晋西北河曲县砖窑沟流域水土保持治理是世界银行贷款水土保持项目（1994～2000年）之一。贾宁凤（2005）采用分布式模型AnnGNPS对该小流域的径流量、土壤侵蚀和养分流失进行了定量评价。这里在贾宁凤博士对各类土地利用水土流失模型模拟的基础上，进行砖窑沟小流域水土保持的水资源、水环境效应分析。

3.4.2.1　砖窑沟流域概况

砖窑沟流域位于晋西北河曲县中西部，介于东经111°12′～111°19′、北纬39°11′～39°13′之间。该流域是一条由东向西直接入黄河的一级支流，呈树枝状水系，主沟长14.2km，流域面积29.16km2。流域内黄土裸露，丘陵沟壑纵横，严重的水土流失不但造成土壤侵蚀、土地贫瘠化等一系列生态问题，而且携带大量泥沙、氮、磷等进入黄河，在晋西北黄土丘陵沟壑区具有很强的代表性。流域地势东高西低，地形支离破碎，属典型的黄土梁峁沟壑区，海拔在845～1244m之间。流域水资源贫乏。多年平均年降水量为447.5mm，且年际分配极为不均。主沟砖窑沟为一季节性河道，全长14.15km，沟道总落差为406m，平均比降为2.87%。

自20世纪50年代以来，砖窑沟流域先后实施了许多水土保持措施，如梁峁兴修梯田、沟底打坝、植树、种草等。尤其是20世纪80年代，该流域成为国家“七五”科技攻关项目“黄土高原综合治理”的11个试验示范区之一，筹建了常年观测研究实验站，实施了全流域的综合治理，影响较大的水土保持的治理项目有世界银行贷款水保项目（1994～2000年）等。

3.4.2.2　原型流域的现场监测

（1）流域卡口站水文水质监测。砖窑沟流域的总出口位于河曲县巡镇的石梯子村，在20世纪80年代末就建立过卡口站，分别于1988年和1989年共监测3次暴雨径流，包括径流量和沉积物量。2004年雨季（7～10月）重新在石梯子建立卡口站，利用河道自然地形建立了水文水质监测断面，包括径流量、沉积物量、氮磷含量，共监测到6次径流事件。

分析监测结果可知，不同径流事件的含沙量变化较大，与降雨量没有相关性。各种形态的氮、磷负荷与降雨量均无相关性，与径流量显著相关，与沉积物量呈极显著相关，除颗粒态磷外，与洪峰流量也呈显著相关。这表明土壤氮、磷通过侵蚀泥沙的吸附以颗粒态形式流失是它们随地表径流迁移的主要方式。从溶解态负荷来看，溶解态氮负荷较多；溶解态磷负荷很少，尤其是径流量很小的情况，几乎为0，如2004年8月10日、8月12日和9月30日。其余5次径流事件，均进行了全面的水文水质监测，包括流量、含沙量、输沙率、沉积物全氮和全磷含量以及径流水样中的全氮、全磷、溶解态氮和溶解态磷的浓度等。可以发现，沉积物中全氮和全磷负荷含量与流量和沉积物的变化并不同步，且表现出滞后效应，尤其是全氮具有明显的滞后效应。与土壤氮、磷含量相比，沉积物有较高的氮含量和较低的磷含量，表现出对氮的富集。表明全氮中主要是溶解态氮，颗粒态氮浓度很小，与之相比，全磷中以颗粒态磷为主，溶解态磷的浓度较小。

（2）径流小区水文水质监测。在流域内沙坪村东面共设3个长方形坡面试验径流小区，监测柠条、草地和农田3种不同植被条件下的径流量、沉积物量和氮、磷负荷，坡度为25°，面积为50m2，土壤为栗褐土，土层深厚，质地为砂壤，柠条、草地和农田的植被覆盖率分别为90%、60%和30%。观测不同降雨条件下径流小区的产流和产沙，降雨结束后，在流域出口处取泥沙和水样，分别用于测定泥沙含量和氮、磷浓度。

