賈立志，高建恩，張元星，張夢杰，王顯文，李興華

（1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學院大學，北京100049；3.西北農林科技大學 資源與環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；4.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100）

水土流失已成為阻礙黃土丘陵溝壑區(qū)發(fā)展的重要因素之一［1］，退耕還林還草則成為改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境以及防止水土流失的一項戰(zhàn)略性措施。將坡耕地改為高標準梯田并進一步提高耕作技術會滿足農村人口對糧食基本需求，并在一定程度上推動退耕還林還草的貫徹與實施［2］。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)修筑梯田不僅能夠推動水土保持工作的實施，更有利于鞏固退耕還林還草成果［3］。水平梯田在蓄水、保水等方面具有起到了重要的作用［4］。總體來說，梯田對于改善農田、土壤、以及整個生態(tài)系統(tǒng)都有重要的作用［5］。除此之外，梯田也是確保新形勢下糧食安全重要工程措施，因此興建高標準梯田是必然趨勢。

上世紀80年代竇玉青在統(tǒng)計分析了黃土高原地區(qū)不同地點的梯田的攔沙效益的基礎上，對梯田的防蝕作用進行了理論上的分析。初步得出梯田防蝕是通過減緩徑流流速與分散徑流而達到的［6］。揭曾佑在分析了黃土高原地區(qū)多年的平均降雨資料的基礎之上，得出在黃土高原地區(qū)的月降雨量在100～200 mm之間的情況下，梯田徑流的入滲速率會大于降雨速率，降雨會被截留在梯田內不會產生徑流，則不會發(fā)生土壤侵蝕［4］。但是由于黃土高原地區(qū)降水在時間上的分布不均等狀況［1］，導致侵蝕性降雨集中，當面臨百年不遇的特大暴雨時，會在短時間內形成大量降雨，降雨速率超過入滲速率即為超滲產流，降雨徑流會對梯田造成嚴重的沖刷，嚴重威脅到梯田的安全。當降雨徑流超過一定的值時，梯田就被沖毀，不僅造成該地水土流失、養(yǎng)分流失等問題。當梯田被嚴重沖毀時，將會造成農作物減產甚至絕產，嚴重威脅人民群眾的生命與財產安全。因此對暴雨下的梯田侵蝕災害規(guī)律分析研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文基于2013年6月到9月份特大暴雨，在進行對典型梯田進行實地測量的基礎之上，分析梯田的侵蝕量與降雨徑流之間關系。探求高標準梯田暴雨侵蝕災害的成因以及相關規(guī)律，并為梯田的修建以及梯田防蝕措施的選取提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣馬家溝流域（109°08′—109°22′E，36°45′—N36°58′N），流域總面積73.7km2，水土流失面積72.3km2，主溝道長約17.4km，溝道比降平均約為6.5‰［7］。流域內地形陡峻，溝壑縱橫水土流失嚴重，溝壑密度約為4.5 km／km2，平均土壤侵蝕模數(shù)為14 000t／（km2·a）［8］，屬于重度土壤侵蝕區(qū)，其地形地貌具有很強的代表性。土壤以黃綿土為主要土類，氣候屬于大陸性半干旱季風氣候，多年平均降雨量約為520mm，大部分集中于春夏季節(jié)，其中6—9月份降雨約占全年降雨的80%［9］。本文選取馬家溝流域曹新莊梯田作為研究對象。該梯田斷面總共有8級梯田，按照高程從上到下依次為1—8號梯田斷面。梯田主要的種植作物為谷子（Olyza sativa）、土豆（Solanum tuberosum）、玉米（Zea mays）、向日葵（Helianthus annuus）等，各梯田概況如表1所示。

表1 各級梯田概況

1.2 資料獲取

1.2.1 降雨資料獲取 根據(jù)陜西省水利廳所統(tǒng)計的降雨資料［10］，安塞縣2013年6—9月百年一遇特大暴雨總計降雨量為1 000.6mm。具體降雨日分布如圖1所示。

