李星瑤, 張根廣, 高建恩,2,3, 高 哲, 麻卉港, 封博研, 馬 林

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，“退耕還林(草)”工程有效改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，但由此也產(chǎn)生了耕地面積不足的問(wèn)題[1-2]。其后實(shí)施的溝道土地整治工程在緩解人地矛盾和確保糧食安全方面發(fā)揮了重要作用[3-4]。溝道土地整治工程系指在流域廢棄或者多年淤不滿的淤地壩或者新建擋土墻前，通過(guò)切削溝道邊坡，人工填充溝道而形成高質(zhì)量土地的工程。溝道土地整治區(qū)域即人工回填溝道后新增的土地。該工程是黃土高原在“退耕還林(草)”工程后進(jìn)一步實(shí)施的新型溝道治理措施。由于溝道土地整治需要切削高陡邊坡，填埋溝道造地，因此改變了下墊面條件，也必然對(duì)產(chǎn)匯流產(chǎn)生影響，然而進(jìn)行溝道土地整治首先需要產(chǎn)匯流計(jì)算。因此研究溝道土地整治條件下的產(chǎn)匯流變化問(wèn)題，對(duì)確保溝道土地整治工程安全，鞏固“退耕還林(草)”成果，進(jìn)一步確保黃土高原地區(qū)糧食安全、土地安全、生態(tài)安全及高質(zhì)量發(fā)展都具有重要意義。

產(chǎn)匯流計(jì)算是流域水文學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。高建恩、婁現(xiàn)勇和孫彭成等[5-6]的室內(nèi)水槽人工降雨試驗(yàn)結(jié)果表明，溝道土地整治后溝道蓄水能力增強(qiáng)，溝道土地整治對(duì)溝道降水分配、產(chǎn)匯流等都有較大影響。SCS-CN是20世紀(jì)50年代由美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局提出的，常用于推求小流域設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，已被SWAT，SWMM以及HEC-HMS等數(shù)學(xué)模型采用。徑流曲線數(shù)是SCS模型中的主要參數(shù)，表征了流域下墊面的產(chǎn)流能力，它與流域坡度、土壤濕潤(rùn)度(AMC)、植被類型及覆蓋度、土壤類型和土地利用狀況等關(guān)系密切，對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性有顯著影響[7]。模型自身雖構(gòu)建了徑流曲線數(shù)檢索表，但由于該值會(huì)隨時(shí)空變化，不同地區(qū)在氣候、地形、土壤類型、土地利用等方面差異較大，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行一定修正[8-10]。目前SCS模型在黃土高原的應(yīng)用研究已有不少。Liu等[11]基于遙感數(shù)據(jù)和水文氣象資料，采用SCS模型模擬了黃土高原典型小流域單次暴雨地表徑流的變化過(guò)程，并給出了適合流域的徑流曲線數(shù)取值范圍。Huang等[12]將坡度因子嵌入SCS產(chǎn)匯流算法中，提出適用于中國(guó)黃土高原地區(qū)徑流曲線數(shù)隨著坡度變化的關(guān)系式。羅利芳等[13]也對(duì)徑流曲線數(shù)隨坡度變化的特性進(jìn)行了探索。王英等[10,14]利用徑流小區(qū)試驗(yàn)資料對(duì)黃土區(qū)谷子、苜蓿以及高粱用地的徑流曲線數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將雨強(qiáng)引入模型以提高計(jì)算精度。鄧景成等[15]通過(guò)模擬降雨將黃土區(qū)草地和裸地的初損率和徑流曲線數(shù)進(jìn)行了率定。SCS模型已成為黃土高原地區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算的重要方法，溝道土地整治工程規(guī)模宏大，影響深遠(yuǎn)，但目前還未對(duì)SCS模型在溝道土地整治流域的應(yīng)用進(jìn)行探索。為此，本文針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)大規(guī)模溝道土地整治后流域徑流曲線數(shù)變化研究較為薄弱的問(wèn)題，基于流域?qū)嶓w比尺模型，模擬分析不同比例的溝道土地整治工程對(duì)不同植被覆蓋流域徑流曲線數(shù)的影響，旨在尋求溝道土地整治區(qū)域徑流曲線數(shù)的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 SCS-CN模型

