国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心

第 29 卷第 4 期 2023 年 4 月

水利科技与经济

Water Conservancy Science and Technology and Economy

Vol. 29 No. 4 Apr. ，2023

doi : 10. 3969 /j. issn. 1006－7175. 2023. 04. 021

不同降雨强度对农业水土

保持的影响研究

刘丽丽，姚庆锋

( 滨州市引黄灌溉服务中心，山东滨州 256600)

[摘要] 针对不同降雨强度对农业水土保持方面的减流量和减沙量的影响以及对防止水土流失的影响，开展 3 个等级降雨下的坡地产流量和产沙量试验。结果表明: ①随着降雨强度的增大，平均产流量随之增大; 随着坡地坡度的增大，平均产流量增加越明显; 平整坡地较等高掏挖、机械助耕、人工耕作 3 种措施的平均产流量最显著; ②降雨强度增大，平均产沙量先减小再增大，在降雨强度 100mm / h 时，平均产沙量最低; ③人工耕作的减流效益随着降雨强度的增大而减小; ④等高掏挖的减沙效益随着降雨强度的增大而减小。研究成果可为类似水土保持工程提供参考与借鉴。

[关键词] 水土保持; 降雨强度; 减流量; 减沙量

[中图分类号] S157 [文献标识码] A [文章编号] 1006－7175( 2023) 04－0099－ 50

1 概述

水土保持在防洪减灾、改善生态、恢复生态调节功能等方面具有重要作用，学者们对此进行了相关研究。方乾等 [1] 针对降雨强度对农业耕

作措施水土保持作用的影响进行了研究，结果表明各耕作措施坡地产流量随降雨强度的增大而

增大，降雨达到一定强度时，耕作措施均不能降低坡地产沙量。张文聪等 [2] 对浙江水土保持植物建设情况与发展进行了研究，结果表明合理选择树种能有效防止水土流失。李杰 [3] 对小流域水土保持综合治理进行了研究，结果表明采用综合治理对策能有效改善小流域的生态环境。李青青 [4] 根据降雨强度对小流域地表水土保持工程影响进行了建模分析，结果表明随着降雨强度的增大，地表水土保持工程的降雨量和产沙量均提升明显。高天志等 [5] 对社会互动促进农户水土保持技术进行了研究，结果表明采用科学的农户水土保持技术能有效改善生态环境。苏如坤 [6] 对国道 G325 改线工程水土保持方案变更进

行了分析，结果表明采用土石方挖填、植物种植措施能有效防治水土流失，提高水土保持效益。张瑜等 [7] 对吉林省山地丘陵区典型坡面水土保持措施适宜性进行了研究，结果表明采用科学的坡耕地水土保持措施，能有效防治耕地水土流失和质量退化。薛丽媛 [8] 对小流域水土保持植物措施对位配置进行了分析，结果表明采用水土保持植物措施，能有效提升小流域范围内的土地利用效率。刘纪根等 [9] 对长江流域水土保持进行了研究，结果表明采用科学的水土保持措施能有效改善水资源环境。岳芳荣 [10] 对水土保持角度

的农业经济可持续发展措施进行了研究，结果表明采用科学的水土保持措施，能有效防止因水土流失导致的土壤肥力下降，改善了耕地面积减少的状况。

上述相关研究没有涉及不同强度降雨对农业耕作水土保持的试验。因此，本文分别针对不同降雨强度下坡地产流量、产沙量和减流效益、减沙效益进行试验。研究成果可为类似水土保持工程提供参考与借鉴。

[收稿日期] 2022－08－19

[作者简介] 刘丽丽(1979－) ，女，山东垦利人，高级工程师，主要研究方向为农田水利、水土保持 ; 姚庆锋(1980－) ，男，

山东阳信人，高级工程师，主要研究方向为农田水利、水土保持．

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2 使用材料和研究方法

2．1 研究区概况

研究区位于某市西部的龙泉山脉，呈南北走向，是平原与丘陵的自然分界线，年平均气温 16℃ ，年降水量 920mm 。该地区耕地占山脉面积的一半以上，生活在山脉周围的居民均以种植农作物为主。本试验取自该地区耕地的 0 ~ 15cm 表层土，土壤呈紫色，是石灰性紫色土，偏碱性，土体较疏松，有部分其它杂质。土壤取回后，经过自然风干，含水量控制在 15% 以内，然后过 8mm 孔径筛，除去大颗粒土壤和其它杂质。

