黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应.pdf

第39 卷 第13期962023年，农业水土工程黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应农业工程学报7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringVol.39No.13July 2023白璐璐，时鹏，李占斌，李鹏，王（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7 10 0 48；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7 10 0 48）摘要：黄土高原地区的梯田和淤地坝措施发挥了重要的水土保持功能，然而现有的研究主要关注单个措施的减水减沙效应，对坡沟治理措施综合配置协同调控水沙过程的作用一直认识不清。因此，该研究为解析梯田和淤地坝措施对水沙过程的协同调控效应，构建了10 个坡沟系统物理模型，设置了对照组（CO），单一措施组（梯田措施（TO），4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短（L1、L 2、L 3和L4）和组合措施组（梯田与4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短的综合配置（T1、T 2、T 3和T4），进行降雨强度为9 0 mm/h的室内模拟降雨试验，量化不同试验方案下坡沟系统的产流产沙过程。结果表明：1）梯田措施和淤地坝淤积导致坡沟区域坡长缩短均有效调控了坡沟系统的产流产沙过程，梯田能分别减少46.30%8 3.59%的径流总量和2 5.8 2%8 2.41%的泥沙总量，淤地坝导致坡沟区域坡长缩短能分别减少7.8 7%33.42%的径流总量和10.2 0%30.57%的泥沙总量。2）不同试验方案下坡沟系统的产沙率和产流率之间满足线性关系，而累计产沙量和累计产流量满足幂函数关系。3）综合措施配置发挥了“1+1 2”的水土保持效益，其中协同效应随着坡沟区域坡长的减小而增加，对产流和产沙的协同效应均以坡长缩短4m为最大，以缩短1m为最小。研究结果可为黄土高原地区坡沟治理和科学配置防治措施提供理论参考和科技支撑。关键词：径流；泥沙；坡面；坡沟系统；梯田；淤地坝；协同效应doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303148中图分类号：S126白璐璐，时鹏，李占斌，等.黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应 J.农业工程学报，2 0 2 3，39(13):96-104.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303148http:/www.tcsae.0rgBAI Lulu,SHI Peng,LI Zhanbin,et al.Synergistic effects of terraces and check dams on runoff and sediment yields in a slope-gullysystem in Loess PlateauJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2023,39(13):96-104.(in Chinese with English abstract)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2 0 18 年，黄土高原地区的梯田面积由2 0 世纪8 0 年代的1.4万km增加到5.5万km，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m/a（19191959年）减少至2 36.4亿m/a（2 0 0 0 一2 0 0 8 年），减小幅度为45%；多年平均输沙量由16 亿t/a（19 19 19 59 年）减少至2.5亿t/a（2 0 0 0 2008年），减小幅度为8 5%5-6 。冉大川等 7 研究发现，1960年至2 0 0 2 年期间黄河中游大理河流域的淤地坝系年平均分别减少18 40 万m的洪水量和12 9 0 万t的泥沙量。马红斌等 8 研究表明，截至2 0 12 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。大规模的水收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 1修订日期：2 0 2 3-0 4-18基金项目：国家自然科学基金项目（42 0 7 7 0 7 3）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2 0 2 2 KJXX-62）作者简介：白璐璐，博士生，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email:通信作者：时鹏，教授，博士生导师，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email:雯，赵准，董敬兵文献标志码：A文章编号：10 0 2-6 8 19(2 0 2 3)-13-0 0 96-0 9)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303148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 。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 1415。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2 31、19 1和131mm时，一类、二类和三类梯田能够拦截10 0%的泥沙，随着降雨量的http:/www.tcsae.org第13期增加减沙效益减小。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58.6 7%的洪量，使得流域的总输沙量减少8 3.92%。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 20cm），土壤类型为黄绵土，土壤容重为1.3g/cm，激光粒度仪（Mastersizer2000,英国马尔文公司）测得土壤颗粒组成：砂粒（0.0 50 mm）占比7.6 0%，黏粒(0.0020.050mm）占比91.2 6%，粉粒（0.05)。采用SPSS20.0(IBMSPSS)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。Rco-S iE)100%S jRR=(RcoReo-S s)100%S jsR=(Rco式中Sir指淤地坝淤积jm减少坡沟系统径流总量的效益，%；Sir指淤地坝淤积jm坡沟系统的径流总量，L；农业工程学报（http:/www.tcsae.org）R=Z.r(1)(2)COL1裸露断面Exposed section三梯田断面Terrace section2023年Sisr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、4m。1.3.2梯田和淤地坝减水减沙的协同效益L2L3L4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。