人工模擬降雨開展工程擾動環境下土壤侵蝕強度監測

范力強

（黑龍江柏蘭工程咨詢有限責任公司，哈爾濱 150001）

人工模擬降雨開展工程擾動環境下土壤侵蝕強度監測

范力強

（黑龍江柏蘭工程咨詢有限責任公司，哈爾濱 150001）

近年來，人工模擬降雨技術在開發建設項目水土保持監測中得到了一定應用。文章以鶴大國家高速公路佳木斯至牡丹江段擴建工程水土保持監測為例，采用人工模擬降雨系統對擾動土地單元和整治土地單元分別進行了觀測，基于觀測數據，對前后兩個階段土壤侵蝕量的變化給予剖析，以期為同類項目應用提供借鑒。

人工模擬降雨；擾動土地單元；整治土地單元；土壤侵蝕；強度監測；實驗目的；實驗環境

1 實驗的目地與意義

開發建設項目水土保持監測是水土保持監測的一項重要內容。目前使用的監測手段都不可避免的存在簡單粗略、主觀性強、數據關聯度低、系統性差的弊端。同時，由于取樣周期長，不能反映例次降雨過程的坡面水沙輸出動態；設施環境遷移多變，不能保證觀測平臺的可復制性，難以形成各種處理的交叉對比，極大制約了擾動土地水土流失規律的研究。

近十幾年來，傳統自然侵蝕為主體的侵蝕格局正在被新生的人為水土流失所取代，此類侵蝕都以擾動、填挖和占壓地表為侵蝕形式，在侵蝕的下墊面特征、發育機理、演進形態上與自然侵蝕過程相差迥異，因此，已有的土壤侵蝕研究成果無法準確定義和描述其侵蝕過程，迫切需要提出一套相對全面的侵蝕環境數據，為該領域水土流失分析與評價提供技術支持，為優化配置水土流失防治措施提供科學依據。

采用人工模擬降雨系統開展工程擾動環境下土壤侵蝕強度監測，從生產建設水土保持監測實踐來看，這一實驗設計也具有其生產指導意義。以黑龍江省為例，全省年降水量為400～650mm，年侵蝕性降雨一般為10次左右，由于觀測方法和手段沒有得到突破和創新，測釬法、溝蝕法、沉砂池法和簡易徑流小區觀測法都具有選址難、操作性差、難于保護和精度低的特點，很難真實反映由于開發建設項目土壤侵蝕量。此外，部分開發建設項目監測工作開展滯后，監測人員進場前的數據無法有效追溯，實際工作中往往采取類比工程法，但類比工程數據也缺乏事實依據，因此類比結果并不理想。人工模擬降雨實驗可有利于填補該項空白，為人為水土流失評價預測、揭示工程擾動環境下土壤侵蝕發生發展規律提供豐富的數據積累。

2 實驗環境與條件

2.1 設備規格及實驗原理

人工模擬降雨控制系統選取專業生態公司研發的成品設備，人工模擬降雨機降雨面積2m×6m，降雨高度2～4m可調整。實驗方法采用閉環控制法，在降雨區布設的雨量計實監測降雨強度，并將數據傳輸至控制臺，與設定的雨強值進行逼近式對比分析，并通過自動調節流量調節閥、調壓閥等組件，改變供水水壓及流量，從而更方便準確地模擬不同雨強的自然降雨［1］。

2.2 不同擾動類型單元設計

根據建設項目擾動類型、擾動強度及其空間分異特征，經綜合分析，各擾動類型可初步概括為以下4類單元：①土質低堆方：堆體高度＜3m，邊坡表面物理性狀以均質土壤為主；②土質高堆方：堆體高度＞3m，以均質土壤為主的堆方邊坡；③土質開挖面：土質基礎經開挖后形成的挖方坡面；④平臺及閉合區：經場地清理平整、挖填擾動、占壓破壞后形成的地表平緩的裸露區域。

2.3 觀測內容

根據《開發建設項目水土保持技術規范》的要求，結合野外監測工作實踐，對項目建設區內不同措施防護地段、不同擾動類型單元分別設計模擬降雨實驗，獲取其侵蝕量數據。分析無防護措施和有防護措施的監測小區侵蝕強度差異，計算各類擾動單元的侵蝕強度、各項防護措施的減蝕量和減蝕效果，進而評價開發建設項目水土流失防治效果［2］。