SCS-CN模型是基于水分平衡方程如公式(1)，和兩個(gè)基本假設(shè)如公式(2)—(3)建立的，由以上3式可得產(chǎn)流計(jì)算公式如公式(4)。流域最大可能滯留量S與CN的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如公式(5)，由以上各式可得CN值的反算公式如公式(6)。

P=Ia+F+Q

(1)

(2)

Ia=λS

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：P為降雨總量(mm);Ia為初損量(mm);F為入滲量(mm);Q為徑流量(mm);λ是一個(gè)區(qū)域系數(shù),表示初損量與最大可能蓄水量之間的比值,一般取值0.2;S為流域當(dāng)時(shí)的最大可能滯留量(mm),是后損量的上限; CN是反映水文土壤類型、流域前期濕潤(rùn)等級(jí)以及土地利用類型等因素的綜合指標(biāo),取值在0～100。水文土壤類型根據(jù)土壤質(zhì)地和最小入滲率進(jìn)行分類,隨著滲透性的依次降低被劃分為A,B,C,D這4類[10]。根據(jù)前5 d的總降雨量確定流域前期濕潤(rùn)等級(jí),分為AMCⅠ(干旱)、AMCⅡ(一般)和AMCⅢ(濕潤(rùn))3種等級(jí),AMCⅠ等級(jí)下的CNⅠ和AMCⅢ等級(jí)下的CNⅢ可由AMCⅡ等級(jí)下CNⅡ換算得到[10]。CN可根據(jù)水文土壤類型、流域前期濕潤(rùn)等級(jí)以及土地利用類型查表獲得。

1.2 比尺模型試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備 為了研究不同整治比例k(新增耕地面積與其攔擋工程以上流域面積的比值)對(duì)不同植被覆蓋流域徑流曲線數(shù)的影響，本研究選用試驗(yàn)設(shè)備為黃土高原延安燕溝康家圪嶗溝小流域比尺模型[16](圖1)。該模型原型流域面積0.34 km2，流域長(zhǎng)度0.903 km，平均寬度0.52 km，形狀系數(shù)0.52，土壤以黃綿土為主，土壤顆粒中以粉粒和砂粒為主，水文土壤類型為B類，抗沖性和抗蝕性較差。模型幾何比尺為1∶100，其降雨、徑流、侵蝕、輸移相似比尺參考文獻(xiàn)[16]。人工降雨器材采用BX-1型便攜式野外降雨器，試驗(yàn)前進(jìn)行雨強(qiáng)率定，確保降雨均勻度達(dá)到75%以上，在滿足幾何、植被、降雨、徑流、侵蝕、輸移等模型驗(yàn)證條件基礎(chǔ)上進(jìn)行不同整治比例和植被覆蓋度條件的徑流曲線數(shù)試驗(yàn)。

圖1 流域?qū)嶓w模型及試驗(yàn)概況

1.2.2 準(zhǔn)備工作 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作包括土樣選擇、模型高程校核、人工降雨雨強(qiáng)率定以及模型產(chǎn)流產(chǎn)沙驗(yàn)證等。根據(jù)延安地區(qū)歷年降雨資料以及康家圪嶗小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，同時(shí)參考前人研究成果，康家圪嶗溝流域年平均侵蝕性降雨量為141 mm[16]。本試驗(yàn)選取適用于模型的當(dāng)量雨強(qiáng)為0.114 mm/min，降雨歷時(shí)為40 min。將2020年7月地形恢復(fù)后裸坡條件下與2003年原型條件下模型的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表1。各項(xiàng)誤差均在20%之內(nèi)[17]，可知地形修復(fù)后驗(yàn)證試驗(yàn)的水沙過(guò)程與原型是基本相似的，可在此基礎(chǔ)上開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)。

