白璐璐，时 鹏，李占斌，李 鹏，王 雯，赵 准，董敬兵

（1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，西安 710048）

0 引言

坡沟系统是黄土高原地区侵蚀产沙的基本单元，由坡面和沟坡两部分组成[1-2]。黄土高原坡沟系统的水土保持工程措施主要是梯田和淤地坝工程，它们都发挥了良好的水土保持效益[3]。截至2018 年，黄土高原地区的梯田面积由20 世纪80 年代的1.4 万km2增加到5.5 万km2，修建各类淤地坝约5.9 万座，其中骨干坝约占10%[4]。根据潼关水文站的水沙实测资料，黄河多年平均径流量由426.4 亿m3/a（1919—1959 年）减少至236.4 亿m3/a（2000—2008 年），减小幅度为45%；多年平均输沙量由16 亿t/a（1919—1959 年）减少至2.5 亿t/a（2000—2008 年），减小幅度为85%[5-6]。冉大川等[7]研究发现，1960 年至2002 年期间黄河中游大理河流域的淤地坝系年平均分别减少1840 万m3的洪水量和1 290 万t 的泥沙量。马红斌等[8]研究表明，截至2012 年位于潼关水文站以上的梯田工程能够减少入黄泥沙约5 亿t。大规模的水土保持生态建设改变了黄土高原地区的水土流失环境，部分有效控制了黄土高原的土壤侵蚀。

梯田是治理坡面的重要水土保持工程措施，被广泛应用于黄土高原地区，其主要通过以下3 个方面调控土壤侵蚀过程：1）缩短了坡长，改变了原始的水文路径，减少了水文连通性并扩大了集水区域，从而有效地拦截降雨[9]；2）减缓了坡度，梯田将原本陡峭的斜坡转变为相对较为平坦的坡面，显著地增加了土壤入渗量，土壤湿度和土壤持水能力，从而降低了降雨和径流的能量，提高了土壤抗侵蚀的能力[10]；3）改善了土壤结构，促进降雨就地入渗，同时通过田坎拦截延长了土壤水分的入渗时间[11]。淤地坝是黄土高原重要的沟道治理工程措施，在拦沙，淤地，滞洪，蓄水等方面发挥了巨大效益[12]。此外，淤地坝拦击泥沙形成的坝地显著提升了流域的侵蚀基准面，减少了沟坡区域的水土流失面积[13]。就坡沟系统而言，坝地淤积过程导致了原始坡沟系统的地形发生变化，沟坡区域面积不断减小[14-15]。

梯田或淤地坝措施能够有效防治土壤侵蚀[16-19]。CHEN 等[16]基于meta-analysis 的结果，表明6 类不同形式的梯田措施减少径流产量和泥沙产量的平均效益分别为48.9%和53.0%。张金慧等[17]基于实测资料研究表明，当汛期的降雨量分别小于231、191 和131 mm 时，一类、二类和三类梯田能够拦截100%的泥沙，随着降雨量的增加减沙效益减小。YUAN 等[18]基于MIKE 模型的结果，表明黄土高原王茂沟小流域的淤地坝能够分别减少65.34%的洪峰和58.67%的洪量，使得流域的总输沙量减少83.92%。WANG 等[19]也得到了相似的结论，淤地坝工程能够改变降雨的分布特征，增加了地表蓄水量和土壤入渗量，减小了流域出口93.0%的径流量。然而，现有的研究多集中于梯田或淤地坝工程单独的减水减沙效益，对其综合配置下是否能够协同调控坡沟系统的土壤侵蚀过程尚不清楚。因此，本研究通过室内模拟降雨试验，研究梯田和淤地坝工程综合配置下坡沟系统的产流产沙过程，以期为黄土高原地区水土保持措施的科学配置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤与试验设备

试验土壤来自陕西省西安市周边表层黄土（0～20 cm），土壤类型为黄绵土，土壤容重为1.3 g/cm3，激光粒度仪（Mastersizer 2000,英国马尔文公司）测得土壤颗粒组成：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%。将土壤运回试验室后，剔除土壤中的杂草，石头等，风干后过10 mm 的土筛，备用。

黄土高原地区典型的坡沟系统是由坡面与沟坡两部分组成。其中，坡面的坡度一般为10°～25°，沟坡的坡度一般为25°～35°，坡面与沟坡的长度比为1.5:1.0。因此，在综合考虑坡沟系统地形特征和室内试验场地的设施情况后，试验钢槽由长6 m、宽1 m 和坡度15°的坡面和长4 m、宽1 m 和坡度28°的沟坡两部分构成（图1）。将坡沟系统等分为10 个断面，并自上而下依次编号1、2····10。