比较3个径流小区的全氮（TN）、溶解态氮（DN）、全磷（TP）和溶解态磷（DP）在径流中的浓度分布，氮的浓度比磷要高得多，TN和DN浓度表现为：柠条＞农田＞草地，而TP和DP的浓度表现为：农田＞草地＞柠条；从输出总量来看，柠条TN和DN输出总量最多，约为草地总输出量的2倍，农田的6倍左右，即：柠条＞草地＞农田；TP的输出总量为：草地＞柠条＞农田，DP的输出总量为：草地＞农田＞柠条。

3.4.2.3　AnnAGNPS模型数据库的建立和校验

（1）AnnAGNPS模型数据库的建立。根据数据获取的条件、不同土地利用状况、模型检验等，针对不同时期，建立了气候、地形、土壤、土地利用状况等数据库。

1）气候数据库包括1988～1989年和2001～2004年日气象要素（日降雨量、日最高温度、日最低温度、日平均露点温度、日平均云量和日风速），其中日降雨量使用了位于流域内的降雨监测数据，其他均使用河曲县气象站的监测数据。

2）地形数据库是依据2000年的数字高程模型（DEM）。

3）土壤数据库是在已有土壤调查的基础上，建立了数字化土壤图，并进行了相关参数的转换，以适合模型数据库的要求。

4）基于彩色红外航片和黑白航片的判读，建立了1987年和2004年两期数字化土地利用图，同时分别构建土地利用管理相关数据库，包括农田耕作与管理、碳氮值、淤地坝、作物生长发育、农田施肥、作物轮作等内容。

基于航空影像的5m分辨率砖窑沟流域数字高程模型（DEM）如图3.10所示。

图3.10　砖窑沟流域数字高程模型（DEM）（单位：m）

在砖窑沟流域的施肥调查和研究中，考虑了不同时期施肥种类和数量的变化，划分为过去（1988～1989年）和现在（2001～2004年）两个时期。施肥的种类包括有机肥、碳铵、过磷酸钙和复合肥。本研究依据模型参考文献中的肥料数据文件，将全氮和全磷含量转化为有机氮、无机氮、有机磷和无机磷，使其适合模型输入要求，模型实际圈肥养分的输入按照平均值计算。

（2）模型检验。为进行模型模拟结果的检验，在前面数据库建立的基础上，分别按1988～1989年和2001～2004年两个时段的气象数据，进行计算。

1）基于流域总出口监测结果检验。利用流域出口8次（1988年、1989年和2004年）径流事件的监测数据，进行模拟径流量和沉积物量检验，利用2004年的监测数据进行模拟氮、磷的检验。

由于AnnAGNPS模型本身是一种长期的连续模拟模型，研究中利用多次模拟结果的总和与相应观测总和比较进行模型检验。结果显示，径流量是观测总值的110%，沉积物量是观测总值的90%，可见，模型能够比较理想地模拟流域长期的径流量和沉积物量。TN和TP的模拟值分别是观测值的58%和108%。按照已有研究，误差范围可以在6.2%～44.3%之间，可见模拟结果误差均在此范围之内。

2）基于流域已有研究结果的检验。按照以上结果进一步分析1988年、1989年和2004年各项输出结果。流域已有的研究对1989年的土壤侵蚀进行了侵蚀强度的估算和制图，进一步依据各类型侵蚀模数的面积加权计算，得到1989年的流域平均侵蚀模数为280.4万t/km2，模型模拟的结果为225.2万t/km2，两者相差19.7%。(www.daowen.com)

3.4.2.4　水土保持的水资源和水环境效应分析

分别基于砖窑沟流域1987年和2004年两期土地利用状况，以6年的气象数据，模拟不同土地利用下基于地块单元的流域径流量、土壤侵蚀、氮和磷侵蚀空间分布，以揭示黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀和养分流失规律，合理土地利用规划。在1987年和2004年两期土地利用状况的基础上，进一步汇总为13种土地利用类型，即坝地、梯田、坡地、果园、刺槐杨树、疏林地、灌木林地、未成林、草地、居民点、荒地、黄土沟壑和裸岩，通过GIS获得每个像元（10m×10m）的土地利用类型。比较1987～2004年各种土地利用类型面积，变化较为明显的首先是坡地减少了11.57个百分点，这主要是由于修建梯田、退耕还林还草等措施的实施，使部分坡地转化为梯田、果园和草地，平地和梯田面积共增加了7.56%，果园增加了3.58%，草地增加了0.47%。