表1 2020年與2003年驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)比

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的溝道土地整治比例k分別為0%，0.5%，5%，10%，15%和20%，溝道土地整治工程分布于流域溝道，其余面積的土地利用類型為草地。k為0%時(shí)，流域不布設(shè)擋墻，k為0.5%，5%以及15%時(shí)分別加設(shè)擋墻，擋墻高度為5 cm，頂寬2 cm，迎背水坡比為1∶1.5。設(shè)置植被覆蓋度為0%，25%，50%，75%和90%，植被高度為8 cm。本試驗(yàn)中，用秒表測(cè)定產(chǎn)流及徑流停止時(shí)間；主溝道自上游而下等距1 m處及各擋墻前設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)按橫向左、中、右3個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量徑流深及水面線長(zhǎng)度，每隔5 min測(cè)量一次；由徑流停止后擋墻前的水深及溝道坡度可計(jì)算出每次降雨的總產(chǎn)流量。

1.3 岔巴溝流域“7·26”降雨徑流曲線數(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證物理模型試驗(yàn)所得徑流曲線數(shù)在黃土丘陵溝壑區(qū)流域的適用性，本文將模擬試驗(yàn)所得徑流曲線數(shù)結(jié)果應(yīng)用于SWMM模型中，構(gòu)建典型溝道土地整治流域岔巴溝的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)2017年7月26日降雨進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算驗(yàn)證。SWMM(storm water management model)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降雨—徑流模擬模型，其參數(shù)要求較少、操作便捷、模擬精度較高，主要用于單次降雨或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)模擬[18]，選用SCS模型作為其地表產(chǎn)流計(jì)算方法。選用納什系數(shù)(NSC)和相對(duì)誤差(RE)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，NSC的范圍在0～1之間，數(shù)值越接近1，模型的吻合度越高，RE越小模擬結(jié)果越精確。NSC大于0.5時(shí)計(jì)算結(jié)果是令人滿意的，RE小于20%為許可誤差。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 流域徑流曲線數(shù)的變化分析

2.1.1 同一植被覆蓋下流域徑流曲線數(shù)隨整治比例的變化 為了研究流域同一植被覆蓋條件下的徑流曲線數(shù)隨整治比例的變化規(guī)律，將不同植被覆蓋度下的徑流曲線數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均，點(diǎn)繪其與整治比例的關(guān)系如圖2所示。圖2表明流域徑流曲線數(shù)隨著整治比例的增大而減小，與未整治流域相比，整治比例為20%時(shí)的徑流曲線數(shù)減小了6.77。就分段整治比例而言，流域徑流曲線數(shù)的減小速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)：整治比例由0.5%增大至5%時(shí)，流域徑流曲線數(shù)的減小速率是最大的，此時(shí)整治比例每增大1%，流域徑流曲線數(shù)減小0.49；整治比例由15%增大至20%時(shí)，整治比例每增大1%，流域徑流曲線數(shù)減小0.10，此時(shí)溝道土地整治工程對(duì)流域徑流曲線數(shù)的影響正逐步減小。

圖2 同一覆蓋度下流域徑流曲線數(shù)的變化

2.1.2 不同整治比例和植被覆蓋下流域徑流曲線數(shù)的變化 不同植被覆蓋度條件下，溝道土地整治對(duì)流域徑流曲線數(shù)的作用并不是完全相同的。圖3為不同植被覆蓋條件下，流域徑流曲線數(shù)隨著整治比例變化的規(guī)律。

圖3 不同整治比例和植被覆蓋度的流域徑流曲線數(shù)

由圖3可知，各植被覆蓋條件下流域徑流曲線數(shù)均隨著整治比例的增大而減小。植被覆蓋度為0%時(shí)，整治比例每增大1%，流域徑流曲線數(shù)減小0.20。植被覆蓋度為25%，50%，75%以及90%時(shí)，該值分別為0.29，0.46，0.42，0.31。在植被覆蓋度增大的過(guò)程中，溝道土地整治對(duì)流域徑流曲線數(shù)的影響先增大后減小，在植被覆蓋度為50%時(shí)，溝道土地整治實(shí)施后流域徑流曲線數(shù)的減小速率最大，可見(jiàn)并不是植被覆蓋度愈大減水效果就愈好，水保措施之間的最佳配置方式仍需要進(jìn)一步探討。