(Rco-S TR)100%S jTR=(Rco(Rco-S ms)100%S jTSR=(Rco式中SiTRR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jmb.无梯田的坡沟系统现场综合配置下坡沟系统的径流总量，L；Si T Rs 指有梯田措施b.Field diagram of slope-gullysystem without terraceTOT1d.有梯田的坡沟系统现场d.Field diagram of slope-gullysystem with terrace(7)(8)并淤积jm综合配置下减少坡沟系统泥沙总量的效T2T3T4(3)(4)(5)(6)益，%；Sirs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。S jTRS=S jTRR-S jR-TRS jTSs=S jTSR-S jsR-TsR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，%；Sjiss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，P0.05)。采用SPSS20.0(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、L 1、L 2、L 3、L4的坡沟系统的产流率峰值分别在7、8、10、11和13min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7 7.39%、6 5.8 1%、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(243.48L),TO(196.36 L)T1(158.71 L)T2(136.39 L)T3(96.43 L)T4(60.00 L)。(9)(10)第13期14121086420表2 不同试验方案下产流率统计Table 2Statistical of runoff yield under different experimental变异系数最小值最大值CoefficientofvariationCV/%CO2.83L14.16L22.65L32.73L43.11TO0.76T10.47T20.44T30.25T40.08同样，梯田和淤地坝显著改变了坡沟系统的产沙过2530降雨时间Rainfall duration/mina.Co VS TO4000L2T23 000率20001 0000白璐璐等：黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应14CO121086420L2T251015202530降雨时间Rainfall duration/minc.L2 VS T2Fig.3 Runoff process of slope-gully system in different experimental schemesschemes均值12.1911.2310.519.278.126.555.294.553.212.004 000COTO300020001000051015202530降雨时间Rainfall duration/minc.L2 VS T2Fig.4 Sediment process of slope-gully system under different experimental schemes99TO141210864251015202530降雨时间Rainfall duration/mina.CO VS TO14121086420图3不同措施配置下坡沟系统的产流过程程（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：CO13.8217.5512.7213.7112.3019.3510.8818.919.5117.7511.7257.418.1744.527.2047.865.6159.283.8765.6951015204.0003000率车2.00010000图4不同试验方案下坡沟系统的产沙过程L1051015202530降雨时间Rainfallduration/minb.LI VS T1L3T351015202530降雨时间Rainfall duration/mind.L3 VS T3(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(1 359.87g/min)T1(856.64 g/min)T2(559.50 g/min)T3(426.51g/min)T4(323.70g/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)。4000L1-T13000率2.00010000L3T351015202530降雨时间Rainfallduration/mind.L3 VS T3T114121086420510 1520 2530降雨时间Rainfall duration/minb.L1 VS T140003000200010000L451015202530降雨时间Rainfallduration/mine.L4 VS T4L4T451015202530降雨时间Rainfall duration/mine.L4 VS T4T4100Table 3Statistical of sediment yield under different experimental方案最小值SchemesMin/(g:minl)CO566.42L1618.4L2590.15L3490.09L4770.36TO187.26T1114.93T242.07T361.74T432.71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(59067.74 g)L1(53 040.61 g)4 v=304x-0.002(G-uru.8:0L)/R2=0.46*2一22.55.07.510.012.5x/(L:minl)a.co3 rV=141x+540R2-0.58*(-u/u.8:0)/20农业工程学报（http:/www.tcsae.org）表3不同试验方案下产沙率统计schemes均值Mean/(g:minl)1968.921 768.021 496.471435.91367.031460.47840.68544.26448.55346.383J=274x-0.001(uu.3:0)/2R2=0.54*一014x/(Lmin-l)b.L12y=129x+157(-uu.3:0)/R2-0.80*148122023年L2(44 893.95 g)L3(43 076.94 g)L4(41011.01 g),T0(43 814.01g)T1(25 220.38g)T2(16 327.66g)T3(13 456.55g)T4(10 391.52 g)。最大值CVIMax/(g:minl)%3.902.7648.692.770.1232.332 108.2335.983507.8951.112274.0231.373031.8547.451352.2940.56953.7247.57894.7736.33736.4340.143J=107x-154(-u/u.3:0l)/R2=0.68*20812(-uu.3,01)/024682.2行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）（P0时，即产沙率随着产流率的增加而增加，因此可定义斜率为产沙效率，其值的大小能够反映其产沙率的大小。