图1 坡沟物理模型模拟降雨试验系统Fig.1 Physical model of slope-gully system under simulated rainfall experiment

模拟降雨试验在西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室降雨侵蚀大厅进行，设计雨强为90 mm/h（连续降雨30 min）。降雨装置为西安理工大学水资源研究所研制的下喷式模拟降雨装置，有效降雨面积约为4.5 m×13.5 m，降雨高度为6 m，有效降雨均匀度为85%以上。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计

本研究共设计了10 种坡沟系统并分别命名（表1）。首先，在坡面区域设置了2 种模式，即裸坡和水平梯田。梯田措施设置于坡面的断面3、4，每个断面设置3 个阶梯，水平梯田各阶梯的尺寸根据坡面坡度和坡面长度计算得到：高度为8.6 cm，长度为32.2 cm。其次，在坡沟区域模拟了因淤地坝坝地淤积导致沟坡区域长度缩短，缩短值分别为0、1、2、3 和4 m（图2）。

表1 模拟降雨试验方案Table 1 Scheme of simulated rainfall experiment

图2 试验方案设计示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme design

1.2.2 试验步骤

在进行模拟降雨试验前，为保证土壤入渗条件与黄土高原自然状态一致，首先在钢槽底部铺上一层20 cm厚的天然砂层。然后采用分层填压得方式填土（每层5 cm），每层土壤都进行打毛处理，待土壤自然沉降后利用环刀测算土壤容重。当填土容重为1.30 g/cm3，土壤前期含水率为19%时即可进行模拟降雨试验。

为消除试验误差，每种坡沟系统模拟降雨试验重复2 次，共计20 场试验。模拟降雨的产流时长为30 min，每分钟都收集径流泥沙样品并称其质量。待浑水样品静置12 h 后除去其上清液，用烘箱在65 ℃的条件下完全烘干并称取侵蚀泥沙量，得到模拟降雨过程中每分钟的产流率和产沙率。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 单一措施的减水减沙效益

基于收集到的径流泥沙样品，得到了土壤侵蚀过程中产流率（ri,L/min）和产沙率（si,g/min）。因此，累计产流量（R，L）和累计产沙量（S，g）可通过式（1）和式（2）计算得到。

式中x为监测时间，本文为30 min。

梯田措施的减水减沙效益通过式（3）和式（4）计算。

式中TRR指梯田措施减少坡沟系统径流总量的效益，%；RCO指无梯田措施的10 m 裸坡坡沟系统的径流总量，L：TR指梯田措施配置下坡沟系统的产流总量，L；TSR指梯田措施减少坡沟系统泥沙总量的效益，%；SCO指无梯田措施的10 m 裸坡坡沟系统的泥沙总量，g：TS指梯田措施配置下坡沟系统的泥沙总量，g。

坡沟系统产流试验的径流量和泥沙量数据采用Shapiro-Wilk 法进行正态性检验，均呈正态分布(不同试验方案下SW值为0.96～0.99，P＞ 0.05)。采用SPSS 20.0(IBM SPSS @)软件包和Orgin 软件进行数据分析和绘制图表。

无梯田措施下不同淤地坝淤积深度的减水减沙效益通过式（5）和式（6）计算。

式中SjRR指淤地坝淤积jm 减少坡沟系统径流总量的效益，%；SjR指淤地坝淤积jm 坡沟系统的径流总量，L；SjSR指淤地坝淤积jm 减少坡沟系统泥沙总量的效益，%；SjS指淤地坝淤积jm 坡沟系统的泥沙总量，g；j指淤地坝的淤积深度，j=0、1、2、3、4 m。

1.3.2 梯田和淤地坝减水减沙的协同效益

梯田和淤地坝共同配置下减水减沙的综合效益通过式（7）和式（8）计算。

式中SjTRR指有梯田措施并淤积jm 综合配置下减少坡沟系统径流总量的效益，%；SjTR指有梯田措施并淤积jm综合配置下坡沟系统的径流总量，L；SjTRS指有梯田措施并淤积jm 综合配置下减少坡沟系统泥沙总量的效益，%；SjTS指有梯田措施并淤积jm 综合配置下坡沟系统的泥沙总量，g。

梯田和淤地坝共同配置下减水减沙的协同效益通过式（9）和式（10）计算。

式中SjTRS指梯田和淤地坝共同配置减少坡沟系统径流总量的协同效益，%；SjTSS指梯田和淤地坝共同配置减少坡沟系统泥沙总量的协同效益，%。

坡沟系统产流试验的径流量和泥沙量数据采用Shapiro-Wilk 法进行正态性检验，均呈正态分布(不同试验方案下SW值为0.96～0.99，P＞ 0.05)。采用SPSS 20.0(IBM SPSS @)软件包和Orgin 软件进行数据分析和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同措施下坡沟系统的产流产沙过程