2.2 溝道土地整治區(qū)域徑流曲線數(shù)的變化分析

為探究植被覆蓋度對(duì)溝道土地整治區(qū)域徑流曲線數(shù)的影響，根據(jù)產(chǎn)流結(jié)果與每場(chǎng)試驗(yàn)中草地和溝道土地整治區(qū)域的面積占比，試算得各植被覆蓋條件下二者的徑流曲線數(shù)如圖4所示。由圖4可知，在同一植被覆蓋度下，草地的徑流曲線數(shù)始終大于溝道土地整治區(qū)域。為了研究徑流曲線數(shù)與植被覆蓋度之間的關(guān)系，對(duì)徑流曲線數(shù)與植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。R2分別為0.93和0.96，二者呈顯著的線性關(guān)系，溝道土地整治區(qū)域與草地的徑流曲線數(shù)均隨著植被覆蓋度的增大呈線性減小趨勢(shì)，植被覆蓋度每增大1%，溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)減小0.22，草地的徑流曲線數(shù)減小0.23。

圖4 溝道土地整治區(qū)域和草地的徑流曲線數(shù)

2.3 岔巴溝流域徑流曲線數(shù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述徑流曲線數(shù)的變化規(guī)律，構(gòu)建了岔巴溝的SWMM流域模型。選用黃土高原中部子洲縣2017年7月26日的降雨進(jìn)行模擬。模型需要輸入的參數(shù)有徑流曲線數(shù)、面積、寬度、坡度、不滲透性、滲透性粗糙系數(shù)、滲透性洼地蓄水等。根據(jù)前5 d的總降雨量確定流域前期濕潤(rùn)等級(jí)為AMCⅡ，水文土壤類型為B類。岔巴溝各子流域的植被覆蓋度為20%～40%，土地利用類型有林地、草地、耕地、建設(shè)用地以及溝道土地整治區(qū)域等。依據(jù)實(shí)體模型不同植被覆蓋度和整治比例試驗(yàn)結(jié)果初步選定溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)，其余土地利用類型徑流曲線數(shù)通過(guò)查表獲得，面積加權(quán)平均可得各子流域的徑流曲線數(shù)，模型主要參數(shù)的選取詳見(jiàn)表2。圖5為模擬和實(shí)測(cè)流量的對(duì)比結(jié)果。由圖5可知，小洪峰峰值的相對(duì)誤差為4.02%，峰現(xiàn)時(shí)間一致，大洪峰峰值的相對(duì)誤差為1.89%，峰現(xiàn)時(shí)間相對(duì)誤差為4.17%，NSC為0.85，流量計(jì)算滿足精度要求。

表2 SWMM模型的主要參數(shù)取值

圖5 實(shí)測(cè)流量與模擬流量的對(duì)比

將各子流域的整治比例與徑流曲線數(shù)點(diǎn)繪于圖6。由圖6可知，子流域徑流曲線數(shù)基本隨著整治比例的增大呈減小趨勢(shì)，但圖6中也有一些值不符合上述規(guī)律，其原因是子流域徑流曲線數(shù)受到多種土地利用類型的影響，如梯田、建設(shè)用地等。總體來(lái)說(shuō)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證結(jié)果較好，可見(jiàn)實(shí)體比尺模擬研究獲得的徑流曲線數(shù)規(guī)律可用于岔巴溝流域洪水計(jì)算。