不同方案下的值满足以下关系：COTO,L1T1，L 2 T 2，L 3 T 3，L 4 T4。从斜率可以看出，与无梯田措施相比，梯田配置下的值均较小，这表明梯田措施减小了坡沟系统的产沙能力。4J=293x0.001(G_uu.:0D)/3R2-0.49*2一04681012x/(L:min-l)c.L21 J=110 x+43.4R2-0.86*033y=219x-411(-uru.8:01)/R2=0.54*2048x/(Lmin-)d.L3y=50.4x+287(uu.8;01)/R2=0.47*064x/(Lminl)e.L4900y=91.9x+163600R2=0.75*300248024一x/(L:min-l)f.TO注：x为产流率：y为产沙率。*表示在0.0 5水平显著相关。图中阴影部分为95%置信区间。Note:x is the runoff yield;y is the sediment yield.*means significant correlation at the 0.05 level.The shaded areas represent 95%confidence interval.Fig.5Relationship between runoff and sediment yields in slope-system under different experimental schemes不同措施配置下坡沟系统的累计产流量和累计产沙量之间满足yi=Ax的幂函数关系（yi为累计产沙量，g；x i 为累计产流量，L）（表4)。表4不同试验方案下坡沟系统累计产流量（xi）和累计产沙量（y）的关系Table 4 Relationship between accumulated runoff and sediment inslope-system with different experimental schemes方案SchemesCOL1L2L3L4TOT1T2T3T4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x/(Lmin-l)g.T1图5不同试验方案下坡沟系统产流率与产沙率的关系拟合方程决定系数Regression equationsDetermination coefficient(R)y/;=80.47x;1078J/=90.29,1084J1=173.97x,.952Ji=119.78x,1.01J1=215.03x,0.93J/=483.67x,0.875Ji=312.79x,0.861J1=171.78x,0.23J1=531.49x,0.731yi=563.0 x,0732x/(L:min-)h.T2顺序:CO TO,L1 T1,L2T2，L 3 T 3，L 4 T 4。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）：L4L3L20.983L1；减小幅度也随着坡沟区域坡长的减小而增加：0.998L4（33.42%）L 3（2 3.9 2%）L 2（13.7 7%）0.9980.9720.9910.9940.9970.9950.9890.994x/(L:min-)i.T3L1（7.8 7%）。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)：L4L3L2L1；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%）L 2 (2 4.0 0%)L 1（10.2 0%)。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2 5.8 2%（表5中TO）。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）：T4T3T2T1；减小幅度也随着淤地坝淤x/(L:min-l)j.T4第13期积深度的增加而增加：T4（8 3.59%）T 3（7 3.6 3%）T2（6 2.7 1%）T 1（56.6 0%）。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）：T4T3T2T1；减小幅度也随着坡沟区域坡长的减小而增加：T4(82.41%）T 3（7 7.2 2%）T 2 （7 2.36%)T1(57.30%)。方案Schemes与CO相比，当梯田措施和淤地坝共同配置时，协Reduction/LL128.77同减少坡沟系统的累计径流量随着坡沟区域坡长的减小L2而增加（表6)：4m3m2m1m；协同减小效率也随着L3L4坡沟区域坡长的减小而增加：4m（3.8 7%）3m（3.41%）TO2m（2.6 3%）1m（2.43%）。同样的，协同减小坡沟T1T2系统的累计泥沙量也具有类似的结果（表6)：4m3mT3T42m1 m；协同减小效率也随着坡沟区域坡长的减小而表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累计径流量坡长减小量Cumulative runoffSlope length reduction/m协同减小量Synergistic reduction/L18.8829.61312.45414.153 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 2 0-2 。研究表明 2 2 ，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 2 3。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 2 4 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 2 5 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 2 6 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 2 7 。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 2 8 。石生新等 2 9 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2 0%的径流量和6 0%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白璐璐等：黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应减小幅度Percentage/%7.8750.3713.7787.4823.92122.2133.42169.3346.30206.9856.60229.3162.71269.2773.63305.7083.59累计泥沙量Cumulative sediment协同减小率协同减小量Synergistic reduction percentage/%Synergistic reduction/g2.4312.566.512.6313312.573.4114 366.673.8715 365.76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2 5.8 2%8 2.41%。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（TO），它能够分别减小坡沟系统的径流量16 9.33L和泥沙量152 53.7 2 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8 7.48 L和泥沙总量15990.7 9g。