1.2.2 侵蝕資料獲取與處理 結合當?shù)貙嶋H情況采用水準測量法和制圖學方法相結合的手段對典型梯田進行土壤侵蝕測量與分析。運用徠卡全站儀［11］對安塞縣馬家溝曹新莊典型梯田進行實地測量，具體步驟如下：（1）選取典型梯田斷面，運用全站儀對梯田地形進行測量，測量內容包括：經度、緯度、高程；（2）整理資料繪制成圖；（3）待降雨過后再次對該典型梯田進行測量，整理資料繪制成圖；（4）對比兩次測量數(shù)據(jù)并計算得出所需數(shù)據(jù)。

圖1 安塞縣2013年6－9月降雨日分布

運用ArcGIS 9.3專業(yè)軟件平臺，對實地觀測數(shù)據(jù)進行分析處理，具體方法步驟如下：（1）將全站儀所測數(shù)據(jù)導入ArcGIS；（2）用實測坐標數(shù)據(jù)構建矢量點格式圖層；（3）運用ArcGIS中3DAnalyst模塊中工具“內插構建TIN” ；（4）兩次測量數(shù)據(jù)都建立TIN后，用ArcGIS的3DAnalyst模塊中“Surface Analyst”命令，采用兩個TIN圖層作差的方式求得各個梯田斷面匯水面積、侵蝕量、侵蝕面積等相關數(shù)據(jù)。

1.2.3 地表徑流量計算 根據(jù)典型梯田坡面的實際地形，每級梯田匯集上面梯田所產生的徑流，并使該級梯田發(fā)生侵蝕，侵蝕產生的泥沙最終在最下一層梯田坡面流失，該梯田坡面2013年6—9月地表徑流量根據(jù)以下公式計算：

式中：W——地表徑流量（m3）；F——匯水面積（m2）；R——該區(qū)6—9月降雨量（mm）；K——徑流系數(shù)。

根據(jù)陜西省水利廳統(tǒng)計的降雨資料，該區(qū)2013年6—9月降雨量為1 000.6mm。據(jù)《延安地區(qū)實用水文手冊》和已有的研究可知該地區(qū)徑流系數(shù)為K＝0.15［13－14］?？梢杂嬎愕贸龈魈萏飻嗝娴牡乇韽搅髁俊?/p>

2 結果與分析

2.1 梯田斷面侵蝕規(guī)律分析

根據(jù)典型梯田坡面實際地形，坡面中軸線呈西南—東北走向，總面積約為33 654m2，地勢西南高東北低，降雨徑流由西南方向東北方匯集，每一級梯田匯集以上各個梯田坡面的降雨徑流與泥沙，最末一級梯田為泥沙與徑流出口。

在各級梯田中，海拔高度最高的第1級梯田面蝕和溝蝕面積最小，分別占梯田面積的13.1%和1.9%。就面蝕而言，第1，2級梯田屬于輕度侵蝕，第3—6級梯田屬于中度侵蝕，第7，8級梯田面蝕面積分別占梯田面積的54.2%和68.2%，屬于強度侵蝕。就溝蝕而言，第1—5級梯田溝蝕面積均小于10%，屬于輕度侵蝕，第6級梯田為中度侵蝕。第7，8級梯田溝蝕面積均超過15%，屬于強度侵蝕（表2）。面蝕面積從第3級梯田開始增加比較明顯而溝蝕從第6級梯田開始增加明顯。

由于第1—6級梯田匯水面積比較小，在降雨初期主要以雨滴擊濺侵蝕為主，并且很難在短時間內形成大量的徑流對梯田斷面形成沖刷。在坡面水流形成初期，水層很薄而且處于分散狀態(tài)，沒有形成巨大的能量，僅僅形成薄層水流引起坡面的薄層剝蝕，沒有形成足夠的水流沖刷下切，所以1—6級梯田主要以面蝕為主。然而由于第7，8級梯田匯集以上坡面所產生的地表徑流，地表徑流量達到一定的值后，水流集中，侵蝕能量增強，會對坡面造成劇烈的下切侵蝕、旁蝕與溯源侵蝕而形成面積較大的侵蝕溝。梯田斷面總體侵蝕規(guī)律為：最上級梯田侵蝕輕微，依次往下梯田侵蝕面積所占百分比逐漸增大并且增加明顯。1—6級梯田主要以面蝕為主，僅發(fā)生輕微溝蝕，第7，8級梯田溝蝕面積明顯增加，面蝕面積也有相應增加，侵蝕總面積占梯田面積75%以上，并且溝蝕所造成的危害比面蝕更加嚴重。

