梁 川，侯小波，趙燮京，趙小蓉

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diào)控工程技術(shù)措施、攔截季節(jié)性降水、補(bǔ)充作物需水高峰期用水效果的綜合評價指標(biāo)體系，利用模糊多因素層次評價數(shù)學(xué)模型，對坡面降雨徑流調(diào)控技術(shù)及其降雨徑流蓄集和利用狀況進(jìn)行評價分析。計算結(jié)果表明，在具有季節(jié)性干旱缺水的坡耕地灌溉區(qū)域，在不同設(shè)計代表年份的降雨情況下均表現(xiàn)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(shí)施坡面徑流調(diào)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(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)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(yán)重。它是我國坡耕地分布最為集中的地區(qū)，坡耕地面積約870萬hm2，占全國坡耕地總面積的41%，占區(qū)內(nèi)耕地面積的72%，其中大于25°的坡耕地230萬hm2，占區(qū)內(nèi)耕地面積的27%。同時，由于長江上游地區(qū)降雨時空分布不均，為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素［1］。因此，如何減少坡耕地水土流失，以維護(hù)其生產(chǎn)潛力，改善生態(tài)環(huán)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(jié)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(tài)農(nóng)業(yè)的坡面配套工程體系，實(shí)現(xiàn)抗旱與防洪并舉，達(dá)到保持水土、保障農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的目的，是今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)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(tài)環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善相關(guān)的各種項目（如“中低產(chǎn)田改造”、“長治”、“天保”、“退耕還林”和“生態(tài)修復(fù)”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(jìn)行坡耕地改造時，相應(yīng)的配套措施體系滯后，即使有坡面徑流調(diào)控配套措施，也大多缺少科學(xué)依據(jù)，在徑流調(diào)控和模擬的原理、試驗方法、調(diào)控工程配套技術(shù)等方面尚未開展系統(tǒng)全面的研究工作，同時應(yīng)用適合的概念模型來評價不同調(diào)控措施的影響和作用也還需要進(jìn)行深入研究［2，3］。因此，建立定量化描述徑流調(diào)控效應(yīng)的評價指標(biāo)體系，并對坡耕地降雨徑流調(diào)控工程的結(jié)構(gòu)、功能、蓄集和利用的實(shí)施效果進(jìn)行綜合評價，不僅為指導(dǎo)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐和改善生態(tài)環(huán)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(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 試驗灌區(qū)概況

蝦子嶺流域位于重慶忠縣石寶寨鎮(zhèn)新政村境內(nèi)長江北岸邊，距忠縣城約30 km。該流域試驗灌區(qū)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(qū)地處暖濕亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)山地氣候。溫?zé)岷疀觯募痉置?，雨量充沛，年降雨?00～1 200 mm?！?0℃年積溫5 787℃，年均溫度18.2℃，無霜期341 d，日照時數(shù)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(qū)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(nóng)民居住地。目前，試驗灌區(qū)范圍內(nèi)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(qū)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(yáng)花，8月25日至9月15日收割。正常年份，水稻產(chǎn)量約7 500～9 000 kg／hm2。2003年遇干旱，水稻產(chǎn)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(dāng)年水稻產(chǎn)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(chǎn)量約3 750～4 500 kg／hm2，玉米產(chǎn)量約5 250～6 000 kg／hm2，紅薯產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)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(nóng)資價格，碳銨40元／包（50 kg），尿素100元／包（40 kg），磷肥（奉節(jié)產(chǎn)）35元／包（50 kg）。

蝦子嶺流域試驗灌區(qū)的地形和坡面降雨徑流蓄集工程（農(nóng)田水利工程）規(guī)劃示于圖1。

2 降雨量分析及設(shè)計代表年選擇

根據(jù)蝦子嶺流域的地理位置、自然環(huán)境和下墊面條件等綜合因素，選取雙河站作為試驗灌區(qū)的代表站，并收集整理了1958－2009年共51年測降雨量和蒸發(fā)資料。對該站降雨系列進(jìn)行頻率分析，計算得出P－III型分布的統(tǒng)計參數(shù)，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(shè)計代表年，采用同倍比縮放典型年降雨過程，推求出不同設(shè)計典型年逐旬的降雨量值，計算結(jié)果見表1。

圖1 試驗灌區(qū)地形與農(nóng)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(jù)試驗灌區(qū)自然地形、降雨徑流蓄集工程、徑流調(diào)控措施、田間道路防護(hù)、坡耕地改造等，以及結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會影響和生態(tài)環(huán)境各個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，通過所建立的評價方法與數(shù)學(xué)模型，在不同設(shè)計代表年份的降雨情況下，對坡面降雨徑流調(diào)控技術(shù)及其水系的合理配置進(jìn)行綜合評價，從而全面地分析降雨徑流蓄集利用實(shí)施效果。

