白璐璐，時(shí) 鵬，李占斌，李 鵬，王 雯，趙 準(zhǔn)，董敬兵

（1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

0 引言

坡溝系統(tǒng)是黃土高原地區(qū)侵蝕產(chǎn)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(tǒng)的水土保持工程措施主要是梯田和淤地壩工程，它們都發(fā)揮了良好的水土保持效益[3]。截至2018 年，黃土高原地區(qū)的梯田面積由20 世紀(jì)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(jù)潼關(guān)水文站的水沙實(shí)測(cè)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(fā)現(xiàn)，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(guān)水文站以上的梯田工程能夠減少入黃泥沙約5 億t。大規(guī)模的水土保持生態(tài)建設(shè)改變了黃土高原地區(qū)的水土流失環(huán)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(yīng)用于黃土高原地區(qū)，其主要通過以下3 個(gè)方面調(diào)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(kuò)大了集水區(qū)域，從而有效地?cái)r截降雨[9]；2）減緩了坡度，梯田將原本陡峭的斜坡轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)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(jié)構(gòu)，促進(jìn)降雨就地入滲，同時(shí)通過田坎攔截延長了土壤水分的入滲時(shí)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(fā)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(zhǔn)面，減少了溝坡區(qū)域的水土流失面積[13]。就坡溝系統(tǒng)而言，壩地淤積過程導(dǎo)致了原始坡溝系統(tǒng)的地形發(fā)生變化，溝坡區(qū)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(jié)果，表明6 類不同形式的梯田措施減少徑流產(chǎn)量和泥沙產(chǎn)量的平均效益分別為48.9%和53.0%。張金慧等[17]基于實(shí)測(cè)資料研究表明，當(dāng)汛期的降雨量分別小于231、191 和131 mm 時(shí)，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(jié)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(jié)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(xiàn)有的研究多集中于梯田或淤地壩工程單獨(dú)的減水減沙效益，對(duì)其綜合配置下是否能夠協(xié)同調(diào)控坡溝系統(tǒng)的土壤侵蝕過程尚不清楚。因此，本研究通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究梯田和淤地壩工程綜合配置下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，以期為黃土高原地區(qū)水土保持措施的科學(xué)配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(cè)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(yùn)回試驗(yàn)室后，剔除土壤中的雜草，石頭等，風(fēng)干后過10 mm 的土篩，備用。

黃土高原地區(qū)典型的坡溝系統(tǒng)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(tǒng)地形特征和室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地的設(shè)施情況后，試驗(yàn)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(gòu)成（圖1）。將坡溝系統(tǒng)等分為10 個(gè)斷面，并自上而下依次編號(hào)1、2····10。

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

模擬降雨試驗(yàn)在西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨侵蝕大廳進(jìn)行，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為90 mm/h（連續(xù)降雨30 min）。降雨裝置為西安理工大學(xué)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(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)計(jì)了10 種坡溝系統(tǒng)并分別命名（表1）。首先，在坡面區(qū)域設(shè)置了2 種模式，即裸坡和水平梯田。梯田措施設(shè)置于坡面的斷面3、4，每個(gè)斷面設(shè)置3 個(gè)階梯，水平梯田各階梯的尺寸根據(jù)坡面坡度和坡面長度計(jì)算得到：高度為8.6 cm，長度為32.2 cm。其次，在坡溝區(qū)域模擬了因淤地壩壩地淤積導(dǎo)致溝坡區(qū)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(yàn)方案Table 1 Scheme of simulated rainfall experiment

圖2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme design

1.2.2 試驗(yàn)步驟

在進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)前，為保證土壤入滲條件與黃土高原自然狀態(tài)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(jìn)行打毛處理，待土壤自然沉降后利用環(huán)刀測(cè)算土壤容重。當(dāng)填土容重為1.30 g/cm3，土壤前期含水率為19%時(shí)即可進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。

為消除試驗(yàn)誤差，每種坡溝系統(tǒng)模擬降雨試驗(yàn)重復(fù)2 次，共計(jì)20 場(chǎng)試驗(yàn)。模擬降雨的產(chǎn)流時(shí)長為30 min，每分鐘都收集徑流泥沙樣品并稱其質(zhì)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(chǎn)流率和產(chǎn)沙率。

