云南省坡改梯試點工程水保監(jiān)測項目人工模擬降雨試驗數(shù)據(jù)分析

徐曉鵬，徐志春，張鼎輝，楊 軒

(1.云南水文水資源局 臨滄分局, 云南 臨滄 677000； 2.耿馬縣水務局，云南 耿馬 677500)

云南省坡改梯試點工程水保監(jiān)測項目人工模擬降雨試驗數(shù)據(jù)分析

徐曉鵬1，徐志春2，張鼎輝1，楊 軒1

(1.云南水文水資源局 臨滄分局, 云南 臨滄 677000； 2.耿馬縣水務局，云南 耿馬 677500)

坡改梯；水土保持監(jiān)測；數(shù)據(jù)分析；人工模擬降雨；云南省

云南省坡改梯試點工程水土保持監(jiān)測項目采用人工模擬降雨試驗研究土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律，具有經(jīng)濟性、便捷性、可控性、重現(xiàn)性等優(yōu)點。以石佛山項目為例，對人工模擬降雨試驗數(shù)據(jù)進行了分析：根據(jù)JDZ02型雨量器記錄結果，有7場次降雨接近或超過設計雨強，說明在徑流小區(qū)局部人工模擬降雨雨強是達到設計要求的；而受風速、風向、試驗支架架設高度和植被的影響，用加權平均法計算出徑流小區(qū)內21只普通雨量器的實測面平均雨量均小于設計雨量，相對誤差在-62.7%～-27.0%之間。上述結果表明該模擬降雨系統(tǒng)仍存在一定不足，需要進一步改進。此外，還對3個坡地小區(qū)和1個梯地小區(qū)在人工模擬降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進行了分析。

坡耕地水土流失綜合治理是水土流失地區(qū)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境、可持續(xù)利用水土資源、從根本上解決群眾長遠生存與發(fā)展最有效的措施之一，是水土流失地區(qū)實現(xiàn)全面建設小康社會目標的基礎工程。2010年5月云南省啟動了紅河、洱源、昌寧、文山、云縣等5縣水土流失嚴重山區(qū)坡耕地水土流失綜合治理試點工程，并在試點工程項目區(qū)采用人工模擬降雨設備開展了坡耕地改造項目水土保持監(jiān)測工作。本研究以試點工程項目之一——云縣石佛山坡改梯項目為例，對采用人工模擬降雨設備的模擬降雨試驗情況和試驗數(shù)據(jù)進行了分析。

1 人工模擬降雨試驗方法

1.1 徑流小區(qū)布局

野外人工模擬降雨試驗要在前期土壤水分不飽和的狀態(tài)下進行，因此每次模擬降雨試驗只能在同一徑流小區(qū)進行一次降雨過程。為獲取更多的野外模擬降雨產(chǎn)匯流及水土流失對比數(shù)據(jù)，計劃在每個項目區(qū)的典型坡度——5°～8°、8°～15°、15°～25°分別建設坡地徑流小區(qū)。徑流小區(qū)的布設與等高線垂直，根據(jù)相關規(guī)范和實際條件，徑流小區(qū)投影面積一般為60 m2，即20 m(順坡投影長度)×3 m(寬與等高線平行)。云縣石佛山坡耕地水土流失綜合治理試點工程水土保持監(jiān)測項目于2010年12月初完成8°、12°、15°三塊坡地小區(qū)的建設，2011年6月下旬第一次模擬降雨試驗后，為方便對比分析，根據(jù)工程進展情況在12°坡地小區(qū)旁增設一塊梯地小區(qū)。

1.2 人工模擬降雨系統(tǒng)

此次人工模擬降雨試驗采用西安理工大學研制的人工模擬降雨試驗系統(tǒng)(圖1)。它基于工控組態(tài)軟件，應用現(xiàn)有的人工模擬降雨試驗裝置，將試驗過程的常用設備和工控軟件結合在一起，增加了自動控制環(huán)節(jié)，通過對控制系統(tǒng)進行改造，解決了手動調節(jié)雨強不方便的問題，實現(xiàn)了對不同時段、不同雨強、不同分布的人工模擬降雨系統(tǒng)的手動和自動雙控制，采用監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)更好地滿足了人工模擬降雨試驗的需求。該人工模擬降雨系統(tǒng)可建于自然坡面上，高6 m，降雨試驗區(qū)長20 m、寬3 m，有效降雨面積60 m2。降雨系統(tǒng)布設在降雨裝置支架上，噴頭選用與天然降雨雨滴譜最為接近的X型下噴式噴頭，由4組不同噴嘴孔徑組合而成。為兼顧模擬降雨的均勻性與搭建支架的經(jīng)濟性和安全性，將系統(tǒng)在野外難以架設的固定式方鋼支架改為鋼管腳手架。頂寬超出徑流小區(qū)寬度方向兩邊各0.3 m，頂端橫桿按照水管和噴頭分布架設，壓力控制裝置設4個出水管，每管對應同一噴嘴孔徑的噴頭，共設置4組24個不同噴嘴孔徑噴頭，支架內部無任何遮擋。壓力控制裝置可自動、手動控制出水管的全開、全關或部分開啟，系統(tǒng)如圖1所示。本系統(tǒng)可模擬降雨強度變化范圍4～200 mm/h，降雨雨強最小分辨值1.3 mm/h，降雨強度控制精度0.66 mm/h，降雨均勻度>0.95。系統(tǒng)采用先進的閉環(huán)自動控制理論和技術，是一種應用交流變頻調速器控制的人工模擬降雨自動控制設備，以降雨過程的最終實際降雨參數(shù)控制和驅動系統(tǒng)的各個降雨部件，克服了從水源到噴頭之間諸多環(huán)節(jié)對降雨的隨機影響。實驗室測試結果表明，該設備的主要性能指標優(yōu)于國內外其他人工模擬降雨系統(tǒng)，是進行土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律研究的重要試驗設備[1]。