表2 各級梯田侵蝕狀況

2.2 地表徑流與侵蝕量關系分析

第1—5級梯田的土壤侵蝕量都在50t以內，第6級梯田侵蝕量則陡升為168.96t，相對于第5級梯田增加303.5%。第7級梯田的土壤侵蝕量增加則相對比較緩慢僅為19.1%。而第8級梯田則陡升為314.26 t，相對于上一級梯田增加51.2%。由此可以看出隨著梯田級數(shù)的增加，土壤侵蝕量有一個先緩慢增加，然后陡然上升，最后又緩慢增加的一個過程（表3）。

表3 各級梯田侵蝕量與侵蝕模數(shù)

根據(jù)吳欽孝等 的研究，地表徑流量在很大程度上影響著梯田坡面的侵蝕產沙量。梯田斷面地表徑流量對侵蝕產沙量起到了主要的作用，隨著地表徑流量的增加侵蝕量有明顯的增加趨勢。圖2為地表徑流量與侵蝕量經回歸分析后建立的關系，地表徑流量與侵蝕量存在顯著的相關關系。其中第6級梯田侵蝕量增加顯著，主要原因為地表徑流量匯集達到一定的程度，大量的地表徑流致使梯田無法承受強烈沖刷導致侵蝕劇烈。除了地表徑流因素影響外，在一定程度上也與該梯田斷面的土地利用方式有關。第6級梯田面的土地利用方式為裸地，因此沒有植被的截流以及防蝕措施，裸露的地表無法抵御暴雨以及大量地表徑流的沖刷，必然導致該梯田坡面侵蝕顯著。而第7級梯田坡面的侵蝕量增加率僅為19.1%，主要原因為該斷面種植作物玉米。根據(jù)楊曉芬，吳發(fā)啟等的研究：與裸地相比玉米能夠起到很好的減水減沙作用，并且很好的起到了防止水如流失的作用，其中玉米可減少43.12%的徑流模數(shù)以及56.57%的侵蝕模數(shù)［17］。在下級梯田斷面采取一定的林草措施會起到攔蓄徑流，防止坡面沖刷的作用。第8級梯田侵蝕量又顯著升高，由此可見，當面臨百年不遇特大暴雨時，林草措施很難抵御降雨徑流的沖刷，需要在梯田斷面布置水沙調控措施層層攔蓄徑流，才能保障梯田斷面的安全。

圖2 地表徑流量與侵蝕量關系

2.3 地表徑流與侵蝕模數(shù)關系分析

根據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)2013年6—9月平均侵蝕模數(shù)為20 659.7t／hm2，超過了該區(qū)年平均土壤侵蝕模數(shù)［14 000t／（km2·a）］的47.6%。根據(jù)我國水利部（1986）在《水土保持技術規(guī)范》［18］中的土壤侵蝕分級，侵蝕模數(shù)大于15 000t／（km2·a）即為劇烈侵蝕［19］，該區(qū)為極劇烈侵蝕。導致該梯田坡面極劇烈侵蝕的主要原因有兩點：（1）該梯田坡面修筑時沒有充分考慮當?shù)貙嶋H降雨以及侵蝕情況，沒有修筑梯田田坎等一系列的攔擋措施。導致大暴雨產生的地表徑流隨坡面流入下一級梯田，不僅導致了徑流對梯田斷面的沖刷侵蝕，還會增加下一級梯田的地表徑流量，對梯田坡面造成嚴重的損壞；（2）該流域2013年6—9月份降雨為1 000.6mm，為該區(qū)年均降雨量的2倍多，僅7月12日一天降雨量達100mm。根據(jù)王萬忠等人對黃土高原地區(qū)降雨與水土流失的關系分析可知，造成該區(qū)土壤侵蝕的主要原因為短歷時、高強度的暴雨［20］。大量降雨致使梯田斷面來不及入滲，再加上黃土結構疏松［21］以及滲透性較低［22］，導致了地表徑流對梯田坡面沖刷嚴重。

