[28]。石生新等[29]通過模擬降雨試驗，量化了幾種坡面水土保持措施的減水減沙效益，其中水平階（水平梯田）能夠減少20%的徑流量和60%的泥沙量。RAN 等[30]的研究結果進一步表明，梯田措施通過改變徑流路徑進而顯著降低了徑流量，有效控制了流域的土壤侵蝕。本研究也得到了類似的結果，梯田措施能夠有效控制坡溝系統的產流產沙過程。與沒有梯田配置的坡溝系統相比，梯田措施配置下坡溝系統的徑流總量減少46.30%～83.59%，泥沙總量減少25.82%～82.41%。但是，單獨的水土保持措施所減少的徑流總量和泥沙總量明顯小于兩種措施的共同配置下坡溝系統的徑流總量和泥沙總量。

3.2 綜合措施減水減沙的協同作用

本研究量化了梯田措施與淤地壩措施共同配置下調節坡溝系統水沙過程的協同作用，結果表明，綜合措施配置調控徑流量和泥沙量的協同效應隨著淤地壩淤積深度的增加而增加。以T3 為例，簡要說明梯田與淤地壩措施綜合配置下如何協同調控坡溝系統產流產沙過程。1）當梯田措施為唯一措施時（T0），它能夠分別減小坡溝系統的徑流量169.33 L 和泥沙量15 253.72 g。2）當淤地壩措施為唯一措施時（L3），它能夠分別減小坡溝系統的徑流總量87.48 L 和泥沙總量15 990.79 g。3）當認為兩者綜合配置對于坡溝系統的產流產沙不具有協同作用時，它們應該分別減小徑流總量256.81 L（169.33 +87.48）和泥沙總量31 244.51 g（15 253.72+15 990.79）。4）實際上，在梯田和淤地壩共同配置下（T3）分別減少了坡溝系統的徑流總量269.27 L 和泥沙總量45 611.19 g。然而，T3 配置下減少的徑流總量和泥沙總量明顯高于不考慮協同作用下減少的徑流總量和泥沙總量。因此，梯田與淤地壩措施共同配置下對調控坡溝系統的產流產沙過程具有協同作用。

綜合措施減水減沙的協同作用是通過梯田措施的“原地”效應和“異地”效應實現的。首先，梯田措施通過就地攔截徑流和泥沙量降低了坡溝系統的產流產沙量，這代表了梯田措施的“原地”效應[31]。其次，由于淤地壩工程的不斷淤積，坡溝區域的徑流長度和可能發生土壤侵蝕的面積減小，這進一步減少了坡溝系統的產流產沙量[32]。再次，梯田措施減少了流入坡溝區域的徑流量和泥沙量，這代表了梯田措施的“異地”效應[33]。最后，梯田措施、淤地壩措施與兩者產生的協同作用顯著的減少了坡溝系統的徑流量和泥沙量，從而發揮了“1+1 ＞2”的水土保持效益。

3.3 對坡溝治理措施的建議

黃土高原地區的坡溝系統是由坡面和坡溝兩部分組成，水沙輸移和能量傳遞從坡面到坡溝連續演化的水文過程[34]。單一的坡面措施或溝道措施攔截徑流和泥沙的效果遠遠不及坡溝措施綜合配置下的減水減沙效益[35-36]。坡溝兼治的綜合措施不僅能夠發揮單一措施的減水減沙效益，還能同時發揮多種措施對水沙過程的協同調控作用。王文龍等[37]研究表明，坡溝系統內上方坡面來水是影響坡溝區域侵蝕產沙的關鍵因素，減少進入溝坡區域的徑流和泥沙對于減輕坡溝區域水土流失至關重要。高海東等[38]研究表明，隨著淤地壩的運行，流域的侵蝕基準會不斷抬升，進而導致流域發生侵蝕的不穩定區域逐漸減小，從而控制了流域的土壤侵蝕。ZHAO 等[39]研究表明，淤地壩和土地利用變化綜合減少了皇甫川流域的泥沙總量近80%，這項研究強調了綜合措施配置對減少流域水土流失的優勢，這與本研究的結果一致。因此，坡溝治理必須堅持坡溝兼治的治理方針，形成完整的水土保持措施體系，發揮坡溝治理措施減水減沙的協同作用。

4 結論

本研究通過室內模擬降雨試驗，研究在90 mm/h 降雨強度下，不同措施配置下坡溝系統的產流產沙過程。通過構建對照組（CO）、單一措施組：僅有梯田措施（T0）和4 個因淤地壩淤積導致的坡溝關系改變（L1、L2、L3 和L4）以及綜合措施為梯田措施和淤地壩措施結合（T1、T2、T3 和T4），量化了梯田與淤地壩措施綜合配置對減少坡溝系統產流產沙的協同作用。得到以下結論：

1）梯田措施能夠分別減少坡溝系統46.30%～83.59%的徑流總量和25.82%～82.41%的泥沙總量。

2）淤地壩淤積深度的增加分別減少坡溝系統7.87%～33.42%的徑流總量和10.20%～30.57%的泥沙總量。

3）梯田與淤地壩綜合配置對減少坡溝系統的徑流總量和泥沙總量具有協同效益，并且協同效益受淤地壩淤積深度的增加而增加，產流的協同效應：4 m（3.87%）＞3 m（3.41%）＞2 m（2.63%）＞1 m（2.43%）；產沙的協同效應：4 m（26.01%）＞3 m（24.32%）＞2 m（22.54%）＞1 m（21.27%）。