3.1 評價指標(biāo)的構(gòu)建

表1 設(shè)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(jìn)行蝦子嶺流域試驗灌區(qū)現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對試驗灌區(qū)的自然地理條件和農(nóng)業(yè)種植特點(diǎn)，建立坡面降雨徑流蓄集和利用評價指標(biāo)體系的主要目的：①了解坡面降雨徑流蓄集工程措施和調(diào)控技術(shù)的作用、功能及效益；②從認(rèn)識如何采取有效的坡耕地改造，攔截季節(jié)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(diào)控的配套工程技術(shù)與措施；③通過對各種措施的降雨徑流調(diào)控機(jī)理進(jìn)行深入分析，并優(yōu)化各種工程技術(shù)，以達(dá)到固土保水、調(diào)節(jié)徑流、減少泥沙等功效，進(jìn)而探析坡耕地地質(zhì)、地貌特征、降水規(guī)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(diào)控措施體系和模式；④實(shí)現(xiàn)抗旱與防洪并舉，達(dá)到保持水土和保障農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的目的。因此，構(gòu)建評價指標(biāo)體系應(yīng)遵循可操作性與指導(dǎo)性相結(jié)合的基本原則。

蝦子嶺流域試驗灌區(qū)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(nèi)容：一是降雨徑流蓄集工程設(shè)施現(xiàn)狀分析，側(cè)重于對降雨徑流蓄集的農(nóng)田水利工程（水池、凼和塘）建設(shè)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(cè)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(diào)控技術(shù)集成可持續(xù)性分析，側(cè)重于對降雨徑流蓄集工程管理制度和降雨徑流調(diào)控技術(shù)的可持續(xù)性，以及配套工程開發(fā)的潛力與措施等的綜合分析。該試驗灌區(qū)坡面降雨徑流蓄集和利用的綜合評價指標(biāo)體系，包括3個目標(biāo)層和4個效果層，共14個指標(biāo)因子，見表2所示。

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

3.2 評價指標(biāo)的賦權(quán)

熵權(quán)法是根據(jù)各評價對象指標(biāo)值來確定各指標(biāo)權(quán)重的一種方法，它反映的是指標(biāo)因子間的相互比較關(guān)系，是比較客觀的一種指標(biāo)賦權(quán)方法［4，5］。本文采用熵權(quán)法來確定各指標(biāo)的權(quán)重。

3.2.1 計算權(quán)重

定義fij為矩陣X的第j層指標(biāo)下第i項被評價對象指標(biāo)值的比重，則有

式中：xij為第j層指標(biāo)的第i項指標(biāo)值；wj為第j層指標(biāo)的權(quán)重。

3.2.2 指標(biāo)賦權(quán)

使用上述權(quán)重計算方法求得各層指標(biāo)的權(quán)重后，對樣本矩陣Y進(jìn)行加權(quán)處理，令zij＝wijyij，可得加權(quán)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(biāo)的正交變換

由于多個評價指標(biāo)之間存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并會造成評價信息之間的相互重疊和干擾，因而難以進(jìn)行客觀分類和評價。為了過濾掉指標(biāo)間相互聯(lián)系所造成的重復(fù)信息，則對原指標(biāo)值進(jìn)行正交變換，降低數(shù)據(jù)噪聲。

設(shè)Z′Z的特征值為λ1，λ2，…λp（λ1≥λ2≥…λp≥0），對應(yīng)的單位特征向量分別為α1，α2，…，αp。令A(yù)＝（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(gòu)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(gòu)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(biāo)的權(quán)重（見表2）。

3.3 評價模型的建立

結(jié)合蝦子嶺流域試驗灌區(qū)的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，本文采用模糊多因素三級綜合評價方法進(jìn)行蝦子嶺流域試驗灌區(qū)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(biāo)體系按已分的M大類中的N大亞類，分別進(jìn)行一級評判，并將其結(jié)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(jié)果；Ai和Bi分別為第i亞類中各個因素的權(quán)重分配矩陣和隸屬度矩陣；Ui為第i個評價指標(biāo)的隸屬度。

3.3.2 二級評判

將綜合評價指標(biāo)體系已分的M大類，分別進(jìn)行二級評判，并將其結(jié)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(jié)果；Dj為第j類在二級評判中的權(quán)重分配矩陣；Cj為第j類的一級評判結(jié)果。

3.3.3 三級評判

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

3.3.4 各個評價指標(biāo)隸屬度的確定

評價指標(biāo)的隸屬度Ui是指各個評價指標(biāo)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(jié)果分析

