3.3.3.1　流域概况

南小河沟是泾河支流蒲河左岸的一条支沟，即董志塬西侧，距西峰市中心10km。图3.3是根据南小河沟1∶10000地形等值线图绘制的三维影像图。该流域位于东经107°37′，北纬35°42′，属黄土高原沟壑区典型。该区海拔1050～1423m，流域面积36.6km2，其中塬面占56.86%，沟壑占43.14%。总耕地面积2.53万亩，其中塬地2.35万亩，占耕地93%；山地1674亩，占耕地6.6%；沟坝地120亩，占耕地0.4%；耕垦指数46.3%。流域长13.6km，平均宽2.7km，干沟长11.8km。流域年平均气温9.3℃，最高气温39.6℃，最低气温-22.6℃，最大日温差23.7℃，年温差62.2℃，无霜期155天，多年平均年蒸发量为1503.5mm。多年平均年降水量为556.5mm，其中6～9月降水量占全年降水量的67.3%。黄土是本流域主要覆盖性土壤，黏土含量甚微，土质松软。

图3.3　南小河沟流域地形俯视图（单位：m）

南小河沟在黄河中游地区水土保持工作中是起步早、取得成效较显著的小流域之一。根据现有资料，至1978年底，南小河沟流域完成水土保持工作量如表3.12所示。从1951年开始，到1978年底，共完成塬面条田1.55万亩，平梯田1013亩，沟坝地120亩，沟边埂45km，沟头防护45处，山地果园40座、1418亩，已成林地6910亩，种草1500亩，封沟育草1006亩，修土谷坊774座、淤地坝11座，修建小水库3座、提灌站7处、机井59眼，发展水浇地1万多亩，全流域治理程度为58%。截至目前，南小河沟流域已成为农林草果业综合发展的复合生态系统，生产力也处于较高水平。水土保持综合治理减沙效益达99%，蓄水效益达80%以上。流域综合治理措施具体表现在以下几个方面：①塬面布设“三道防线”；②沟坡修水平梯田，建山地果园、护坡林、苜蓿坡等；③沟谷打柳谷坊、土谷坊，沟底建防冲林、淤地坝和小水库。基本达到水不下塬，泥不出沟，农、林、牧全面发展。

表3.12　南小河沟流域完成水土保持工作量统计表（至1978年底）

续表

3.3.3.2　历年水资源效应分析

根据十八亩台、杨家沟、董庄沟3个测站及不同土地类型径流场的19年资料的整理分析，对逐次洪水的径流泥沙来源进行了平衡计算，结果如下：从径流来看，历年汛期平均径流模数为8994m3/km2，按3个不同地貌部位，塬为9260m3/km2，坡为8200m3/km2，沟为8716m3/km2。塬面来水量占流域来水总量的67.4%，坡面来水量占流域来水总量的8.6%，沟谷来水量占流域来水总量的24%。从流失泥沙来看，流域历年汛期平均天然侵蚀模数为4300t/km2，按3个不同地貌部位，塬为810t/km2，坡为666t/km2，沟为1.52万t/km2。塬面来沙量占流域来沙总量的12.3%，坡面来沙量占流域来沙总量的1.4%，沟谷来沙量占流域来沙总量的86.3%。

流域水土保持措施历年拦蓄效益根据已整编的1955～1974年观测资料，采用流域内非治理的各类土地径流场流失量所得流域总流失量与十八亩台综合效益观测站的资料进行对比求得，如表3.13所示。南小河沟流域1955～1974年间（1970年因缺乏观测资料除外），各项水土保持措施总共拦截洪水347.30万m3（1970年因缺乏观测资料除外），其中历年平均拦蓄径流效益55.6%；总共拦沙293.4万t，历年平均拦蓄泥沙效益为97.2%。土坝等工程措施19年拦蓄泥沙129.6万t，占全流域19年拦泥总量的82.3%，同时保证了70%的河床不受冲刷。条田、梯田是塬地和山地改土增产的重要措施，林草是治理荒山的根本措施。各种水保林、果园、梯田、谷坊在蓄水拦沙上起到很大作用。总之，从上述增产减沙效益来看，南小河沟的水土保持措施作用十分显著。