梯田和淤地坝显著改变了坡沟系统的产流过程（图3）。由图3 可知，没有梯田措施配置下的径流过程在降雨开始后的几分钟内迅速增加，随后趋于稳定。相比之下，梯田措施配置显然延长了产流率达到峰值所需的产流时间。此外，无梯田措施配置的坡沟系统径流过程的变异系数均小于35%，呈中等变异；而有梯田措施配置的坡沟系统径流过程的变异系数均大于35%，呈高度变异（表2）。产流率达到峰值的时间随着坡沟区域坡长的减小而增加，没有梯田措施配置时，CO、L1、L2、L3、L4 的坡沟系统的产流率峰值分别在7、8、10、11 和13 min 后出现。随着坡沟区域坡长的减小，梯田配置显著降低了产流率的中位数，坡长缩短4、3、2、1.0 m 时减小幅度分别为77.39%、65.81%、53.56%、48.52%、45.63%（图3）。此外，随着坡沟区域坡长的减小，坡沟系统的累计径流量不断减小为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 不同试验方案下产流率统计Table 2 Statistical of runoff yield under different experimental schemes

图3 不同措施配置下坡沟系统的产流过程Fig.3 Runoff process of slope-gully system in different experimental schemes

同样，梯田和淤地坝显著改变了坡沟系统的产沙过程（图4）。与无梯田措施配置的坡沟系统相比，有梯田配置的坡沟系统产沙过程较为稳定。此外，无论是否有梯田措施配置，坡沟系统的产沙过程均呈现为高度变异，变异系数均大于35%（表3）。随着坡沟区域坡长的减小，坡沟系统的产沙率中位数也不断减小：CO(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)。相较于没有梯田配置，梯田配置下坡沟系统产沙的减小幅度随着坡沟区域坡长的减小而增加：4 m (73.74%)＞3 m (66.31%)＞2 m (63.63%)＞1 m(50.91%)＞0 m (33.95%) (图4)。

表3 不同试验方案下产沙率统计Table 3 Statistical of sediment yield under different experimental schemes

图4 不同试验方案下坡沟系统的产沙过程Fig.4 Sediment process of slope-gully system under different experimental schemes

此外，随着坡沟区域坡长的减小，坡沟系统的累计泥沙量不断减小：CO (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 径流过程与泥沙过程的相关性分析

不同措施配置下坡沟系统的产流率和产沙率之间满足y=ax+b的线性函数关系（y为产沙率，x为产流率）（P＜0.05）（图5）。当a＞ 0 时，即产沙率随着产流率的增加而增加，因此可定义斜率a为产沙效率，其值的大小能够反映其产沙率的大小。不同方案下的a值满足以下关系：CO ＞ T0，L1 ＞ T1，L2 ＞ T2，L3 ＞ T3，L4 ＞T4。从斜率a可以看出，与无梯田措施相比，梯田配置下的a值均较小，这表明梯田措施减小了坡沟系统的产沙能力。

图5 不同试验方案下坡沟系统产流率与产沙率的关系Fig.5 Relationship between runoff and sediment yields in slope-system under different experimental schemes

表4 不同试验方案下坡沟系统累计产流量（x1）和累计产沙量（y1）的关系Table 4 Relationship between accumulated runoff and sediment in slope-system with different experimental schemes

由幂函数特性可知，当其幂指数B越靠近1，累计产沙量随着累计产流量的增加迅速增加，因此可以定义其幂指数B为产沙能力。不同方案下幂指数B满足以下顺序：CO ＞ T0，L1 ＞ T1，L2 ＞ T2，L3 ＞ T3，L4 ＞ T4。产流率和产沙率的线性关系和累计产流量和累计产沙量的幂函数关系都表明，相较于有梯田配置的坡沟系统，没有梯田配置的坡沟系统产沙能力更大。

2.3 梯田和淤地坝措施共同配置调控坡沟系统径流量和泥沙量的协同效益

当无梯田措施配置时，减少坡沟系统的累计径流量随着坡沟区域坡长的减小而增加（表5）：L4 ＞ L3 ＞ L2＞ L1；减小幅度也随着坡沟区域坡长的减小而增加：L4（33.42%）＞ L3（23.92%）＞ L2（13.77%）＞L1（7.87%）。无梯田措施配置下，减少坡沟系统的泥沙总量也具有相似的结果（表5）：L4 ＞ L3 ＞ L2 ＞ L1；减小幅度也随着坡沟区域坡长的减小而增加：L4（30.57%）＞L3（27.07%）＞ L2（24.00%）＞ L1（10.20%）。