1.3 數(shù)據(jù)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(chǎn)流率（ri,L/min）和產(chǎn)沙率（si,g/min）。因此，累計(jì)產(chǎn)流量（R，L）和累計(jì)產(chǎn)沙量（S，g）可通過式（1）和式（2）計(jì)算得到。

式中x為監(jiān)測(cè)時(shí)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(jì)算。

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

坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流試驗(yàn)的徑流量和泥沙量數(shù)據(jù)采用Shapiro-Wilk 法進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，均呈正態(tài)分布(不同試驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(jì)算。

式中SjRR指淤地壩淤積jm 減少坡溝系統(tǒng)徑流總量的效益，%；SjR指淤地壩淤積jm 坡溝系統(tǒng)的徑流總量，L；SjSR指淤地壩淤積jm 減少坡溝系統(tǒng)泥沙總量的效益，%；SjS指淤地壩淤積jm 坡溝系統(tǒng)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(xié)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(jì)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的泥沙總量，g。

梯田和淤地壩共同配置下減水減沙的協(xié)同效益通過式（9）和式（10）計(jì)算。

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

坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流試驗(yàn)的徑流量和泥沙量數(shù)據(jù)采用Shapiro-Wilk 法進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，均呈正態(tài)分布(不同試驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同措施下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

梯田和淤地壩顯著改變了坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)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(nèi)迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定。相比之下，梯田措施配置顯然延長了產(chǎn)流率達(dá)到峰值所需的產(chǎn)流時(shí)間。此外，無梯田措施配置的坡溝系統(tǒng)徑流過程的變異系數(shù)均小于35%，呈中等變異；而有梯田措施配置的坡溝系統(tǒng)徑流過程的變異系數(shù)均大于35%，呈高度變異（表2）。產(chǎn)流率達(dá)到峰值的時(shí)間隨著坡溝區(qū)域坡長的減小而增加，沒有梯田措施配置時(shí)，CO、L1、L2、L3、L4 的坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流率峰值分別在7、8、10、11 和13 min 后出現(xiàn)。隨著坡溝區(qū)域坡長的減小，梯田配置顯著降低了產(chǎn)流率的中位數(shù)，坡長縮短4、3、2、1.0 m 時(shí)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(qū)域坡長的減小，坡溝系統(tǒng)的累計(jì)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(yàn)方案下產(chǎn)流率統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical of runoff yield under different experimental schemes

圖3 不同措施配置下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)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(tǒng)的產(chǎn)沙過程（圖4）。與無梯田措施配置的坡溝系統(tǒng)相比，有梯田配置的坡溝系統(tǒng)產(chǎn)沙過程較為穩(wěn)定。此外，無論是否有梯田措施配置，坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙過程均呈現(xiàn)為高度變異，變異系數(shù)均大于35%（表3）。隨著坡溝區(qū)域坡長的減小，坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙率中位數(shù)也不斷減?。篊O(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(tǒng)產(chǎn)沙的減小幅度隨著坡溝區(qū)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(yàn)方案下產(chǎn)沙率統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical of sediment yield under different experimental schemes

圖4 不同試驗(yàn)方案下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙過程Fig.4 Sediment process of slope-gully system under different experimental schemes

此外，隨著坡溝區(qū)域坡長的減小，坡溝系統(tǒng)的累計(jì)泥沙量不斷減?。篊O (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(guān)性分析

不同措施配置下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率之間滿足y=ax+b的線性函數(shù)關(guān)系（y為產(chǎn)沙率，x為產(chǎn)流率）（P＜0.05）（圖5）。當(dāng)a＞ 0 時(shí)，即產(chǎn)沙率隨著產(chǎn)流率的增加而增加，因此可定義斜率a為產(chǎn)沙效率，其值的大小能夠反映其產(chǎn)沙率的大小。不同方案下的a值滿足以下關(guān)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(tǒng)的產(chǎn)沙能力。

圖5 不同試驗(yàn)方案下坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率的關(guān)系Fig.5 Relationship between runoff and sediment yields in slope-system under different experimental schemes