表3.13　南小河沟流域汛期拦蓄效益成果表（十八亩台水库以上）

① 这些数字为本研究复核、改正后数据。

3.3.3.3　特征年和历年水环境效应计算

1978年底南小河沟流域各项措施地块的面积统计如表3.12所示，各项水保措施的拦水拦沙量采用成因分析法进行计算。

坡面措施减水量为

式中：Wwp为坡面措施减水量，m3；Mw为流域天然地表径流模数，m3/（hm2·a）；ηw为某项坡面措施减水（地表径流）指标，%；ai为某项坡面措施面积，hm2；K为地下径流补给系数。

根据南小河沟流域的降雨侵蚀特性，式（3.7）中各项系数可取以下数值：Mw=89.94m3/（hm2·a）；1978年为枯水年，这一年梯田、造林、种草的减水系数ηwi分别为：64%、45%、20%；1978年梯田、造林、种草这三项措施的面积ai根据表3.12统计，分别为235hm2、461hm2、167hm2；K=0.025。

坡面措施减沙量为

式中：Wsp为坡面措施减沙量，t；Ms为流域在未治理状况下的天然产沙模数，t/hm2，南小河沟流域的天然产沙模数为4300t/hm2；ai为某项坡面措施面积，hm2；ηsi为某项坡面措施减沙指标，%。

沟道措施（淤地坝）减水量为(www.daowen.com)

式中：Wgp为淤地坝拦截的年径流量，m3；Wgs为淤地坝拦截的年泥沙量，t；γ为坝地淤泥干容重，一般为1.35～1.4t/m3；α为淤泥孔隙率，一般为0.5左右。

沟道措施（淤地坝）减沙量为

式中：Wgs为淤地坝拦泥量，t；re为单位面积坝地拦泥量，即拦沙定额，t/km2；α1为人工填垫坝地在坝地总面积中的比例；α2为推移质在坝地拦泥总量中占的比例。

拦沙定额re根据黄土高原各水土侵蚀区淤地坝的拦沙量统计分析获得，不考虑人工填筑及泥沙推移质比例，与式（3.4）表示的拦沙能力r略有区别。在南小河沟流域各系数取值如下：a2可取0.1；因为该流域淤地坝库容与坝高的比例相对比较小，α1可取0.3；参考第二期“水沙基金”淤地坝拦泥指标，该流域1978年淤地坝的拦沙定额re取为30000t/hm2。

根据1978年南小河沟流域的各项水土保持措施面积的分布，可以计算出该流域各项措施的拦水拦沙量，再根据式（3.3）、式（3.4）可以计算出各项措施的拦水、拦沙模数以及拦水、拦沙能力，计算结果如表3.14所示。

表3.14　南小河沟流域各项水土保持措施1978年的水资源水环境效应

① 各项措施面积根据表3.12统计整理。

根据各项措施的拦沙量，以及各类水土保持地块中土壤营养物的含量，可根据式（3.1）计算出各类水土保持措施对相应土壤营养物的拦截量。由于南小河沟流域尚没有各类地块土壤营养物含量的实地监测资料，可参照韭园沟流域的监测资料。1978年南小河沟流域各类水土保持地块对氮、磷、有机物拦截能力的计算成果如表3.14所示。从表3.14中可以看出，该流域1978年各项水土保持措施对水、沙的拦截能力对比为：坝地＞梯田＞林地＞草地；对全磷、全氮和有机物的拦截能力对比为：坝地＞梯田＞草地＞林地。

