赵婷，谢永生，江青龙，张怀，周伟

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌;4.承德市水土保持科学研究所，067000，河北承德)

京津水源区传统水土流失治理措施及水沙环境效应分析

赵婷1，2，谢永生1，3†，江青龙3，张怀4，周伟4

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌;4.承德市水土保持科学研究所，067000，河北承德)

针对京津水源区传统水土流失治理指导思想和治理模式只注重治理区生态经济效益，忽视减沙同时大量减水加剧上下游用水矛盾的问题，以承德市丰宁县达袋沟小流域不同治理措施定位试验结果，结合典型治理区坡面措施调查，重点研究坡面治理措施的水沙环境效应。结果表明:坡耕地与人工草地的土壤侵蚀模数大大超过北方土石山区的容许土壤流失量;天然草地较乔木林和灌木林具有较高的年径流量和径流系数;传统鱼鳞坑整地造林和鱼鳞坑加竹节壕整地造林措施拦沙、减流效应显著;中度、轻度退化天然草地封育措施下阴坡、阳坡植被覆盖率年均可提高1.63%和1.08%;在水源区传统鱼鳞坑整地造林和鱼鳞坑加竹节壕整地造林措施应限制在局部水土流失严重区域，并应适度降低整地标准;大面积中度、轻度退化的天然草地可采用封育措施，既可实现有效拦沙、恢复植被，又可增加坡面径流。

水土流失治理;产沙量;径流量;植被覆盖度;鱼鳞坑;京津水源区

近年来，京津水源区上下游用水需求矛盾凸显，流域尺度上的气候变化和人类活动对水源区水资源分配、水库水量泥沙的影响问题得到关注［1-3］。京津水源区水土流失治理模式多是依照黄土高原传统水土流失治理模式进行的，在传统指导思想和治理措施下产生的水沙关系，反映了传统水土保持措施应用于京津水源区时存在一定区域局限性，对于缓减京津地区上下游用水需求矛盾效果不明显。黄土高原长期依据“水不下山，泥不出沟”的理念进行水土流失治理，部分坡面治理措施的标准较高，较高标准的坡面治理措施成为入库水量呈现出减少趋势的重要原因之一。将黄土高原水土流失治理指导思想和治理模式用于京津水源区土石山区，虽然在减沙效益方面取得了较大成绩，但各种坡面措施在拦沙的同时，也拦蓄了大量的地表水，使流域产水量减少，加剧了水源区上下游的用水矛盾，从而使京津地区面临着严峻和复杂的水资源问题。

目前，各种水土保持措施减沙效益方面［4-6］的研究较多，特别是针对黄土高原控制径流和泥沙［7-10］以及一定盖度林草地的水土保持功能［11-12］的研究，而针对京津水源区水土保持措施输水减沙效益方面的研究较少。笔者根据京津水源区传统水土流失治理措施及其产生的水沙环境效应，在国家即将实施生态补偿的大背景下，以保障上游生态安全和经济社会适度发展为前提，以最大限度缓减上下游用水矛盾为目标，通过研究传统坡面水土流失治理措施及水沙环境效应，探讨适宜于水源区水土流失治理新的技术、标准和模式，以期为实现京津水源区拦沙输水的特殊生态功能提供技术指导。

1 研究区概况

研究区位于承德市丰宁县达袋沟小流域羊蹄子山，地理坐标为 E 116°36'50″，N 41°12'26″，该区属于海河流域潮白河水系，位于密云水库上游，是京津地区重要的水源区。气候属于半干旱半湿润燕山山地气候，四季分明，春季多风，夏季炎热，秋季秋高气爽，冬季少雪。年均气温5℃，年均日照时间2 800 h，无霜期130 d。多年平均降水量478 mm，其中汛期(6—9月)占70%，雨型多为暴雨、大暴雨，雨区范围小，降雨历时短，降雨强度大，20年1遇24 h最大降水量为101 mm，多年平均径流深97 mm。表土主要以棕壤土为主，褐土次之，棕壤土颗粒较均匀，黏粒含量低，胶结力较弱，易产生土壤侵蚀，棕壤土主要分布在山梁上部，下部为褐土，沟道以褐土为主。