由表3可以看出，1—5級梯田2013年6—9月份都小于15 000t／km2，第6級梯田侵蝕模數(shù)較第5級梯田侵蝕模數(shù)增加率為82.13%，第7，8級分別為74.4%和14.4%。各級梯田侵蝕模數(shù)的變化趨勢和侵蝕量的變化趨勢類似，都經過一個緩慢增加然后陡升，最后又緩慢增加的一個過程。第7，8級梯田侵蝕模數(shù)達到47 244t／km2和54 048t／km2，分別為該區(qū)年平均侵蝕模數(shù)的3.4倍和3.9倍。影響各級梯田侵蝕模數(shù)變化的因素有梯田面積、地表徑流量、防蝕措施等，其中主要因素是地表徑流量。

圖3為地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)之間關系圖。可以看出侵蝕模數(shù)與地表徑流量存在顯著的關系。經回歸分析可得侵蝕模數(shù)和地表徑流量關系式為：

式中：Ms——土壤侵蝕模數(shù)（t／km2）；W——地表徑流量（m3）。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)的最大容許土壤流失量為1 000t／（km2·a）［19］，但是由于實地條件的限制，該區(qū)的侵蝕模數(shù)控制在年平均侵蝕模數(shù)［14 000t／（km2·a）］即可?？汕蟪鲈搮^(qū)6—9月份降雨量臨界值為475mm，可知該區(qū)6—9月月臨界降雨量為118.8mm。

圖3 地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)關系

2.4 梯田防蝕措施探究

根據(jù)以上研究可知梯田的土壤侵蝕量與地表徑流量呈顯著相關，所以控制梯田侵蝕的關鍵是控制地表徑流量。在降雨量一定的條件下，應通過控制該地區(qū)徑流系數(shù)與匯水面積或改變微地形條件來減少地表徑流量，進而達到減少徑流對梯田坡面的沖刷的目的。但是僅僅采取林草措施不足以抵御百年不遇大暴雨的沖刷，因此需要采取工程措施對梯田進行水沙調控設計來對坡面徑流層層攔蓄，以達到防止梯田侵蝕的目的。

根據(jù)黃土高原丘陵溝壑區(qū)的實際情況，主要的工程措施采取修建反坡梯田與梯田田埂相結合來對水沙進行調控。反坡梯田是廣泛應用于黃土丘陵溝壑區(qū)的一種水土保持工程措施。其主要特征為：梯田反坡修筑，梯田外部高于內部，即梯田斷面向梯田根基部位傾斜成一定角度［23］。反坡梯田在一定程度上可以截斷地表徑流，如此一來，既減少了徑流對下一級梯田斷面的沖刷，減少了侵蝕，又將徑流分別存蓄在梯田斷面內，形成小型的蓄水系統(tǒng)。對于改良土壤理化性質、蓄水保肥、提供農作物產量都起到了關鍵的作用。因此可根據(jù)當?shù)貙嶋H地形修建反坡梯田的坡度一般在3°～5°為宜。梯田田埂是分布于梯田外圍的主要用于減水減沙的埂坎，其具有攔蓄徑流、防止侵蝕、保水保肥等作用［24］。根據(jù)梁改革等人的研究梯田斷面泥沙淤積大都小于30cm，因此該區(qū)梯田田埂修建可按照梯田設計規(guī)范中30cm修建［25］。

3 結論

（1）該區(qū)2013年6—9月份平均侵蝕模數(shù)超過年平均侵蝕模數(shù)47.6%。在黃土丘陵溝壑區(qū)，6—9月降雨量臨界值為118.8mm，當降雨量超過這一值時，梯田面將遭受嚴重的侵蝕。

（2）造成梯田侵蝕嚴重的因素有多種，其中地表徑流量為主要考慮因素。梯田田面溝蝕和面蝕狀況都非常嚴重，由于地表徑流量的增加，下級梯田侵蝕比上級梯田嚴重，侵蝕面積最高可占梯田面積的86.8%。因此，梯田底部僅采取林草措施無法有效的防止侵蝕，還需要運用水沙調控等水保工程措施達到防止土壤侵蝕的目的。

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