2．2 试验方法

本次试验在水土保持实验室进行，模拟山脉

周围耕地环境，采用人工降雨模拟器进行人工降雨。试验用的土槽规格为 2．4m× 1．2m× 0．6m(长× 宽× 高) ，试验降雨强度分为 3 个等级，分别为 50、 100、150mm / h，降雨时间为 120min 。土槽坡度分别为 10° 、15° 、20° 。

试验时，土槽里分层填充土壤，将土槽分为 3 层，每层填充 15cm，使土层保持水平。装土结束后，将土槽设置成试验坡度，然后布设等高掏挖、机械助耕、人工耕作试验措施。布设完成后，对试验土壤采用预降雨方式恢复土壤结构，其强度为 20mm / h，历时 45min 。预降雨结束后，静置土壤 24h，进行正式降雨试验。试验进行时，土槽底部产生径流时开始计算时间，并每隔 5min 进行一次泥沙采样。降雨结束后，通过对径流称重计算产流量，对干燥后的泥沙称重计算产沙量。

3 试验数据分析

本文通过对 3 种不同的降雨强度和 3 种不同的坡度进行等高掏挖、机械助耕、人工耕作措施试验，平均产流数据和产沙数据公式如下 :

RY = ∑RY0 ( 1)

式中 : RY 为平均产流量; RY0 为瞬时产流量 ; N 为采样数量。

SY = ∑ SY0 ( 2)

式中 : SY 为平均产沙量; SY0 为瞬时产沙量 ; N 为采样数。

RY0－PYi

ER = × 100%

PY0

— 100 —

式中 : ER 为减流效益; RY0 为平整地表总产流量 ; RYi 为耕作地表坡地总产流量。

ES = × 100% ( 4)

式中 : ES 为减沙流量; SY0 为平整地表总产沙量 ; SYi 为耕作地表坡地总产沙量。

4 试验结果分析

4．1 坡地产流量与产沙量分析

根据式( 1)－式(4) ，可得不同强度的降雨在不同因素下水土保持的产流量，见图 1。

图 1 产流量与降雨强度的关系曲线

刘丽丽，等: 不同降雨强度对农业水土保持的影响研究第 4 期

由图 1 ( a) 可知，当坡度为 10°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产流量分别为 38、48、73g / s，人工耕作产流量分别为 30、41、 64g / s，机械助耕产流量分别为 21、33、60g / s，等高掏挖产流量分别为 10、24、68g / s 。因此，相同条件下，平整坡地降雨产生的平均径流量均大于其

它 3 种坡地。

由图 1 ( b) 可知，当坡度为 15°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产流量分别为 30、33、72g / s，人工耕作产流量分别为 22、28、 62g / s，机械助耕产流量分别为 18、23、68g / s，等高掏挖产流量分别为 12、22、58g / s 。因此，相同条件下，平整坡地降雨产生的平均径流量均大于其

它 3 种坡地。

由图 1 ( c) 可知，当坡度为 20°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产流量分别为 25、30、68g / s，人工耕作产流量分别为 18、25、 60g / s，机械助耕产流量分别为 16、20、63g / s，等高掏挖产流量分别为 9、19、58g / s 。因此，相同条件下，平整坡地降雨产生的平均径流量均大于其它 3 种坡地。

综上可知，坡度越大，降雨产生的平均径流量越大 ; 相同坡度及降雨条件下，平整坡地较其它坡地的平均径流量大。

根据式( 1) －(4) ，可得不同强度的降雨在不同因素下水土保持的产沙量，见图 2。

由图 2 ( a) 可知，当坡度为 10°，降雨强度分

别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产沙量分别为 38、42、63g / s，人工耕作产沙量分别为 29、31、 75g / s，机械助耕产沙量分别为 22、19、28g / s，等高掏挖产沙量分别为 10、5、17g / s 。因此，降雨强度从 50 ~ 100mm / h 阶段，平整坡地、人工耕作的平均产沙量随着降雨强度的增大而增加 ; 机械助耕、等高掏挖的平均产沙量随着降雨强度的增大而减少。降雨强度从 100 ~ 150mm / h 阶段，4 种措施的平均产沙量均快速增加，且人工耕作平均产