表5 不同方案下减少坡沟系统累计径流量和累计泥沙量Table 5 Cumulative runoff and sediment reduction in slope-gully system under different schemes

与CO 相比，单一梯田配置导致坡沟系统的累计径流量和累计径流量分别减少了46.30%和25.82%（表5中T0）。与CO 相比，当梯田措施和淤地坝共同配置时，减少坡沟系统的累计径流量坡沟区域坡长的减小而增加（表5）：T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1；减小幅度也随着淤地坝淤积深度的增加而增加：T4（83.59%）＞ T3（73.63%）＞T2（62.71%）＞ T1（56.60%）。同样的，减少坡沟系统的累计泥沙量也具有相似的结果（表5）：T4 ＞ T3 ＞ T2＞ T1；减小幅度也随着坡沟区域坡长的减小而增加：T4（82.41%）＞ T3（77.22%）＞ T2（72.36%）＞T1（57.30%）。

与CO 相比，当梯田措施和淤地坝共同配置时，协同减少坡沟系统的累计径流量随着坡沟区域坡长的减小而增加（表6）：4 m＞3 m＞2 m＞1 m；协同减小效率也随着坡沟区域坡长的减小而增加：4 m（3.87%）＞3 m（3.41%）＞2 m（2.63%）＞1 m（2.43%）。同样的，协同减小坡沟系统的累计泥沙量也具有类似的结果（表6）：4 m＞3 m＞2 m ＞1 m；协同减小效率也随着坡沟区域坡长的减小而增加：4 m（26.01%）＞3 m（24.32%）＞2 m（22.54%）＞1 m（21.27%）。

表6 梯田和淤地坝对坡沟系统累计径流量和累计泥沙量的协同效应Table 6 Synergistic effects of terracing and check dam on cumulative runoff and sediment in the slope-gully system

3 讨论

3.1 梯田和淤地坝措施的减水减沙作用

梯田和淤地坝是黄土高原地区控制土壤侵蚀的重要工程措施[20-22]。研究表明[22]，淤地坝工程通过坝身拦截了大量的径流和泥沙，并且减少了原本流入下级河道的水沙。然而，对于坡沟系统而言，淤地坝工程能够通过提升侵蚀基准面，减小坡沟区域可能发生土壤侵蚀的面积[23]。随着淤地坝淤积深度的增加，坡沟系统的地貌发生改变，坡沟区域的长度不断减小，缩短了坡沟系统的径流长度。付兴涛等[24]通过模拟降雨试验探究了红壤丘陵区坡耕地的土壤侵蚀过程，结果表明：坡耕地的产沙量与坡长因子存在显著的相关关系，随着坡长的增加产沙量增大。陈超等[25]通过室内放水冲刷试验研究了不同坡长下黑土区的土壤侵蚀过程，结果表明：坡面含沙量随着坡长的增加而增加，但是其增加速率却随着坡长减小。此外，王伟等[26]通过室内模拟降雨试验与电解质示踪相结合的方法，研究了黄土坡面流的水动力过程，结果表明坡面径流流速随着坡长的增加而增加。这些研究结果与本研究的结果类似，在坡沟系统中随着淤地坝淤积深度的增加，坡沟区域的坡长缩短，进而导致坡沟系统的产流产沙量减小，并随坡沟长度的缩短呈减小趋势。

梯田措施能够减小落在坡面区域的雨滴能量并增加坡面区域的土壤入渗量，从而降低了坡沟系统的径流量[27]。此外，梯田措施还减缓了坡沟系统的坡度，在改变径流路径的同时降低了径流能量，进而减少了坡沟系统的产沙量[28]。石生新等[29]通过模拟降雨试验，量化了几种坡面水土保持措施的减水减沙效益，其中水平阶（水平梯田）能够减少20%的径流量和60%的泥沙量。RAN 等[30]的研究结果进一步表明，梯田措施通过改变径流路径进而显著降低了径流量，有效控制了流域的土壤侵蚀。本研究也得到了类似的结果，梯田措施能够有效控制坡沟系统的产流产沙过程。与没有梯田配置的坡沟系统相比，梯田措施配置下坡沟系统的径流总量减少46.30%～83.59%，泥沙总量减少25.82%～82.41%。但是，单独的水土保持措施所减少的径流总量和泥沙总量明显小于两种措施的共同配置下坡沟系统的径流总量和泥沙总量。