达袋沟小流域土层阴阳坡差异较大，阴坡土层较厚，植被覆盖度较高，水土流失相对较轻，阳坡土层较薄，植被覆盖度较低，多为低矮灌木和农业用地，水土流失严重。流域内地形地貌为土石质山地丘陵区，总体地势西北高东南低，远山山峦叠嶂，悬崖峭壁，近山连绵起伏，沟谷纵横。地面坡度组成为＜5°占5.7%，≥5°～ ＜15°占19.1%，≥15°～ ＜25°占41.6%，≥25°～ ＜35°占24.7%，≥35°占8.9%。达袋沟小流域基本情况见表1。

表1 达袋沟小流域基本特征值Tab．1 Basic characteristic values of Dadai Watershed

2 研究方法

2.1 定位试验

于2003年设置了5个径流小区，分别为天然草地、坡耕地、人工草地、乔木林、灌木林(表2)。在2004—2009年观测期间，天然草地小区覆盖度波动范围为60% ～80%，坡耕地种植的是玉米(Zea mays)，人工草地种植的是多年生沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)，覆盖度波动范围为30% ～50%，鱼鳞坑规格为长径0.8 m，短径0.6 m，深0.4 m。数据测定起始时间为2004年6月，每次降雨产流后，将集水槽中沉积的泥沙扫入径流桶中，用搅拌器将水池中泥水搅匀后，用采样器在池中水位1/2深处采集2个水沙样，并分别盛放在2个编号的水沙样瓶中，每次所取水样约1 000 mL，对所取水沙样过滤烘干称量，取得水沙样的含沙量及清水量，以2个水沙样含沙量及清水量的平均值推算出小区的产沙量及产流量。年径流量为次径流量之和，年产沙量为次产沙量之和。

表2 坡面径流小区特性及观测数据Tab．2 Characteristics and observed data of runoff plots

2.2 野外调查

2010年10—11月，对京津水源区承德地区4县1市(承德市、平泉县喇嘛店小流域、滦平县西北沟小流域、丰宁县达袋沟小流域和围场县大碾子小流域)的典型坡面治理措施进行了调研。分别选取各流域具有代表性的水土流失坡面治理工程，对其拦沙产水效益进行分析，涉及坡面整地时间、整地措施及其标准、整地造林类型及树种、植被盖度和郁闭度随时间变化规律、治理前后侵蚀强度变化规律、不同整地措施下的淤积量、坡面整地措施的经济和环境效益等。通过对传统水土流失坡面整地措施下的水沙环境效应分析，提出在新形势下，各种坡面措施如何能够更好地实现减蚀产水、缓减上下游用水矛盾的新措施。

3 结果与分析

3.1 不同治理措施土壤侵蚀量分析

表3为2004—2008年达袋沟小流域坡面径流小区年土壤侵蚀量。可以看出:在2004年径流小区监测初期，各径流小区的土壤侵蚀量值都较大，这是因为新建小区土壤受到扰动，导致年土壤侵蚀量较大;2005—2008年，各径流小区的年土壤侵蚀量都有减小趋势;2006年各径流小区土壤侵蚀量值都偏大，是因为2006年是丰水年，其中6月23日和6月29日有2场短历时暴雨，降雨量分别为47.5和43.7 mm，暴雨对地表形成了较大的冲刷力，使坡面土壤侵蚀量增大。

传统观点认为，土壤侵蚀量与地表径流量具有相对一致性［7］，京津水源区水土流失治理措施要求尽可能增加流域产水量，同时强调径流的含沙量不能过大;因此，针对土壤侵蚀量的控制，并非将全部泥沙进行拦蓄，只需将土壤侵蚀量控制在一定范围内，尽可能增大整个小流域的产水量。