圖1 人工模擬降雨系統(tǒng)示意

1.3 人工模擬降雨雨強

石佛山小流域位于云南省臨滄市云縣幸福鎮(zhèn)幸福村水土保持監(jiān)測項目區(qū)。模擬降雨設計頻率及雨強參照幸福雨量站。該站距項目區(qū)直線距離2 km，1983年建站，有1983—2010年共28年的完整降雨資料，降雨資料質量可靠，能滿足設計暴雨頻率分析要求。通過幸福雨量站1 h短歷時暴雨頻率計算，石佛山小流域100年一遇1 h降雨量為84.8 mm，50年一遇1 h降雨量為77.0 mm，30年一遇1 h降雨量為72.1 mm。人工模擬降雨采用100年一遇1 h降雨過程，暴雨時程分布如表1所示。

表1 石佛山小流域100年一遇1 h降雨過程

1.4 人工模擬面降雨量監(jiān)測

為監(jiān)測人工模擬面降雨情況，在徑流小區(qū)兩側共安裝21只20 cm普通雨量器，中心安裝JDZ02型自記雨量器記錄降雨過程，如圖2所示。

圖2 人工模擬降雨雨量器設置

2 人工模擬降雨監(jiān)測結果

2.1 JDZ02型自記雨量器記錄結果

人工模擬降雨試驗于2011年1月開始，至2012年9月結束，跨2年歷時40天，試驗時間分別為枯水期兩次(第一次、第三次)、主汛期兩次(第二次、第四次)。在不同坡度的徑流小區(qū)分別進行15場次的人工模擬降雨試驗，其中3場次因儀器故障無記錄，結果見表2，降雨過程見圖3。

表2 JDZ02型自記雨量器記錄結果

圖3 人工模擬降雨JDZ02型自記雨量器記錄過程

2.2 普通雨量器監(jiān)測結果

徑流小區(qū)人工模擬降雨面降雨量采用普通雨量器監(jiān)測，用算術平均法計算平均面降雨量。用普通雨量器觀測的15場次人工模擬降雨面降雨量計算結果見表3。

2.3 人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量監(jiān)測

人工模擬降雨雨強采用100年一遇1 h降雨雨強。在模擬降雨試驗前采用移動墑情監(jiān)測儀和稱重法在各小區(qū)距地表10、20、30 cm土層剖面處取土樣分別測定前期土壤含水率，并取平均值。產(chǎn)流產(chǎn)沙量的監(jiān)測是在有徑流產(chǎn)生時，每5 min取1個水樣，采用加權平均法計算平均含沙量，并用容積法記錄產(chǎn)流量。監(jiān)測結果見表4。

表3 模擬降雨試驗面降雨量監(jiān)測結果

3 試驗結果分析

3.1 人工模擬降雨試驗降雨監(jiān)測結果分析

云南省人工模擬降雨試驗是全國第一次大規(guī)模使用人工模擬降雨系統(tǒng)在野外研究土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律的試驗。實驗室內的環(huán)境與野外環(huán)境差距較大，在野外試驗雖然是按100年一遇的標準進行人工降雨，但是由于受風速、風向影響較大，加之降雨雨滴與實際還有一定差距，所以部分降雨隨風飄落到小區(qū)之外，落到小區(qū)地面的降雨標準也因此降低。考慮到上述情況，試驗都選在無風或輕微風和微風的環(huán)境下進行。將徑流小區(qū)內安裝的JDZ02型自記雨量器記錄的降雨雨強與設計降雨雨強進行相關性分析，相關系數(shù)都在0.6以上(表5)，說明人工模擬降雨過程與設計降雨過程之間存在強相關。

表4 模擬降雨試驗徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測結果

表5 設計降雨與實測降雨過程相關系數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計學原理，使用Brown-Forsythe檢驗法[2]檢驗設計降雨過程與12場次JDZ02型自記雨量器記錄降雨過程的差異性，在顯著性水平α=0.05下檢驗結果為各組之間差異不顯著。對比設計雨量與JDZ02型自記雨量器記錄結果，有7場次降雨接近或超過設計雨強，說明在徑流小區(qū)局部，人工模擬降雨雨強是達到設計要求的。