表4 不同試驗(yàn)方案下坡溝系統(tǒng)累計(jì)產(chǎn)流量（x1）和累計(jì)產(chǎn)沙量（y1）的關(guān)系Table 4 Relationship between accumulated runoff and sediment in slope-system with different experimental schemes

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

2.3 梯田和淤地壩措施共同配置調(diào)控坡溝系統(tǒng)徑流量和泥沙量的協(xié)同效益

當(dāng)無梯田措施配置時(shí)，減少坡溝系統(tǒng)的累計(jì)徑流量隨著坡溝區(qū)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(qū)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(tǒng)的泥沙總量也具有相似的結(jié)果（表5）：L4 ＞ L3 ＞ L2 ＞ L1；減小幅度也隨著坡溝區(qū)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(tǒng)累計(jì)徑流量和累計(jì)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(dǎo)致坡溝系統(tǒng)的累計(jì)徑流量和累計(jì)徑流量分別減少了46.30%和25.82%（表5中T0）。與CO 相比，當(dāng)梯田措施和淤地壩共同配置時(shí)，減少坡溝系統(tǒng)的累計(jì)徑流量坡溝區(qū)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(tǒng)的累計(jì)泥沙量也具有相似的結(jié)果（表5）：T4 ＞ T3 ＞ T2＞ T1；減小幅度也隨著坡溝區(qū)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(dāng)梯田措施和淤地壩共同配置時(shí)，協(xié)同減少坡溝系統(tǒng)的累計(jì)徑流量隨著坡溝區(qū)域坡長的減小而增加（表6）：4 m＞3 m＞2 m＞1 m；協(xié)同減小效率也隨著坡溝區(qū)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(xié)同減小坡溝系統(tǒng)的累計(jì)泥沙量也具有類似的結(jié)果（表6）：4 m＞3 m＞2 m ＞1 m；協(xié)同減小效率也隨著坡溝區(qū)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(duì)坡溝系統(tǒng)累計(jì)徑流量和累計(jì)泥沙量的協(xié)同效應(yīng)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(qū)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(jí)河道的水沙。然而，對(duì)于坡溝系統(tǒng)而言，淤地壩工程能夠通過提升侵蝕基準(zhǔn)面，減小坡溝區(qū)域可能發(fā)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(tǒng)的地貌發(fā)生改變，坡溝區(qū)域的長度不斷減小，縮短了坡溝系統(tǒng)的徑流長度。付興濤等[24]通過模擬降雨試驗(yàn)探究了紅壤丘陵區(qū)坡耕地的土壤侵蝕過程，結(jié)果表明：坡耕地的產(chǎn)沙量與坡長因子存在顯著的相關(guān)關(guān)系，隨著坡長的增加產(chǎn)沙量增大。陳超等[25]通過室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)研究了不同坡長下黑土區(qū)的土壤侵蝕過程，結(jié)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(nèi)模擬降雨試驗(yàn)與電解質(zhì)示蹤相結(jié)合的方法，研究了黃土坡面流的水動(dòng)力過程，結(jié)果表明坡面徑流流速隨著坡長的增加而增加。這些研究結(jié)果與本研究的結(jié)果類似，在坡溝系統(tǒng)中隨著淤地壩淤積深度的增加，坡溝區(qū)域的坡長縮短，進(jìn)而導(dǎo)致坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量減小，并隨坡溝長度的縮短呈減小趨勢(shì)。

梯田措施能夠減小落在坡面區(qū)域的雨滴能量并增加坡面區(qū)域的土壤入滲量，從而降低了坡溝系統(tǒng)的徑流量[27]。此外，梯田措施還減緩了坡溝系統(tǒng)的坡度，在改變徑流路徑的同時(shí)降低了徑流能量，進(jìn)而減少了坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙量[28]。石生新等[29]通過模擬降雨試驗(yàn)，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(jié)果進(jìn)一步表明，梯田措施通過改變徑流路徑進(jìn)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(jié)果，梯田措施能夠有效控制坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。與沒有梯田配置的坡溝系統(tǒng)相比，梯田措施配置下坡溝系統(tǒng)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(dú)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(tǒng)的徑流總量和泥沙總量。