3.2 综合措施减水减沙的协同作用

本研究量化了梯田措施与淤地坝措施共同配置下调节坡沟系统水沙过程的协同作用，结果表明，综合措施配置调控径流量和泥沙量的协同效应随着淤地坝淤积深度的增加而增加。以T3 为例，简要说明梯田与淤地坝措施综合配置下如何协同调控坡沟系统产流产沙过程。1）当梯田措施为唯一措施时（T0），它能够分别减小坡沟系统的径流量169.33 L 和泥沙量15 253.72 g。2）当淤地坝措施为唯一措施时（L3），它能够分别减小坡沟系统的径流总量87.48 L 和泥沙总量15 990.79 g。3）当认为两者综合配置对于坡沟系统的产流产沙不具有协同作用时，它们应该分别减小径流总量256.81 L（169.33 +87.48）和泥沙总量31 244.51 g（15 253.72+15 990.79）。4）实际上，在梯田和淤地坝共同配置下（T3）分别减少了坡沟系统的径流总量269.27 L 和泥沙总量45 611.19 g。然而，T3 配置下减少的径流总量和泥沙总量明显高于不考虑协同作用下减少的径流总量和泥沙总量。因此，梯田与淤地坝措施共同配置下对调控坡沟系统的产流产沙过程具有协同作用。

综合措施减水减沙的协同作用是通过梯田措施的“原地”效应和“异地”效应实现的。首先，梯田措施通过就地拦截径流和泥沙量降低了坡沟系统的产流产沙量，这代表了梯田措施的“原地”效应[31]。其次，由于淤地坝工程的不断淤积，坡沟区域的径流长度和可能发生土壤侵蚀的面积减小，这进一步减少了坡沟系统的产流产沙量[32]。再次，梯田措施减少了流入坡沟区域的径流量和泥沙量，这代表了梯田措施的“异地”效应[33]。最后，梯田措施、淤地坝措施与两者产生的协同作用显著的减少了坡沟系统的径流量和泥沙量，从而发挥了“1+1 ＞2”的水土保持效益。

3.3 对坡沟治理措施的建议

黄土高原地区的坡沟系统是由坡面和坡沟两部分组成，水沙输移和能量传递从坡面到坡沟连续演化的水文过程[34]。单一的坡面措施或沟道措施拦截径流和泥沙的效果远远不及坡沟措施综合配置下的减水减沙效益[35-36]。坡沟兼治的综合措施不仅能够发挥单一措施的减水减沙效益，还能同时发挥多种措施对水沙过程的协同调控作用。王文龙等[37]研究表明，坡沟系统内上方坡面来水是影响坡沟区域侵蚀产沙的关键因素，减少进入沟坡区域的径流和泥沙对于减轻坡沟区域水土流失至关重要。高海东等[38]研究表明，随着淤地坝的运行，流域的侵蚀基准会不断抬升，进而导致流域发生侵蚀的不稳定区域逐渐减小，从而控制了流域的土壤侵蚀。ZHAO 等[39]研究表明，淤地坝和土地利用变化综合减少了皇甫川流域的泥沙总量近80%，这项研究强调了综合措施配置对减少流域水土流失的优势，这与本研究的结果一致。因此，坡沟治理必须坚持坡沟兼治的治理方针，形成完整的水土保持措施体系，发挥坡沟治理措施减水减沙的协同作用。

4 结论

本研究通过室内模拟降雨试验，研究在90 mm/h 降雨强度下，不同措施配置下坡沟系统的产流产沙过程。通过构建对照组（CO）、单一措施组：仅有梯田措施（T0）和4 个因淤地坝淤积导致的坡沟关系改变（L1、L2、L3 和L4）以及综合措施为梯田措施和淤地坝措施结合（T1、T2、T3 和T4），量化了梯田与淤地坝措施综合配置对减少坡沟系统产流产沙的协同作用。得到以下结论：

1）梯田措施能够分别减少坡沟系统46.30%～83.59%的径流总量和25.82%～82.41%的泥沙总量。

2）淤地坝淤积深度的增加分别减少坡沟系统7.87%～33.42%的径流总量和10.20%～30.57%的泥沙总量。

3）梯田与淤地坝综合配置对减少坡沟系统的径流总量和泥沙总量具有协同效益，并且协同效益受淤地坝淤积深度的增加而增加，产流的协同效应：4 m（3.87%）＞3 m（3.41%）＞2 m（2.63%）＞1 m（2.43%）；产沙的协同效应：4 m（26.01%）＞3 m（24.32%）＞2 m（22.54%）＞1 m（21.27%）。