从表3还可以看出，坡耕地与人工草地径流小区在径流场观测初期，年土壤侵蚀量大大超过了土石山区容许土壤流失量200 t/(km2·a)［13-14］，并且在2004和2005年，坡耕地径流小区土壤侵蚀模数比天然草地小区分别增加188.5和161.1 t/km2，人工草地径流小区比天然草地小区侵蚀模数分别增加1 006.6和725.9 t/km2。在2006年出现大暴雨的情况下，坡耕地和人工草地径流小区土壤侵蚀量骤增。坡耕地土壤侵蚀量较大的原因是在坡耕地改造形成初期，土壤受耕作作用而向下坡方向移动，同时耕作扰动表层土壤，破坏了土壤结构，改变了成土环境和过程，加速了土壤中多糖有机粘合剂的分解，使土壤易于侵蚀［15］。而人工草地径流小区侵蚀量大是因为其修建是在耕翻、完全破坏、清除原有天然植被后，人为播种、栽培建植的以草本植物为主体的人工植被，土壤结构受人为因素影响比较大，使土石山区下垫面原有浅薄且疏松的土层易于侵蚀，特别是在雨季，受大暴雨的影响极其显著。

土石山区容许土壤流失量作为京津水源区水土流失治理措施的一个关键值时，坡耕地和人工草地径流小区的土壤侵蚀模数大于土石山区容许土壤流失量。鱼鳞坑整地径流小区与天然草地径流小区土壤侵蚀模数都在土石山区容许土壤流失量范围之内，鱼鳞坑整地造林拦沙效应显著，一定覆盖度的天然草地也具有明显的拦沙效果。从侵蚀量控制方面来说，天然草地、乔木林和灌木林3种治理方式都符合水源区拦沙治理要求。

表3 2004—2008年坡面径流小区年土壤侵蚀量Tab．3 Sediment yield of runoff plots from 2004 to 2008 t/km2

3.2 不同治理措施产水效益分析

3.2.1 年际产水量分析 由分析2004—2006年径流观测场坡面径流量(图1)可知:坡耕地小区与人工草地小区的年径流总量都相当大;但在产生较大径流量的同时，其年土壤侵蚀模数也随之增大，并且超过土石山区容许土壤流失量。

图1 2004—2006年径流观测场坡面径流量Fig．1 Annual runoff of runoff plots from 2004 to 2006

天然草地、乔木林和灌木林三者相比较，天然草地径流小区的年径流总量大于鱼鳞坑整地措施下的乔木林和灌木林径流小区。乔木林径流小区在2004—2006年的径流总量分别是天然草地径流小区的42.7%、10.2%、52.8%;灌木林径流小区在2004—2006年的径流总量分别是天然草地径流小区的74.8%、55.0%、56.5%。

从不同径流小区年际径流总量分析小流域的产水量差异，天然草地径流小区的年径流总量大于乔木林和灌木林小区，鱼鳞坑整地造林措施拦沙的同时产生了一定减流效应。说明土石山区自然草被覆盖能够在产生较低侵蚀量的同时，实现良好的产水效益，维持自然植被覆盖是一种有效的低成本生态恢复和防止土壤流失的治理措施，但小流域内有大面积中强度侵蚀且自然恢复植被能力差的区域时，也应考虑鱼鳞坑整地造林措施，强化治理，促进植被的恢复。

3.2.2 次降雨产水量分析 试验期内次降雨特征及径流小区径流系数的计算(这里不针对坡耕地小区和人工草地小区进行分析)结果(表4)表明，无论在何种降雨量和降雨条件下，与鱼鳞坑整地措施下的乔木林径流小区和灌木林径流小区相比，天然草地径流小区径流系数都较大。2004-07-23，2006-06-29，降雨强度大，天然草地的径流系数也很高。在极端降雨条件下，如2006-06-29的降雨，天然草地径流系数高达0.455。