沙量增加最大。

由图 2 ( b) 可知，当坡度为 15°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产沙量分别为 18、5、75g / s，人工耕作产沙量分别为 23、12、 63g / s，机械助耕产沙量分别为 32、9、53g / s，等高掏挖产沙量分别为 62、7、20g / s 。因此，降雨强度从 50 ~ 100mm / h 阶段，4 种措施的平均产沙量均随着降雨强度的增大而减少，在降雨强度

100mm / h 时，平均产沙量达到最低值。降雨强度从 100 ~ 150mm / h 阶段，4 种措施的平均产沙量均快速增加，且平整坡地平均产沙量增加最大。

图 2 产沙量与降雨强度的关系曲线

由图 2 ( c) 可知，当坡度为 20°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，平整坡地产沙量分别为 23、22、77g / s，人工耕作产沙量分别为 28、24、 69g / s，机械助耕产沙量分别为 37、28、53g / s，等高掏挖产沙量分别为 62、32、45g / s 。因此，降雨强度从 50 ~ 100mm / h 阶段，4 种措施的平均产沙量均随着降雨强度的增大而减少，在降雨强度 100mm / h 时，平均产沙量达到最低值。降雨强度从 100 ~ 150mm / h 阶段，4 种措施的平均产沙量均

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快速增加，且平整坡地平均产沙量增加最大。

综上可知，在相同的坡度时，随着降雨强度的增大，平均产沙量先减小再快速增大 ; 随着坡度的增大，各措施的平均产沙量变化明显。

4．2 坡地减流效益与减沙效益分析

在 3 种不同强度的降雨条件下，水土保持的减流效益见图 3。

图 3 减流效益与降雨强度的关系曲线

由图 3 ( a) 可知，当坡度为 10°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，人工耕作减流量分别为 47%、37%、27%，机械助耕减流量分别为 33%、 18%、14%，等高掏挖减流量分别为－12%、12%、 22% 。因此，人工耕作、机械助耕的减流量随着降

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雨强度的增大而减小 ; 等高掏挖的减流量随着降雨强度的增大而快速增加，且人工耕作减流量较

其它两种措施大。

由图 3 ( b) 可知，当坡度为 15°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，人工耕作减流量分别为 47%、25%、18%，机械助耕减流量分别为 4%、 16%、6%，等高掏挖减流量分别为 12%、11%、 14% 。因此，人工耕作的减流量随着降雨强度的增大而快速减小 ; 机械助耕的减流量先增大再缓慢减小 ; 等高掏挖的减流量先减小再缓慢增大，

且人工耕作减流量较其它两种措施大。

由图 3 ( c) 可知，当坡度为 20°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，人工耕作减流量分别为 55%、28%、21%，机械助耕减流量分别为 6%、 22%、16%，等高掏挖减流量分别为 20%、15%、 18% 。因此，人工耕作的减流量随着降雨强度的增大而快速减小 ; 机械助耕的减流量先增大再缓慢减小 ; 等高掏挖的减流量先减小再缓慢增大 ; 在降雨强度为 150mm / h 时，3 种措施的减流量基本处于同一水平。较其它两种措施，人工耕作减流量更大。

综上可知，机械助耕、等高掏挖的减流效益无明显规律，人工耕作的减流量随着降雨强度的增大而快速减小，较其它两种措施，人工耕作的减流效益变化最明显。

在 3 种不同强度的降雨条件下，水土保持减沙效益见图 4。

由图 4 ( a) 可知，当坡度为 10°，降雨强度分

别为 50、100、150mm / h 时，人工耕作减沙量分别为 125%、50%、68%，机械助耕减沙量分别为 75%、40%、105%，等高掏挖减沙量分别为 28%、 28%、48% 。因此，人工耕作、机械助耕的减沙量随着降雨强度的增大先增加再减小 ; 等高掏挖的减沙量随着降雨强度的增大而快速减小，且等高

掏挖减沙量较其它两种措施大。

由图 4 ( b) 可知，当坡度为 15°，降雨强度分别为 50、100、150mm / h 时，人工耕作减沙量分别为 50%、85%、30%，机械助耕减沙量分别为 100%、118%、106%，等高掏挖减沙量分别为 15%、45%、70% 。因此，人工耕作、机械助耕的减沙量随着降雨强度的增大先减小再增大 ; 等高掏