韭园沟流域林地对水沙的拦截能力小于草地对水沙的拦截能力，而南小河沟则相反，这是由于两个流域林木分布的不同造成的。韭园沟流域的治理以坝系建设为主，该地区树林覆盖较为稀少。乔木基本分布在水分较为充足的沟底，在坡面上几乎没有乔木分布；灌木分布在沟底和靠近沟底、高程较低的坡面上。乔、灌木均零星分布，几乎不见成片的林地。草地在坡面和沟底均有分布，分布密度较大，对水沙的拦截效果相对较好。图3.1显示了韭园沟地区典型的植被分布情况。南小河沟流域坡面治理程度很高，沟底和坡面均分布有成片的灌木林，该地区森林覆盖率已达到17.6%，如图3.3所示。草地在坡地和沟底均有分布。但由于草地的肥力较高（根据韭园沟观测结果），所以南小河虽然林地拦截泥沙的总量较多，但土壤养分的拦截量依然小于草地的拦截量。

另外，纵观表3.9和表3.14可知，本研究中计算出的韭园沟坝地的拦截能力较南小河沟的拦截能力小。这是因为南小河沟流域是沟坡同时治理为特色的小流域综合治理示范区，该流域的淤地坝陆续建成，在选定的特征年（1978年）中，仍有许多新建坝没有淤满，拦截能力较大，在进行成因分析计算时，淤地坝的拦沙、拦水定额是按照黄土高原地区淤地坝拦沙定额的统计平均范围来取值的；而韭园沟坝系建设较早（该流域是黄土高原沟道坝系建设示范区），所选的4个特征年中最早的一年（1963年）距开始建坝的1953年已近10年，这时流域中淤地坝大部分已经淤满，所以坝地的拦截能力较小，与根据文献［32］提供资料计算出的淤地坝拦截能力吻合。

根据各项水土保持措施历年的拦沙总量，以及各项措施地块土壤中全磷、全氮和有机物的含量（可用1978年的计算值代表历年含量的平均值），可以计算出各项措施历年对全氮、全磷和有机物的拦截总量，分别为：936.6t、4070.9t和16316.7t，如表3.15所示。

表3.15　南小河沟流域历年泥沙及土壤营养物拦截量

根据式（3.11）可以计算出南小河沟流域1978年各项措施的拦沙量，然后根据式（3.1）可以计算出各项措施对全磷、全氮和有机物的拦截量，分别为：46.6t、192.3t和770.8t。1978年南小河沟流域各项水土保持措施对污染物的拦截量占污染物输移量的比例为：坝地、梯田、草地、林地对氮的拦截量占氮输移量的比例分别为77.8%、3.8%、1.6%和9.5%；坝地、梯田、草地、林地对磷的拦截量占磷输移量的比例分别为77.8%、4.3%、1.7%和8.9%；坝地、梯田、草地、林地对有机物的拦截量占有机物输移量的比例分别为80.2%、3.7%、1.5%和7.3%。南小河沟流域1978年淤地坝拦蓄洪水、泥沙和全氮、全磷、有机物的比例分别占各项措施拦截总量的57.4%、86.4%、83.9%、83.9%、86.5%。由以上分析可见，在南小河沟流域的各项水土保持措施中，虽然坝地面积较小（占水土保持措施总面积的0.77%），但拦截的土壤营养物均占所有水土保持措施拦截总量的80%以上，坝地对流域的水环境保护效果非常显著。

3.3.3.4　年输移总量计算

根据南小河沟流域历年拦蓄效益成果表（见表3.13），通过流域汛期单位面积径流、泥沙输移量，乘以流域面积，还可计算出该流域历年的水、沙输移量。经计算1978年南小河沟流域产沙总量中全磷、全氮和有机物的比例为0.032%、0.131%和0.528%。然后根据该流域历年的泥沙输移量，采用式（3.7）计算出南小河沟流域历年全磷、全氮和有机物的输移量，如表3.16所示。从表3.16中可以看出，1955～1974年间（1970年缺乏观测资料除外），南小河沟流域洪水、泥沙、全氮、全磷和有机物的输移总量分别为：657.5万m3、333.7万t、963.7t、4188.8t和16789.5t。

表3.16　南小河沟流域汛期水、沙、氮、磷、有机物的输移量

续表