表4 次降雨特征及各小区径流系数Tab．4 Characteristic of rainfall and runoff coefficient

每年6—9月是植物繁殖茂盛阶段，天然草地径流小区和鱼鳞坑整地措施下乔木林和灌木林2个径流小区的不同植被都会对降雨产生一定的植物截留作用;但整地措施对径流系数值的大小影响很大，乔木林小区和灌木林小区都为鱼鳞坑整地，在鱼鳞坑未淤满的次降雨条件下，鱼鳞坑会拦截大量的地表径流，增加入渗和蒸发，使降雨转化成的径流量减小。当区域内具有大面积中度、轻度退化且植被覆盖较低的天然草地时，上游地区可以适度牺牲鱼鳞坑整地造林带来的经济利益，以实现向下游京津地区多输水的目标。

3.3 不同治理措施减蚀产水效益综合评价

坡耕地径流小区与人工草地径流小区虽然可以产生较大的径流量，但同时产生了较高的侵蚀模数，并且大大超过了北方土石山区的容许土壤流失量这一关键值;天然草地径流小区和2个鱼鳞坑整地径流小区的侵蚀模数在北方土石山区容许土壤流失量范围之内，从年际径流总量和次降雨产流量分析，天然草地径流小区较鱼鳞坑整地径流小区具有较高的年际径流总量和径流系数，并且侵蚀模数较小:因此，综合分析得出，在2004—2009年小区观测期间，覆盖度波动范围为60% ～80%，天然草地小区拦沙、产水效益最佳，传统鱼鳞坑整地造林措施拦沙、截流效应显著。

基于最大减蚀产水效益的实现，在坡面治理时，宜合理布局封禁和鱼鳞坑等造林整地2种治理措施。在大面积中度、轻度退化且植被覆盖较低的天然草地区域应进行封育治理，使其达到有效植被盖度，封育年限可根据草被年均恢复速率计算;在土石山区坡度较大、风化岩强度侵蚀和阳向荒坡中度侵蚀、自然恢复植被能力弱的区域，宜布置鱼鳞坑等整地措施进行强化治理，优化鱼鳞坑等整地措施，在拦蓄泥沙的同时，尽可能减少地表水拦蓄，避免水分的无效蒸发，增大流域产水量，结合土壤侵蚀量与植被有效覆盖度，修订鱼鳞坑等的规格标准。

2010年10—11月，在京津水源区承德地区四县一市，对典型坡面治理措施及其减蚀产水效益进行了调研，对中度、轻度退化天然草地封育治理后植被覆盖年均恢复速率进行了研究，并对鱼鳞坑整地标准做出评价。

3.3.1 天然草地覆盖度年恢复速率 当天然草地达到有效覆盖度时，才可以实现水土保持效益。有效植被覆盖度是指在一定区域内(气候、土壤等因素相对稳定的条件下)，某块草地或林地保持土壤，使土壤侵蚀量降低到土壤最大容许侵蚀量以内所需的植被盖度。根据已有研究［11-12］，天然草地的有效植被覆盖度应不小于50%，当植被覆盖度以一定的速率恢复到大于50%时，可实现草地的天然保护功能。

通过对京津水源区承德地区四县一市典型中度、轻度退化天然草地封育治理效益的调研，选取封育治理的阴阳坡各8个、坡度范围为15°～25°的低覆盖度天然草地，统计各个坡面不同时期的植被覆盖度，根据下式［16］计算坡面草被覆盖度恢复速率的年平均值:

