桑干河流域坡面徑流場建設及模擬產流分析

吳 丹 梁世興 王婭茹 郝金宏

（1.張家口市涿鹿林場，河北 張家口 075000；2.察哈爾烈士陵園管理處，河北 張家口 075000）

0 引言

桑干河位于河北省西北部永定河上游懷涿盆地，是海河的重要支流。桑干河流域地理位置特殊、生態區位重要，是建設首都水源涵養功能區和生態環境支撐區的重要區域。在林業生產建設項目中，對于水土流失程度的預測是一項非常重要的工作，而只有做好水土保持的動態監測才能及時掌握水土流失的第一手資料。坡面徑流場是水土流失監測網絡的重要組成部分，坡面徑流場規劃設計要求目的明確、監測技術路線清晰、管理方便易行。

1 研究區域概況

研究區位于張家口市涿鹿縣涿鹿林場寇家溝林區（東經115°6′17.669″、北緯40°12′49.655″）及井溝林區（東經115°15′23.27″、北緯40°11′19.686″）。涿鹿林場經營總面積為5 415.22 hm2，寇家溝林區面積為1 533.33 hm2，井溝林區面積為734.67 hm2。兩個林區森林資源均以人工林為主，喬木林以油松為主，伴生華北落葉松、楊樹、樺樹、柞樹和椴樹等，灌木主要有山桃、山杏、虎榛、山刺玫、繡線菊和荊條等，草本主要有苔草、堿草、菊類等，森林覆被率70.2%。研究區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均溫度9.1 ℃，無霜期140 d，光照充足，雨熱同期，晝夜溫差大，生長季短，年平均降雨量385～600 mm，降雨分布不均，年際變化大。研究區土壤質地多為壤土和砂壤土，有機質含量較高。

2 徑流場建設

2.1 選址設計

徑流場的選址嚴格執行《水土保持監測技術規程》（SL 277—2002），同時依據山體的自然坡勢建立在監測區具有代表性的地段上，以充分反映監測區水土流失的特征。所選地段山體坡面橫向相對平整，坡度和土壤條件均勻統一，徑流場內坡面沒有陷穴和裂縫，可消除土壤、地形地貌等因素對監測結果的影響。

2.2 徑流場布設

該研究共設計徑流場6個，其中標準徑流場5個、非標準徑流場1個。在徑流場附近采用隨機布點的方式，選擇9棵樹，監測其林內降雨分配情況。

標準徑流場號為1#、2#、4#、5#、6#，垂直投影長10 m、寬5 m。其中，1#、2#徑流場位于井溝林區，坡向為東南，土壤類型為山地褐土，土層厚度40 cm，依照山體自然坡度30°建立。1#徑流場內施工措施為按照2 m×3 m間距，采用翼式魚鱗坑方式整地，營造油松、側柏、五角楓混交造林；2#徑流場是1#對照地，無任何施工措施，保持原始的地況地貌。4#、5#、6#徑流場位于寇家溝林區，依照山體自然坡度32°而建。4#徑流場為陽坡荒地，無任何施工措施，保持原始地況地貌；5#徑流場施工措施為割（折）灌、剩余物清理、林下幼樹撫育；6#徑流場是5#對照地，無任何施工措施，保持原始地況地貌（見表1）。

非標準徑流場地塊編號為3，位于寇家溝林區內，為楊樹純林，依照山體自然坡度32°而建立，根據地勢情況徑流場垂直投影長8 m、寬5 m，無任何施工措施，保持原始地況地貌（見表1）。

表1 徑流場布設情況

2.3 徑流場施工

徑流場邊界均采用工程木板圍埂，基礎埋深 30 cm，地面外露出工程木板高20 cm，并將工程木板圍埂內外兩側土壤夯實。為防止場外降雨流入徑流場內，在徑流場外圍設置排水溝，保證監測數據的準確性。利用水泥漿和石頭等材料砌成導流槽，保證導流槽表面光滑，導流槽左右兩端與徑流場地表高度基本保持一致，再由左右兩端逐漸向下向中間傾斜，導流槽中間用聚氯乙烯集流管穿過厚30 cm的水泥漿石頭墻，用以連接徑流場與集流桶。集流桶與分流桶均利用聚氯乙烯圓桶，分流桶利用不銹鋼螺絲扣與集流桶連接，并用密封膠封邊保證雨水不外滲。溢流時雨水會從集流桶的中間孔流入分流桶中。分流桶與集流桶頂部均加蓋，并用塑料布包裹，用纖維繩捆綁，防止降雨直接落入桶內影響徑流量監測結果。井溝林區徑流場如圖1所示。

