模擬降雨試驗在云南坡耕地治理中的應用

文朝菊

摘要引進了具有經濟性、便捷性、可操作性、重現性等優點的模擬降雨試驗系統，在云南省坡耕地水土流失綜合治理水土保持監測中進行實踐和運用，研究坡耕地土壤產匯流規律和侵蝕規律。根據人工模擬降雨試驗產匯流情況，統計張畢山、吉科等5個小流域坡地試驗小區和坡改梯后梯地試驗小區共59場次模擬降雨試驗數據，分析坡改梯水土流失綜合治理效果。結果表明，坡改梯后梯地土埂發揮了攔蓄雨量作用，強化了降雨入滲，提高了土壤含水量，降低了暴雨地表徑流形成，土壤流失量和侵蝕強度得到了明顯的緩減，蓄水保土效果較為顯著。

關鍵詞坡耕地治理；模擬降雨試驗；徑流小區；水土流失；土壤侵蝕；云南省

中圖分類號S157文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0055-05

AbstractA simulated rainfall experiment system was introduced， which was economical， convenient， feasible and reproducible， and it was practiced and applied in soil and water conservation monitoring in Yunnan Province， law of runoff yield and concentration of slope farmland was studied. According to the artificial simulation of rainfall runoff， the statistical simulation data of rainfall experiment terrace and slope residential district a total of 59 performances of small watershed slope terracing after experiment， the effect of comprehensive treatment of soil and water loss was analyzed. The results showed the soil slope to terrace ridge after the ladder played a role of rainfall interception， strengthened rainfall infiltration， improved soil moisture， reduced surface runoff formation. Soil loss and erosion intensity were significantly reduced， and the effect of water storage and soil conservation was significant.

Key wordsSlope farmland management；Simulated rainfall experiment；Runoff plots；Soil and water loss；Soil erosion；Yunnan Province

坡耕地既是我國山丘區群眾賴以生存的基本生產生活用地，又是水土流失的重點區域。由于坡耕地粗放的生產方式、陡坡開荒等，導致坡耕地水土流失不斷加劇，造成土地退化、土壤肥力下降、生態環境惡化等。同時，坡耕地嚴重的水土流失，不僅制約了當地人民群眾生活水平的提高和經濟社會的發展，還嚴重影響國家耕地和糧食安全、下游江河湖庫安全，加劇了洪澇災害。

云南省是一個集邊疆、山區、貧困和民族聚集于一體的省份，也是我國水土流失較嚴重的省份之一[1-4]。據2008年云南省國土資源廳公布的土地利用現狀成果，云南省耕地面積607.21萬hm2，其中坡耕地面積348.45萬hm2，占全省耕地面積的57.39%[5]。2010年全省水土流失面積13.4萬km2，占全省總面積的35.00%；年流失土壤5億多t，是全國年流失土壤總量的10%[6]。在全省73個國家扶貧攻堅縣中，有60個屬于水土流失嚴重縣，同時也是坡耕地分布最為廣泛和少數民族聚居的地區。實施坡耕地水土流失綜合治理，有利于遏制水土流失，對于云南省生態文明建設，促進社會和諧，改善生產條件，保障糧食安全、生態安全、邊疆安全，實現全面建設小康社會目標意義重大[7]。鑒于此，為改變水土流失嚴重的偏僻地區群眾生活方式落后、生產力水平低下的狀況，自2010年以來，云南省在云縣、紅河、文山、昌寧、洱源、東川、宣威、水富、雙柏、西盟等縣（市、區）開展了12個小流域坡耕地水土流失綜合治理試點工程，并同步開展水土保持監測與評價工作。筆者在云南坡耕地治理中模擬降雨試驗，研究坡耕地土壤產匯流規律和侵蝕現象，旨在為提高該地區的生產力水平提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗方法坡改梯水土流失綜合治理試點工程項目區土壤侵蝕狀況的監測主要采用地面觀測及人工模擬降雨試驗方法。根據各項目區的坡度組成情況，按坡度實際情況布設徑流小區，分別以5～8 °、8～15 °、15～25 °的坡度，建設3 m×20 m徑流小區，每個流域不少于3個。布設時不僅要考慮周圍環境，還應注意外推到其他地區的可能性；其次要考慮到極大、極小坡度和極端降水等狀況。

受試驗場地環境、天氣情況和風力的影響，實際落在小區內的降雨量會不同程度地小于模擬設計降雨量。因此，在進行模擬降雨試驗時，可能產生2種情況，即產流或不產流。若產流，測定模擬降雨前土壤含水率，記錄降雨過程、產流開始和結束時間、產流量，并按5 min間隔取水樣測定侵蝕量，采用加權平均法計算平均含砂量，據此分析模擬降雨產流和土壤侵蝕狀況；若未產流，記錄降雨過程，采用稱重法測定模擬降雨前后土壤含水率，通過土壤含水率對比分析土壤墑情變化。