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2 56.8 1L（16 9.33+87.48）和泥沙总量312 44.51g（152 53.7 2+15990.7 9）。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2 6 9.2 7 L和泥沙总量456 11.19g。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，101增加：4m（2 6.0 1%）3m（2 4.32%）2 m（2 2.54%)1 m(21.27%)。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-gullysystem underdifferent schemes累计径流量Cumulative runoff累计泥沙量Cumulative sediment减小量Percentage/%6027.1310.2014 173.7924.0015990.7927.0718056.7330.5715 253.7225.8233 847.6057.3042.740.0772.3645 611.1977.2248 676.2182.41协同减小率Synergistic reduction percentage/%21.2722.5424.3226.01减小量Reduction/g减小幅度102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+12”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8 0%，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9 0 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（T O）和4个因淤地坝淤积导致的坡沟关系改变（L1、L2、L 3和L4）以及综合措施为梯田措施和淤地坝措施结合（T1、T 2、T 3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2 5.8 2%8 2.41%的泥沙总量。2）淤地坝淤积深度的增加分别减少坡沟系统7.8 7%33.42%的径流总量和10.2 0%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：4m（3.8 7%）3m（3.41%）2 m（2.6 3%）1 m（2.43%)；产沙的协同效应：4m（2 6.0 1%）3m（2 4.32%）2 m（2 2.54%）1 m(21.27%)。1张洋，李占斌，王飞，等.坡沟系统水动力因子的坡长效应研究 J.水土保持学报，2 0 18，32(2)：97-10 3.农业工程学报（http:/www.tcsae.org）参考文献2023年ZHANG Yang,LI Zhanbin,WANG Fei,et al.Study of effectsof slope length on the hydrodynamic factors of slope-gullysystem J.Journal of Soil and Water Conservation,2018,32(2):97-103.(in Chinese with English abstract)2 ZHU B,ZHOU Z,LI Z.Soil erosion and controls in the slope-gully system of the Loess Plateau of China:A reviewJ.Frontiers in Environmental Science,2021,9:136.3 WEN X,ZHEN L.Soil erosion control practices in the ChineseLoess Plateau:A systematic reviewJ.EnvironmentalDevelopment,2020,34:100493.4刘国彬，上官周平，姚文艺，等.黄土高原生态工程的生态成效 J.中国科学院院刊，2 0 17，32(1)：11-19.LIU Guobin,SHANGGUAN Zhouping,YAO Wenyi,et al.Ecological effects of soil conservation in Loess PlateauJ.Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2017,32(1):11-19.(in Chinese with English abstract)5 HU C.Implications of water-sediment co-varying trends inlarge rivers J.Science Bulletin,2020,65(1):4-6.6 WANG S,FU B,PIAO S,et al.Reduced sediment transport inthe Yellow River due to anthropogenic changesJ.NatureGeoscience,2016,9(1):38-41.7冉大川，姚文艺，李占斌，等.不同库容配置比例淤地坝的减沙效应 J.农业工程学报，2 0 13，2 9(12)：154-16 2.RAN Dachuan,YAO Wenyi,LI Zhanbin,et al.Effects ofwarping dams of different storage capacity configurationproportion on reducing sediment base J.Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering(Transactions ofthe CSAE),2013,29(12):154-162.(in Chinese with Englishabstract)8 马红斌，李晶晶，何兴照，等.黄土高原水平梯田现状及减沙作用分析 J.人民黄河，2 0 15，37(2)：8 9-93.MA Hongbin,LI Jingjing,HE Xingzhao,et al.The status andsediment reduction effects of level terrace in the LoessPlateau J.Yellow River,2015,37(2):89-93.(in Chinese withEnglish abstract)9WEI W,CHEN D,WANG L,et al.Global synthesis of theclassifications,distributions,benefitsandissuesofterracingJ.Earth-Science Reviews,2016,159:388-403.10 BAI J,YANG S,ZHANG Y,et al.Assessing the impact ofterraces and vegetation on runoff and sediment routing usingthe time-area method in the Chinese Loess PlateauJ.Water,2019,11(4):803.11冉大川.黄河中游水土保持措施的减水减沙作用研究 J.资源科学，2 0 0 6，2 8(1)：93-1