3.2 綜合措施減水減沙的協(xié)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(diào)節(jié)坡溝系統(tǒng)水沙過程的協(xié)同作用，結(jié)果表明，綜合措施配置調(diào)控徑流量和泥沙量的協(xié)同效應(yīng)隨著淤地壩淤積深度的增加而增加。以T3 為例，簡(jiǎn)要說明梯田與淤地壩措施綜合配置下如何協(xié)同調(diào)控坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。1）當(dāng)梯田措施為唯一措施時(shí)（T0），它能夠分別減小坡溝系統(tǒng)的徑流量169.33 L 和泥沙量15 253.72 g。2）當(dāng)淤地壩措施為唯一措施時(shí)（L3），它能夠分別減小坡溝系統(tǒng)的徑流總量87.48 L 和泥沙總量15 990.79 g。3）當(dāng)認(rèn)為兩者綜合配置對(duì)于坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙不具有協(xié)同作用時(shí)，它們應(yīng)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(shí)際上，在梯田和淤地壩共同配置下（T3）分別減少了坡溝系統(tǒng)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(xié)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(duì)調(diào)控坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有協(xié)同作用。

綜合措施減水減沙的協(xié)同作用是通過梯田措施的“原地”效應(yīng)和“異地”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。首先，梯田措施通過就地?cái)r截徑流和泥沙量降低了坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，這代表了梯田措施的“原地”效應(yīng)[31]。其次，由于淤地壩工程的不斷淤積，坡溝區(qū)域的徑流長度和可能發(fā)生土壤侵蝕的面積減小，這進(jìn)一步減少了坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量[32]。再次，梯田措施減少了流入坡溝區(qū)域的徑流量和泥沙量，這代表了梯田措施的“異地”效應(yīng)[33]。最后，梯田措施、淤地壩措施與兩者產(chǎn)生的協(xié)同作用顯著的減少了坡溝系統(tǒng)的徑流量和泥沙量，從而發(fā)揮了“1+1 ＞2”的水土保持效益。

3.3 對(duì)坡溝治理措施的建議

黃土高原地區(qū)的坡溝系統(tǒng)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(xù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)揮單一措施的減水減沙效益，還能同時(shí)發(fā)揮多種措施對(duì)水沙過程的協(xié)同調(diào)控作用。王文龍等[37]研究表明，坡溝系統(tǒng)內(nèi)上方坡面來水是影響坡溝區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素，減少進(jìn)入溝坡區(qū)域的徑流和泥沙對(duì)于減輕坡溝區(qū)域水土流失至關(guān)重要。高海東等[38]研究表明，隨著淤地壩的運(yùn)行，流域的侵蝕基準(zhǔn)會(huì)不斷抬升，進(jìn)而導(dǎo)致流域發(fā)生侵蝕的不穩(wěn)定區(qū)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(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了綜合措施配置對(duì)減少流域水土流失的優(yōu)勢(shì)，這與本研究的結(jié)果一致。因此，坡溝治理必須堅(jiān)持坡溝兼治的治理方針，形成完整的水土保持措施體系，發(fā)揮坡溝治理措施減水減沙的協(xié)同作用。

4 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究在90 mm/h 降雨強(qiáng)度下，不同措施配置下坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。通過構(gòu)建對(duì)照組（CO）、單一措施組：僅有梯田措施（T0）和4 個(gè)因淤地壩淤積導(dǎo)致的坡溝關(guān)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(jié)合（T1、T2、T3 和T4），量化了梯田與淤地壩措施綜合配置對(duì)減少坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙的協(xié)同作用。得到以下結(jié)論：

1）梯田措施能夠分別減少坡溝系統(tǒng)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(tǒng)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(duì)減少坡溝系統(tǒng)的徑流總量和泥沙總量具有協(xié)同效益，并且協(xié)同效益受淤地壩淤積深度的增加而增加，產(chǎn)流的協(xié)同效應(yīng)：4 m（3.87%）＞3 m（3.41%）＞2 m（2.63%）＞1 m（2.43%）；產(chǎn)沙的協(xié)同效應(yīng)：4 m（26.01%）＞3 m（24.32%）＞2 m（22.54%）＞1 m（21.27%）。