1.2試驗小區的選址試驗小區的選址綜合考慮了徑流小區建設、場地、交通、水源、位置、儀器安裝及方便看守等相關要求，結合云南省坡耕地水土流失綜合治理試點工程（2期）7個小流域的建設內容，選擇張畢山、馬桑林洼、拖潭溝、吉科、羅灣5個小流域坡改梯項目區進行人工模擬降雨試驗，監測各小流域的土壤流失量和侵蝕強度，分析研究坡耕地水土流失綜合治理效果。云南省坡耕地水土流失綜合治理試點工程（2期）項目區位置如圖1所示。

1.3試驗徑流小區建設及布局由于野外模擬降雨試驗要在前期土壤水分不飽和的狀態下進行，因此每次模擬降雨試驗只能在同一徑流小區進行1次降雨過程。為獲取更多野外模擬降雨水土流失對比數據，根據自然坡度和土壤情況，每個項目區選擇具有代表性的2個坡度（如5～8 °、8～15 °、15～25 °），每個坡度建設坡地和梯地2個對比徑流小區。

徑流小區建設標準采用百年一遇最大24 h降雨徑流設計。徑流小區的布設與等高線垂直，在項目區建設長20 m（順坡，投影長度）×寬3 m（與等高線平行），投影面積60 m2的徑流小區。同時，徑流小區坡頂應預留2.0 m放置減壓水箱，底部預留1.5 m用于集水口設置，兩邊預留1.0 m用于輸水管道布設。為節約徑流小區建設成本，方便記錄產流過程，徑流收集采用標有容積量刻度的大塑料桶缸。

1.4模擬降雨試驗降雨頻率人工模擬降雨試驗降雨頻率設計是根據5個小流域坡耕地治理項目區周邊水文站、雨量站實測長系列短歷時資料，采用頻率計算方法確定暴雨強度及降雨過程，通過雨量站1 h短歷時暴雨頻率計算得到最大1 h降雨頻率曲線，進行同倍比放大，得出百年一遇1 h模擬降雨試驗設計降雨量。

1.5人工模擬降雨系統采用疊加噴灑式模擬降雨控制系統進行模擬降雨試驗。在總降雨覆蓋面積內，將覆蓋面積分為0.5 m×1.5 m的24個小塊，每個小塊對應1個降雨器，通過相鄰降雨器的任意組合，達到在不同的降雨面積上進行降雨的目的。

降雨系統采用針管式降雨形式。其降雨器的降雨量與針管上所施加的水頭成正比，且為線性關系，因此，當標定出水頭與降雨強度的關系曲線后，通過調整水頭可以得到所需降雨強度。對于復雜的降雨雨型模擬，也可以通過自動調整水頭變化過程。由于降雨雨滴是通過針頭出流孔緩慢出流聚集后在針尖處形成水滴下落而形成的，因此，各針頭產生的雨滴直徑基本相同，可以認為是等直徑雨滴，這與天然降雨的雨滴譜不相似，但是可以認為是天然降雨的某當量直徑雨滴。由于針頭位置固定，因此每個雨滴下落后的打擊位置也基本固定，為了消除定點打擊的問題，采用機械方式使針頭位置在某一范圍內不斷地移動或者振動，其移動的頻率可以在小范圍內影響雨滴直徑的大小。

疊加噴灑式模擬降雨控制系統由供水系統、電磁閥、控制器和控制用PC機組成，主要結構如圖2所示。

2結果與分析

2.1試驗頻次及結果統計2011年工程實施前，開展第1次模擬降雨試驗；2012年工程竣工后進行第2次模擬降雨試驗；2012—2013年各項目區竣工后第1次大春收割完成后開展第3次模擬降雨試驗。試驗前，在各小區土層剖面10、20、30 cm處分別采集土樣測定土壤含水率，取平均值作為各小區土壤平均含水率；若模擬降雨試驗過程不產流，試驗后加測1次土壤含水率。

在張畢山、馬桑林洼、拖潭溝、吉科、羅灣5個小流域進行59場次人工模擬降雨試驗，監測結果見表1～4。有41場次人工模擬降雨度試驗產流，占69.5%（表1、2）；有18場次人工模擬降雨試驗不產流，占30.5%（表3、4）。

2.241場次人工模擬降雨試驗產流情況由表1、2可知，5個小流域坡改梯后均取得了不同程度的減流減蝕和保水保土效益。從坡地小區29場次人工模擬降雨試驗產流情況（表1）來看，試驗前土壤含水率平均為16.82%，植被覆蓋率平均為53%，實際平均降雨量為57.9 mm，平均徑流系數為0.231，平均土壤侵蝕強度為64.45 t/km2。從梯地小區12場次人工模擬降雨試驗產流情況（表2）來看，試驗前平均土壤含水率為23.96%，植被覆蓋率平均為58%，實際平均降雨量為54.9 mm，平均徑流系數為0.092，平均土壤侵蝕強度為14.37 t/km2?？傮w來看，梯地小區試驗前土壤含水率和植被覆蓋率比坡地小區高，實際平均降雨量比坡地小區小，但徑流系數為坡地小區的39.83%，平均土壤侵蝕強度較坡地小區減小了77.70%。

