黄土高原丘陵沟壑区 沟道 治理工程的生态水文效应研究

Abstract

淤地坝作为黄土高原最主要的沟道治理措施，在水土保持方面发挥着巨大作用。 根据水利部《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》，到 2020 年，淤地坝数量将达到 16.3 万座。如此规模巨大的淤地坝建设，势必对黄土高原生态环境产生深远影响。系 统、深入的研究淤地坝建设对流域生态、水文、泥沙过程的调控机理，对丰富水土保 持科学研究、发展具有黄土高原特色的水沙模型、推进黄土高原水土保持事业，具有 积极作用。本文综合分析了淤地坝对流域水文过程、植被分布、侵蚀产沙的影响，取 得的主要结论如下： （1）沟道治理工程显著改变了流域蒸腾发、土壤水再分布、地表径流等水文过 程。使用基于遥感的 SEBAL 模型，估算了韭园沟流域和裴家峁流域的日蒸腾蒸发量： 结果表明坝地蒸腾蒸发量最大，为 4.98 mm&middot;d -1 ，其次为果园及林地，为 4.78 mm&middot;d -1 ， 再次为草地，蒸腾蒸发量为 4.49 mm&middot;d -1 ，而梯田和坡耕地蒸腾蒸发量较小，分别为 3.82 mm&middot;d -1 、3.76 mm&middot;d -1 ；流域不同土地利用类型下的土壤含水量分析表明：次降雨 后，梯田和坡地表层土壤水分消退较慢，而退耕梯田和退耕坡地表层土壤水分消退较 快；坝地土壤水分分层现象较为明显，土壤水分垂直变率大，平均为 0.21，其它土地 利用类型土壤水分垂直变率较小，在垂直分布上较为一致，梯田为 0.08，退耕梯田为 0.07，坡耕地为 0.04，退耕坡地为 0.07；淤地坝对流域径流系数与流域滞时有显著影 响，韭园沟、王茂沟、想她沟较裴家峁、李家寨、团园沟径流系数分别减少了 29.43%、 34.63%、16.78%。王茂沟平均流域滞时为对比流域李家寨的 3 倍，反映出以淤地坝 为主的流域治理措施对地表径流过程的调节作用。 （2）沟道治理工程改变了流域生态水文情势，进而影响了植被的时空分布。沟 道治理工程能增加局地植被覆盖度，提高植物群落的多样性，但幅度较小；韭园沟与 裴家峁归一化植被指数（NDVI）特征对比分析表明：裴家峁流域 NDVI 值的分布出 现了聚集现象，而韭园沟流域 NDVI 值各月份内分布较为均匀。7 月份，裴家峁 NDVI 值集中分布在 0.3～0.4 之间，比例为 74.77%，其次为 0.2～0.3 之间，比例为 13.79%，二者相差达 60.98%，而韭园沟 7 月份 NDVI 集中分布在 0.3～0.4，比例为 60.54%， 其次为 0.2～0.3，比例为 34.75%，二者相差仅为 25.79%，这间接反映了裴家峁流域 植被类型较韭园沟流域较单一的特点。 （3）沟道治理工程有效的拦蓄了泥沙，显著降低了流域泥沙输移比。不同尺度 对比流域的输沙模数计算结果显示：韭园沟输沙模数比裴家峁减少 28.09%，王茂沟 输沙模数比李家寨减少 67.75%，想她沟输沙模数比团园沟减少 27.75%；次暴雨过程 分析，王茂沟 23 座淤地坝共淤积泥沙 159031t，王茂沟把口站输沙总量为 27891t，流 域出口与坝地泥沙总量为 186922t，流域次暴雨土壤侵蚀模数达 31310t/km 2 ，泥沙输 移比仅为 0.15，即 15%的泥沙经过出口断面汇向主沟道，85%的泥沙沉积在坝地中。 （4）定量分析了淤地坝淤积过程对流域沟坡稳定性和土壤侵蚀模数的调控作用。 随着坝地淤积高度的增加，流域极不稳定区域逐渐减少，而极稳定区域逐渐增加。定 义了流域的先锋期、过渡期以及顶级期三个治理&ldquo;演替&rdquo;状态，并使用修正通用土壤 流失方程（RUSLE）分析了不同&ldquo;演替&rdquo;阶段以及淤地坝淤积过程中的土壤侵蚀模 数变化情况：先锋期与顶级期是流域水土保持治理的两个极限状态，土壤侵蚀模数分 别为 184.43t&times;hm -2 &times;a -1 与 4.62t&times;hm -2 &times;a -1 。随着坝地淤积厚度（x）的增加（侵蚀基准面抬 升），沟谷坡土壤侵蚀模数（y）呈线性减少，拟合公式为 y=-1.5315x+121.15，公式 的截距和斜率分别表示基准土壤侵蚀模数和侵蚀速率，其数值大小与流域峁边线位置 有关，随着峁边线上移，基准土壤侵蚀模数增加，侵蚀速率减少。 （5）基于流域水土保持生态水文效应，提出了土壤侵蚀控制度的概念并研究了 流域侵蚀调控潜力。将流域能容纳的最大适宜水土保持措施量称为水土保持措施容 量，反映了流域的水土保持治理潜力。水土保持措施容量下流域的土壤侵蚀模数称为 最小可能土壤侵蚀模数，将最小可能土壤侵蚀模数与现状土壤侵蚀模数的比值定义为 流域侵蚀控制度。计算得出 2004 年王茂沟流域侵蚀控制度为 0.35，造成王茂沟流域 侵蚀控制度较低的原因是流域的坡耕地面积较大以及林地面积较少，表明王茂沟流域 还有进一步治理的空间。 关键词 ：黄土高原丘陵沟壑区，沟道治理工程，生态水文效应，侵蚀产沙，流域侵蚀 控制度</p