3.4.1 評價指標(biāo)無量綱化處理

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

對于正向指標(biāo)：

對于負(fù)向指標(biāo)：

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

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

3.4.2 實(shí)施效果水平標(biāo)度

針對蝦子嶺流域試驗灌區(qū)水系配置和降雨徑流調(diào)控的特點(diǎn)，并參考國內(nèi)外有關(guān)項目評估的經(jīng)驗［6］，采用灰色理論中的白化權(quán)函數(shù)，將其坡面降雨徑流蓄集和利用實(shí)施效果水平按降雨徑流蓄集工程設(shè)施現(xiàn)狀、利用效果、配套工程措施與調(diào)控技術(shù)集成可持續(xù)發(fā)展勢頭等內(nèi)容分為5個等級，相應(yīng)的標(biāo)度值如表3。

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

3.4.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)蝦子嶺流域試驗灌區(qū)農(nóng)業(yè)、水利、經(jīng)濟(jì)等實(shí)際資料和參考四川省相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［6］，分別針對未實(shí)施改造與實(shí)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(shí)施效果水平比較結(jié)果見表4。

表4 降雨徑流蓄集利用評價結(jié)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(diào)控，使得降雨徑流蓄集和利用效果顯著提高。未實(shí)施改造與實(shí)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(shí)施效果水平標(biāo)度由“一般”上升到“較好”和“很好”標(biāo)準(zhǔn)。同時，還表明當(dāng)遭遇季節(jié)性干旱的程度越大，實(shí)施坡地水系配置和降雨徑流調(diào)控技術(shù)的效果也會越大。這一評價結(jié)果基本上是符合實(shí)際情況的，也說明正是在蝦子嶺流域試驗灌區(qū)實(shí)施農(nóng)田水利工程和田間道路工程改造，進(jìn)而提高了降雨徑流蓄集利用和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境所帶來的結(jié)果。

4 結(jié) 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(qū)實(shí)施坡耕地改造前后，通過組裝集成就地攔蓄、聯(lián)合調(diào)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(shí)施效果水平標(biāo)度由“一般”上升到“較好”和“很好”，反映出坡地分段集雨補(bǔ)灌技術(shù)模式，不僅能夠增強(qiáng)降雨徑流調(diào)控能力，而且是保障示范區(qū)蓄集和利用降水的安全高效農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)。同時，相關(guān)成果對長江上游坡耕地整治與高效生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)發(fā)展起到了良好的推進(jìn)作用，并具有推廣意義。

［1］ 楊青華，張 志，杜 軍，等.三峽庫區(qū)下岸溪小流域水土流失現(xiàn)狀評估［J］.長江科學(xué)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））

［2］ 馬根錄.植物籬技術(shù)在湖北坡耕地治理中的應(yīng)用和效果分析［J］.長江科學(xué)院院報，2009，26（3）：9－12.（MA Gen-lu.Application and benefit analysis of hedgerows technology in sloping farm land imporvment of Hubei Provine［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（3）：9－12.（in Chinese））

［3］ 周利軍，齊 實(shí)，王云琦，等.三峽庫區(qū)典型林分林地土壤抗蝕抗沖研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：186－188.（ZHOU Li-jun，QI Shi，WANG Yun-qi，et al.Study on erision of soil in typic trees of Three Gorges Reservoir Area［J］.Research of Soil and Water Conservation，2006，13（1）：186－188.（in Chinese））

［4］ 秦永昊，方維風(fēng).營區(qū)雨水集蓄利用效果評價模糊數(shù)學(xué)模型［J］.四川環(huán)境，2010，29（3）：140－142.（QIN Yong-hao，F(xiàn)ANGWei-feng.Fuzzy Mathematic model for evaluation utilization effect of rain water conllection in barreck［J］.Sicuhan Enviorment，2010，29（3）：140－142.（in Chinese））

［5］ 謝季堅，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.（XIE Ji-jian，LIU Chenping.Fuzzy Mathematic Mathod and Application［M］.Wuhan：Huazhong Science and Technology Press，2006.（in Chinese））

［6］ 朱鐘麟，陳建康，劉曉軍，等.四川丘陵區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)效益綜合評價指標(biāo)體系與評價模型［J］.山地學(xué)報，2007，25（4）：483－489.（ZHU Zhong-lin，CHEN Jiankang，LIU Xiao-jun，et al.The assess index system and evaluati onmodel of water savi ng agricultural benefits in Hilly Area，Sichuan［J］.Journal of Mountain Science，2007，25（4）：483－489.（in Chinese））

（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(huán)境研究工作，（電話）028-85463699（電子信箱）lchester＠sohu.com。