圖1 井溝林區徑流場

3 監測試驗設計

3.1 監測指標和方法

徑流場監測指標包括降雨量、徑流量和產沙量。利用人工現地測量的方法進行指標測量。測量前準備500、2 000 mL量筒各2個，500 mL取樣瓶若干及相關記錄工具。林外布設雨量筒監測降雨量。考慮夏季天氣炎熱、易蒸發等因素，要求降雨后12 h內必須完成取樣和監測工作，以獲得原始數據。原始數據記錄均為人工記錄紙質版。

3.2 產沙量監測

充分攪動桶內積水，使沉積的泥沙與水充分混合均勻，利用量筒取樣500 mL裝入取樣瓶內，并標記好對應的徑流場號及取樣日期。將取樣瓶中的雨水用濾紙過濾，再將濾紙和泥沙放在鋁盒內放入烘箱烘干，烘箱溫度設為105 ℃，烘干至恒質量，冷卻后稱質量計算含沙量。含沙量計算公式為：

式（1）中：為含沙量，單位為kg/m；為電子天平秤出的泥沙質量，單位為g。

侵蝕量計算公式為：

式（2）中：為場降雨侵蝕泥沙總質量，單位為kg/hm；為場降雨的徑流量，單位為m。

3.3 徑流量監測

用量筒測量集流桶與分流桶內水量，填入對應的記錄表內，做好記錄。

4 結果與分析

2021年6月25日至8月22日的監測數據見表2。

表2 徑流場監測數據

4.1 不同徑流場的徑流量分析

在場降雨量相同的條件下，1徑流場徑流量比2徑流場少，如7月13日、7月30日、8月22日，但6月25日出現相反的情況。其主要原因可能是6月25日為徑流場建好后的第1次監測，雖然徑流場建設時盡可能保持原地貌不破壞，并在建設好后第3次降雨進行第1次監測，但仍可能存在土壤不夯實吸水嚴重的情況，導致1徑流場內徑流量多于2徑流場內徑流量。同時，結合多次監測數據來看，每次監測的數據與表1記錄的數據基本一致，即經過翼式魚鱗坑整地，營造油松、側柏、五角楓混交林的徑流場，降雨后產生的徑流量較少，水土保持效果較好。可見，營造混交林在防治水土流失方面起著積極作用。

對3、4徑流場產生的徑流量進行比較，6月25日、7月13日純楊樹林產生的徑流量比陽坡荒地多，而7月30日、8月22日反之。其原因可能是陽坡荒地較純楊樹林光照多且地表裸露，陽坡荒地較為干旱，故吸水快，導致徑流量少于純楊樹林；經過幾次降雨后，陽坡荒地干旱情況得到緩解，在這種情況下地表裸露，地表雨水流動沒有阻力，而純楊樹林的林地上有3～5 cm厚的枯落物，枯落物吸收一部分雨水的同時會給地表雨水流動形成阻力，延長雨水滲透時間，使得更多的雨水被吸收。通過以上分析可以看出，林冠截留和林下枯枝落葉可以起到水土保持 的作用。

對5、6徑流場產生的徑流量進行比較，6月25日、7月13日、8月22日3次監測結果均是經過森林綜合撫育的徑流場產生的徑流量多于沒有任何措施的徑流場產生的徑流量。

4.2 不同徑流場的侵蝕泥沙量分析

在場降雨量相同的情況下，對1、2徑流場進行比較，經過翼式魚鱗坑整地，營造油松、側柏、五角楓混交林的徑流場比沒有采取水土保持措施的徑流場產生的徑流量少。例如，7月13日1徑流場產生的侵蝕泥沙量為0.19 kg/hm，2徑流場為 0.66 kg/hm。這表明營造油松、側柏、五角楓混交林起到了一定的水土保持的作用。3與4、5與6徑流場監測的侵蝕泥沙量數據變化沒有明顯規律，需要繼續監測、收集數據。

5 徑流場建設、監測存在的問題及改進建議

在實際觀測中，因部分徑流場的坡面是經過施工的，沒有經過長久撂荒，導致周邊地塊的地表地貌有差異。在這種情況下，監測數據與實際數據會存在誤差，所以要盡量在保持徑流場無擾動的情況下連續、多次收集降雨量、徑流量、侵蝕量等數據資料，經過檢驗和校正，進一步進行統計分析。另外，此研究監測的基礎條件較為單一，設備過于簡單化，應引進先進的試驗設備，以獲得更為科學的數據。同時，應開展相關的業務培訓，使工作人員掌握最新的理念和技術，不斷提高工作人員的業務技能水平。

桑干河流域坡面徑流場的建成對該流域開展水土保持工作具有重大的意義，希望能在此基礎上引入更好的試驗項目及先進的試驗設施，做好桑干河流域水土保持工作。