分别基于1987年和2004年土地利用状况进行模拟，获取代表每个单元径流量、土壤侵蚀量、全氮和全磷侵蚀量的GIS矢量图层，运用SPSS11.0数理统计方法分析径流量、土壤侵蚀量、全氮和全磷侵蚀量等级和时空分布特征。1987年和2004年砖窑沟流域各项水土保持单位面积地块的土壤年侵蚀量和年径流量见表3.20和表3.21及图3.11、图3.12。

表3.20　砖窑沟流域1987年各种土地利用的单位面积地块年土壤流失量

（1）径流量拦截能力对比。在不同土地利用类型中，居民点、黄土沟壑和裸岩的平均径流深较大，均大于30mm，属于大径流深等级；其次是坡地、坝地和梯田，平均径流深均在20mm左右，介于小径流深和中径流深等级之间；未成林地和荒地属于小径流深等级，刺槐和杨树、疏林地、灌木林地和草地平均径流深都很小，均属于很小径流深等级；径流深最小的是灌木林地，只有4.8mm（1987年）和4.6mm（2004年）。

水土保持措施的拦截量为经过该地块的水土总量减去流出该地块的水土量，从表3.20、表3.21和图3.11、图3.12各项水土保持措施的单位面积地块的径流量可以看出，1987年和2004年各项措施的径流拦截能力（单位地块面积年拦截量）对比均为：坝地＞梯田＞草地＞林地。

表3.21　砖窑沟流域2004年各种土地利用的单位面积地块年土壤流失量

图3.11　1987年砖窑沟流域各项水土保持措施单位面积地块土壤年侵蚀量和年径流量

图3.12　2004年砖窑沟流域各项水土保持措施单位面积地块土壤年侵蚀量和年径流量

（2）泥沙拦截能力对比。对于各种土地利用类型，黄土沟壑地的平均土壤侵蚀强度最大，属极强侵蚀强度；其次为荒地，属中度侵蚀强度；其他类型土壤侵蚀量很小，均属微度侵蚀。

从表3.20、表3.21和图3.11、图3.12各项水保措施的单位面积地块的土壤流失量可以看出，1987年和2004年各项措施的泥沙拦截能力对比均为：坝地和梯田＞草地＞林地。

（3）全磷、全氮拦截能力对比。1987年，全磷、全氮以黄土沟壑地的平均侵蚀强度最大，属强度侵蚀等级；其次为荒地，属中度侵蚀等级；疏林地、未成林地、裸岩属于轻度氮侵蚀等级；其他均为微度侵蚀。从表3.20、表3.21和图3.13各项水土保持措施的单位面积地块全磷、全氮的流失量可以看出，1987年各项措施的全磷、全氮拦截能力对比均为：坝地＞梯田＞草地＞林地。

图3.13　1987年砖窑沟流域各项水土保持措施单位面积地块氮素和磷素的年流失率

2004年，全磷、全氮仍以黄土沟壑地的平均侵蚀强度最大。从表3.20、表3.21和图3.14各项水土保持措施的单位面积地块全磷的流失量可以看出，2004年各项措施的全磷拦截能力对比仍为：坝地＞梯田＞草地＞林地。但是，2004年各项措施全氮的单位面积地块年流失量对比为：坝地＞梯田＞林地＞草地。坝地和梯田对全氮的拦截能力似有减弱。可能的原因是由于坝地和梯田施肥量的增加，导致这两种地块局部含氮量的剧增，于是在相同土壤流失量的情况下，氮素的流失量增大。

图3.14　2004年砖窑沟流域各项水土保持措施单位面积地块氮素和磷素的年流失率

上述结果证实：砖窑沟小流域中各项水土保持措施对径流、泥沙及氮、磷、有机物的拦截能力与韭园沟流域的成因分析法计算成果基本一致，均为：坝地＞梯田＞草地＞林地。