式中:v为植被覆盖度年恢复速率，%/a;C为2010年草地覆盖度，%;C0为n年前草地覆盖度(即草地坡面开始封育治理的第1年)，%;n为治理年限，a。

被调查的典型坡面全部位于承德地区土石山区，可认为植被类型、土壤条件和降雨影响因子基本一致。

通过计算可知，封育治理初期到调查时，15°～25°范围内阴坡、阳坡天然草地植被覆盖度年均可提高1.63%和1.08%。要使大面积中度、轻度退化的天然草地达到有效草被覆盖度时，可通过年恢复速率计算出需要封育治理的年限，既可有效拦沙、恢复植被、实现水源地生态的天然保护功能，又可增大坡面径流，缓减上下游用水矛盾。

3.3.2 鱼鳞坑整地措施评价 经过对京津水源区承德地区典型坡面治理措施的调查，统计得出主要坡面整地措施有鱼鳞坑整地造林和鱼鳞坑加竹节壕整地造林措施等，京津水源区承担着向下游输水的任务，这些措施的截流效应不可忽视。

根据GB/T 16453.2—1996《水土保持综合治理技术规范》，荒地治理技术中规定，流域内实施坡面整地工程时，防御标准按10～20年1遇3～6 h最大雨量设计。根据各地不同降雨情况，分别采用不同的暴雨频率和当地最易产生严重水土流失的短历时、高强度暴雨。根据鱼鳞坑等整地措施实施区域的土壤侵蚀模数，取土石山区中度侵蚀区的土壤年均侵蚀模数2 500～5 000 t/(km2·a)，强度侵蚀区的土壤年均侵蚀模数大于5 000 t/(km2·a)，将5 000 t/(km2·a)和 2 500 t/(km2·a)作为 2 个极值，取土壤密度为1.3 t/m3，以承德地区3个小流域的鱼鳞坑为例，粗略计算当地防御暴雨标准下，鱼鳞坑泥沙淤满年限(表5)。

表5 不同小流域鱼鳞坑泥沙淤满年限Tab．5 Ages of fish-scale pits with full of sediment between different watersheds

可以计算得出，3个小流域在传统治理指导思想和治理模式下的鱼鳞坑泥沙淤满年限较长，根据防御暴雨标准设计出的鱼鳞坑规格都偏大。京津地区的用水是根据上游地区初始植被状态下的径流来确定的，如果鱼鳞坑等的面积过大，标准较高，低于设计防御暴雨标准，达不到蓄满产流条件，则不产生地表径流，即使通过下渗产生径流，也会导致蒸发量增加，产流减少，汇流滞后，破坏流域正常产水量，影响下游生产生活用水。

将传统的治理模式用于京津水源区时需要对其进行优化，确定符合自然状态的设计标准。鱼鳞坑、竹节壕、丰产沟等整地时，建议实施原则与规格标准按照泥沙侵蚀量并结合草地覆盖度恢复速率来设计。在坡面治理中，当天然草地覆盖度已达到有效覆盖度时，避免采用鱼鳞坑等截流效应显著的整地造林措施，建议采用封育治理，在国家实施生态补偿大背景和保障生态安全前提下，牺牲鱼鳞坑等整地造经济林措施带来的部分经济利益;未达到有效覆盖度时，鱼鳞坑规格可以根据坡面泥沙侵蚀量及阴阳坡草被覆盖度恢复速率进行配置，规格大小以植被达到有效覆盖度时，鱼鳞坑恰好淤满为标准。

规格较小的鱼鳞坑在遇到大暴雨时，有可能被冲毁，可以采取竹枇加固外沿等措施下的小鱼鳞坑，增强拦沙透水作用;同时，降低鱼鳞坑等整地标准，坑内蓄水量减少，不宜种植经济林和用材林等耗水性树种，应选择抗旱能力强的刺槐(Robinia pseudoacacia)和乡土灌草。

4 结论与建议

1)从侵蚀量控制方面来说，北方土石山区容许土壤流失量(200 t/(km2·a))作为京津水源区小流域建设的一个关键值时，坡耕地和人工草地措施的土壤侵蚀模数大大超过容许土壤流失量，拦沙效应不显著，建议坡耕地和人工草地应作为水源区水土流失治理重点区域。