2.318場次人工模擬降雨試驗不產流情況由表3、4可知，5個小流域坡改梯后，梯地植被截留量對土壤含水率影響較大。從坡地小區9場次人工模擬降雨試驗不產流情況（表3）來看，試驗前土壤含水率為21.46%，植被覆蓋率為21%，實際平均降雨量為51.8 mm，試驗后土壤含水率為42.80%；從梯地小區9場次人工模擬降雨試驗不產流情況（表4）來看，試驗前土壤含水率為20.09%，植被覆蓋率為42%，實際平均降雨量為49.4 mm，試驗后土壤含水率為29.13%?？傮w來看，梯地小區植被覆蓋率是坡地小區的2倍，試驗前梯地小區土壤含水率和實際平均降雨量均比坡地小區略小，但試驗后土壤含水率為坡地小區的68.06%，這主要與梯地植被截流量的增加有關。

3結論

（1）該試驗結果表明，坡耕地治理后減流減蝕效益顯著，但由于各小流域基礎條件不同，5個小流域項目區坡改梯水土流失綜合治理減流減蝕效益存在較大差異?？傮w來說，坡改梯后梯地土埂發揮了應有的攔蓄效益，強化了降雨入滲，納蓄雨量，地表入滲量增大，降低了暴雨地表徑流形成，有效減輕下游防洪減災壓力；坡改梯后梯地蓄水、保土、保肥、緩洪等效果明顯；坡改梯水路配套建設和規劃連片種植后，植被覆蓋率增加，泥沙流失量減小，減流減蝕效益顯著。

（2）從5個小流域項目區共進行的59次人工模擬降雨試驗可知，坡改梯水土流失治理有顯著的減流減蝕和保水保土效益。從29場次坡地小區和12次梯地小區人工模擬降雨試驗產流結果可以看出，梯地小區前期土壤含水率和植被覆蓋率比坡地小區高，實際平均降雨量比坡地小區小，但徑流系數為坡地小區的39.83%，平均土壤侵蝕強度較坡地小區減小77.70%。由此可見，坡改梯后保水保土及減流減蝕效益顯著。

（3）坡度與土壤侵蝕強度的關系受植被覆蓋度和實際降雨量的影響。坡度越小，植被覆蓋度越大，減流減蝕效果越好。然而，在植被覆蓋度相等的情況下，坡度小的坡地如果實際降雨量大，也會出現比大坡度坡地更強的土壤侵蝕情況。

（4）植被截流量對土壤含水率影響較大。從9次坡地小區和9次梯地小區人工模擬降雨試驗不產流結果可以看出，梯地小區植被覆蓋率是坡地小區的2倍，試驗前梯地小區土壤含水率和實際平均降雨量均比坡地小區略小，但試驗后土壤含水率為坡地小區的68.06%，表明植被截流量增加。

（5）從監測手段來看，該研究創新了坡耕地水土保持監測新方法，具有試驗性和開創性。首次引進模擬降雨系統實地運用于云南坡耕地水土保持監測中，不僅探索和研究了坡耕地治理前后土壤產匯流規律和侵蝕規律，還實現了由過去的目估丈量監測到用試驗數據分析土壤侵蝕狀況的轉變。

（6）云南省坡改梯治理水保監測項目采用人工模擬降雨試驗方法具有經濟性、便捷性、可控性、重現性等優點。但實驗結果表明，模擬降雨系統在野外環境下還存在一定的局限性和不足。

4建議

（1）人工模擬降雨裝置在實驗室內可取得較為理想的降雨成果，但在野外試驗受地形、風速、風向、氣流、降雨高度等因素的影響較大，加上受徑流小區面積的限制，雖然試驗是按百年一遇的設計標準進行模擬降雨，但部分降雨還是隨風飄落到小區外，落到徑流小區地面降雨量相對減少，面平均降雨強度因此降低，使得模擬降雨實測的面平均雨量小于設計降雨量，偏差幅度為25.10%～32.00%，未達到設計降雨要求。根據59場次人工模擬降雨獲得的實踐經驗，建議今后在野外使用人工模擬降雨系統時盡量選在無風或輕微風的情況下進行，徑流小區建設由3 m×20 m改為5 m×20 m，并適當降低人工模擬降雨設計高度等。在該研究中，已通過改良設計降雨高度6 m降為4 m進行野外模擬降雨試驗，獲得相對較好的監測結果。該降雨高度4 m可借鑒運用于類似項目的水土保持監測。

（2）針對坡耕地水土流失綜合治理工程實施過程中仍存在的關鍵技術、重大措施及實用技術等問題，提出在認真總結和創新水土流失綜合治理監測技術的基礎上，有目的、有計劃、有針對性地研究不同治理措施、不同治理模式、不同管理方法，使坡改梯后生態、經濟、社會效益協調、健康、快速地發展。

參考文獻

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