3 實驗對象工程背景

本實驗與開發建設項目水土保持監測緊密結合，并作為土壤侵蝕強度指標觀測的補充手段。實例項目選擇鶴大國家高速公路佳木斯至牡丹江段擴建工程，工程由主線、連接線、輔道組成：主線全長266.2km，途經佳木斯市、七臺河市、雞西市、牡丹江市4個行政區。工程于2009年5月開工建設，2011年9月建成試運行。水土保持監測工作于2012年5月正式啟動，屬運行期監測。

4 實驗結果

4.1 擾動土地單元人工模擬降雨實驗

本工程地處水力侵蝕區，實驗區按不同擾動單元類型共設立了10個監測斷面，并從當地市縣30a序列降雨數據中概化甄選出各單元所在地區的典型降雨特征值（降雨出現機率大于30%）做為模擬降雨實驗參數。實驗共完成10次模擬降雨，取得10項水蝕強度數據，基本擾動類型侵蝕強度見表1。

表1 基本擾動類型侵蝕強度

實驗數據表明：在建設期水力侵蝕監測中，侵蝕強度在空間變化上與下墊面構成、堆挖形態、微地形坡面比降密切相關，在時間變化上與降雨歷時、降雨強度消長同步。綜合監測成果：在各類地表擾動類型中，土質高堆方侵蝕強度最大，侵蝕強度為762～770t／km2·（次降水）；土質低堆方邊坡次之，侵蝕強度為637～724t／km2·（次降雨）；平臺及閉合區侵蝕強度最小，侵蝕強度為121～155t／km2·（次降雨）。

4.2 土地整治單元模擬降雨數據

實驗區按不同整治單元類型共設立了12個監測斷面，降雨特征值與上述擾動單元所在地的降雨指標逐一對應，實驗共完成12次模擬降雨，取得12項水蝕強度數據。

防治措施實施后基本擾動類型侵蝕強度見表2。由表2可得出結論：①水土流失防治措施實施后各擾動類型區的侵蝕強度均發生明顯下降，土質高堆方類型區土工格室透水防護的立交區跨線橋邊坡的侵蝕強度下降最為顯著，侵蝕強度由施工階段的770.4t／km2·（次降雨） 下 降 到 治 理 后 的76.8t／km2·（次降雨），減蝕率為90.03%。②土質開挖面類型區拱形透水防護的主輔線路塹開挖面，減蝕率為88.37%。③土質低堆方類型區灌草防護的主輔線低路基邊坡，減蝕率為87.81%。④平臺及閉合類型區進行灌草綠化的施工生產生活區，減蝕率為74.50%。

表2 防治措施實施后基本擾動類型侵蝕強度

由此可見，防治措施對土質高堆方和土質開挖面類型區的防護效果最好，土質低堆方類型區的防護效果次之，平臺及閉合類型區防護效果較低。其主要原因是平臺及閉合類型區多依靠植被自然恢復，土地整治標準較低，且短期內植被難以快速郁閉，隨著時間推移，該區域的土壤侵蝕強度會持續回落。各類型區防護效果見表3。

表3 各類型區防護效果 t／km2·次降雨

5 實驗結論

人工模擬降雨實驗在一定程度上可作為水土保持監測補充手段，用于開發建設項目土壤侵蝕強度監測與分析。該方法具有操作簡便、移動快捷、不受地形及施工環境制約、數據詳實可靠的特點，可與傳統監測方法互補驗證。目前本方法所取得的觀測數據僅限于次降雨水平的土壤侵蝕強度指標，如何由次降雨向年降雨推演，繼而提高這種方法與實地監測結果的擬合度，仍需開展深入思考與探索。

［1］王潔，胡少偉，周躍.人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應用［J］.水土保持研究，2005，12（04）：188－190.

［2］任樹梅，劉洪祿，顧濤.人工模擬降雨技術研究綜述［J］.中國農村水利水電，2003（03）：73－75.

Soil Erosion Intensity Monitoring of Engineering Disturbed Environment by Artificial Rainfall Simulation System

FAN Li-qiang
（Heilongjiang Bailan Engineering Consulting Co.，Ltd.，Harbin 150001，China）

Artificial rainfall simulation technology is used in soil ＆ water conservation monitoring of developing and construction project in recent years. Taking the soil and water conservation monitoring for Jiamusi-Mudanjiang section enlarging project of national highway as an example，the variation of soil erosion quantity in disturbed soil unit and land reclamation unit at undisturbed and disturbed period is analyzed by using artificial rainfall simulation system in order to provide reference for the similar project.

artificial simulation；rainfall；soilerosion；intensity；monitoring

S157

A

1007－7596（2014）08－0012－03

2014－05－11

范力強（1979－），男，遼寧錦州人，工程師，從事水土保持方案編制、監測和技術服務工作。