圖6 子流域徑流曲線數(shù)與整治比例的關(guān)系

3 討 論

3.1 溝道土地整治對(duì)徑流曲線數(shù)的影響

流域的徑流曲線數(shù)受到諸多因素的影響，如坡度、植被覆蓋條件以及土地利用類型等因素。本研究結(jié)果表明溝道土地整治后流域的徑流曲線數(shù)減小，究其原因?yàn)椋?①溝道土地整治使得溝道局部坡度減小，這使得單位面積的實(shí)際承雨量變大，勢(shì)能差減小，坡面水流流速降低，降雨入滲量會(huì)有所增加； ②溝道土地整治工程的新增土地來(lái)源于削坡土壤，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和土體密實(shí)度低、孔隙率大、連通性強(qiáng)，更有利于降雨入滲。本研究試驗(yàn)得裸坡條件下溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)為53，通過(guò)婁現(xiàn)勇以及孫彭成等[5-6]所做的室內(nèi)水槽人工降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)反算得裸坡條件下溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)分別為77.04和58.54，本文結(jié)果與后者較為相近，與前者差距較大的原因是該研究雖在土槽中間添加PVC擋板為模擬壩體，但壩體數(shù)量并未隨整治比例的增大而增加，這與實(shí)際流域有一定出入，而孫彭成等人的試驗(yàn)中在k為30%和60%時(shí)分別為主溝道設(shè)置一個(gè)和兩個(gè)田坎，相比之下更好地還原了溝道土地整治流域的工程布設(shè)。除溝道土地整治外，流域治理還包括魚(yú)鱗坑、水平溝以及反坡梯田等造林整地工程，但整地后流域CN值的研究仍比較少見(jiàn)。

3.2 水土保持工程的合理配置

本文研究表明植被覆蓋度為50%時(shí)，溝道土地整治后徑流曲線數(shù)的減小速率是最大的，這表明流域前期植被覆蓋度對(duì)溝道土地整治工程的減流效果影響顯著。馮憬等[19]對(duì)隴中地區(qū)徑流小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果也表明徑流曲線數(shù)與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Katrien等[20]通過(guò)分析埃塞俄比亞不同植被恢復(fù)階段坡地的徑流曲線數(shù)，提出了兩種植被覆蓋度和徑流曲線數(shù)的回歸函數(shù)關(guān)系，徑流曲線數(shù)均隨著植被覆蓋度的增大而減小。以上研究均表明植被覆蓋對(duì)徑流曲線數(shù)的影響是不可忽略的，因此溝道土地整治工程的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮不同流域現(xiàn)有植被覆蓋情況的影響，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)植被覆蓋度與徑流曲線數(shù)的關(guān)系研究仍較少。此外，流域植被覆蓋度和溝道土地整治比例的最佳配置不能以減流作為單一工程效益目標(biāo)，還應(yīng)考慮到泥沙治理、農(nóng)作物灌溉需求、林草存活率以及流域污染治理等多方面的問(wèn)題。同時(shí)，水土保持工程的效益也會(huì)因各個(gè)流域不同的水文、地形地質(zhì)、氣象條件等而發(fā)生變化。因此，在今后的研究中要加強(qiáng)對(duì)流域水土保持工程最優(yōu)配置及效益評(píng)價(jià)的研究，為提高研究效率，可考慮借助數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多情景研究。

4 結(jié) 論

(1) 同一植被覆蓋度下，流域徑流曲線數(shù)隨著整治比例的增大而減小。與未整治流域相比，整治比例為20%時(shí)的流域徑流曲線數(shù)減小了6.77。就分段整治比例而言，隨著整治比例的增大，流域徑流曲線數(shù)的減小速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，整治比例由0.5%增大至5%時(shí)，流域徑流曲線數(shù)的減小速率最大。

(2) 不同植被覆蓋度下，溝道土地整治對(duì)流域徑流曲線數(shù)的作用并不完全相同。不同植被覆蓋度下流域徑流曲線數(shù)均隨著整治比例的增大而減小，植被覆蓋度為50%時(shí)溝道土地整治后流域徑流曲線數(shù)的減小速率最大。

(3) 植被覆蓋度對(duì)溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)影響顯著。同一溝道土地整治比例下徑流曲線數(shù)隨著植被覆蓋度的增大呈線性減小趨勢(shì)，植被覆蓋度每增大1%，溝道土地整治區(qū)域的徑流曲線數(shù)減小0.22，該規(guī)律在數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用結(jié)果良好。