2)乔木林、灌木林与天然草地年土壤侵蚀量都在土石山区容许土壤流失量范围之内，但天然草地较乔木林和灌木林具有较高的年径流量和径流系数，有效植被覆盖度下的天然草地拦沙、产水效益最佳，传统鱼鳞坑整地造林和鱼鳞坑加竹节壕整地造林措施拦沙、截流效应显著。

3)综合分析评价得出，天然草地具有最佳的减蚀产水效益。大面积中度、轻度退化的天然草地经封育治理，阴坡、阳坡植被覆盖度年均可提高1.63%和1.08%。可在国家实施生态补偿大背景和保障生态安全前提下，放弃一部分鱼鳞坑整地造林带来的经济效益，使天然草地既能有效拦沙、恢复植被，又可增加坡面径流，最大限度向下游输水。

水源区传统鱼鳞坑整地造林和鱼鳞坑加竹节壕整地造林措施应限制在局部水土流失严重、自然恢复植被能力弱的区域，强中度侵蚀区域鱼鳞坑淤满年限较长，建议适度降低鱼鳞坑整地标准，鱼鳞坑大小可以根据坡面泥沙侵蚀量设计及阴阳坡草被覆盖度恢复速率进行配置，规格大小以鱼鳞坑恰好淤满时植被覆盖度达到有效覆盖度为标准。规格较小的鱼鳞坑在遇到大暴雨时有可能被冲毁，建议采取竹枇加固外沿等措施下的小鱼鳞坑，可以增强拦沙渗水作用。同时，小鱼鳞坑内蓄水量较少，不宜种植经济林和用材林等耗水性树种，应选择抗旱能力强的刺槐和乡土灌草。

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Traditional control measures of soil erosion and their environmental effects on flow and sediment in the water source area of Beijing and Tianjin

Zhao Ting1，2，Xie Yongsheng1，3，Jiang Qinglong3，Zhang Huai4，Zhou Wei4
(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and the Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;4.Institute of Soil and Water Conservation of Chengde City，067000，Chengde，Hebei:China)

The traditional guiding ideology and treatment on soil erosion control pay attention to ecological and economic benefits of the harnessing area，which will reduce the sediment yield.However，the reduction of sediment could lead to the decrease of water，which will aggravate the water contradiction between upstream and downstream in the water source areas of Beijing and Tianjin.Environmental effects of slope measures on water and sediment were studied by investigation and location experiment in Dadai Watershed locating in Fengning County，Chengde City.Results showed that the erosion modulus in slope farmland and artificial grassland substantially exceeded soil loss tolerance in rocky mountain areas of northern China.Natural meadow had higher annual runoff and runoff coefficient than arbor forests and shrub forests.Traditional fish-scale pits measures had significant effects on sediment trapping and reduction of water yield.For moderate and mild degraded grassland under the management of closing hills，the vegetation coverage could improve by 2.84%and 1.97%in shady slope and sunny slope per year.Some traditional measures like fish-scale pits should be limited in areas where occurred serious soil erosion，and their preparation standard should be degraded.Large areas of moderate and mild degraded grassland under the management of closing hills could not only reduce sediment yield，recover vegetation，but also increase runoff.

soil erosion control;sediment yield;runoff;vegetation coverage;fish-scale pits;water source areas of Beijing and Tianjin

2011-04-11

2011-08-10

项目名称:水利部行业公益性专项项目“冀北山区生态输水小流域治理模式与关键技术”(200901051);“十二五”国家科技支撑计划重大项目“农田水土保持与持续利用关键技术研究与示范”(2011BAD31B01)

赵婷(1985—)，女，硕士研究生。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:zhaoting09@mails.gucas.ac.cn

†责任作者简介:谢永生(1960—)，男，研究员。主要研究方向:水土保持、土地资源及环境评价。E-mail:ysxie@ms.iswc.ac.cn

(责任编辑:宋如华)