對徑流小區(qū)12場次面降雨量監(jiān)測結果進行分析，小區(qū)內模擬降雨重現(xiàn)期達到10年一遇以上的有7場，以下的有5場，最高重現(xiàn)期為13年一遇，最低為2年一遇。小區(qū)內降雨極不均勻，單個普通雨量器收集的降雨量有的大于設計雨強，有的小于設計雨強，特別是小區(qū)兩側降雨量與設計雨量誤差最大，達到82.5 mm。受風速、風向、試驗支架架設高度和植被的影響，用加權平均法計算出徑流小區(qū)內21只普通雨量器的實測面平均雨量均小于設計雨量，相對誤差在-62.7%～-27.0%之間，未達到設計要求。

3.2 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況分析

(1)8°徑流小區(qū)。由表4知，第一次模擬降雨試驗，坡地小區(qū)土壤含水率接近飽和、植被覆蓋率為0，降雨4 min后開始產(chǎn)流，歷時1 h，產(chǎn)流量1.402 m3，產(chǎn)沙量15.6 kg。第二次試驗在主汛期進行，土壤含水率接近飽和，小區(qū)內種植玉米，植被覆蓋率為100%，降雨2 min后開始產(chǎn)流，歷時62 min，產(chǎn)流量2.145 m3，產(chǎn)沙量10.2 kg。第三次試驗，小區(qū)土壤含水率12.16%，植被為雜草和伐倒的玉米植株，植被覆蓋率為70%，降雨9 min后開始產(chǎn)流，歷時40 min，產(chǎn)流量0.064 m3，產(chǎn)沙量0.015 kg。該次模擬降雨面平均雨量為44.1 mm，僅占設計雨量的48.5%，加之前期土壤含水率低，因此產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。第四次試驗，小區(qū)內種植的玉米已進入成熟期，植株較高，植被覆蓋率為100%。試驗時為減小風力對人工模擬降雨的影響，將降雨架高度由6 m減至4 m。降雨27 min后開始產(chǎn)流，歷時12 min，產(chǎn)流量0.082 m3，產(chǎn)沙量0.082 kg。該次降雨面平均雨量為59.9 mm，占到設計雨量的70.6%，但是由于小區(qū)前期土壤含水率低，僅為9.04%，故產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。

(2)12°徑流小區(qū)。由表4可知，第一次試驗，由于模擬降雨面平均雨量小(31.6 mm)，雖然前期土壤含水率高達15.03%，但該次降雨條件下該小區(qū)未產(chǎn)流。第二次試驗，小區(qū)前期土壤含水率已接近飽和，植被覆蓋率達100%，降雨2 min后開始產(chǎn)流，歷時58 min，產(chǎn)流量1.513 m3，產(chǎn)沙量20.9 kg。第三次試驗，小區(qū)前期土壤含水率11.41%、植被覆蓋率70%，降雨11 min后開始產(chǎn)流，歷時42 min，產(chǎn)流量0.156 m3，產(chǎn)沙量0.044 kg。該次模擬降雨面平均雨量較大，占到設計雨量的71.3%，但是由于前期土壤含水率低，故產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。第四次試驗，小區(qū)植被覆蓋率100%，降雨31 min后開始產(chǎn)流，產(chǎn)流時間5 min，產(chǎn)流量0.010 m3，產(chǎn)沙量0.004 kg。該次模擬降雨面平均雨量達到50.9 mm，占到設計雨量的60.0%，但是受土壤含水率僅為10.59%的影響，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。

(3)15°徑流小區(qū)。由表4可知，第一次試驗，小區(qū)前期土壤含水率為16.05%、植被覆蓋率為0，降雨30 min后開始產(chǎn)流，歷時10 min，產(chǎn)流量0.016 5 m3，產(chǎn)沙量0.133 kg。第二次試驗，土壤含水率已接近飽和，達20.65%，小區(qū)植被覆蓋率60%，降雨7 min后開始產(chǎn)流，產(chǎn)流53 min，產(chǎn)流量0.629 m3，產(chǎn)沙量10.6 kg。第三次試驗在冬季進行，小區(qū)植被覆蓋率為80%，由于前期土壤含水率低(10.41%)、面平均雨量偏小(43.3 mm)，因此該次降雨在該小區(qū)未產(chǎn)流。第四次試驗，小區(qū)植被覆蓋率100%，人工模擬降雨60 min未產(chǎn)流，為檢驗產(chǎn)流情況，在12:15將人工模擬降雨裝置閘門全開，以最大降雨強度連續(xù)降雨5 min，于降雨64 min后開始產(chǎn)流，產(chǎn)流5 min，產(chǎn)流量0.022 m3，產(chǎn)沙量0.036 kg。該次模擬降雨歷時65 min，面平均雨量達到61.1 mm，占到設計雨量的72.1%，受前期土壤含水率(10.74%)較低、植被覆蓋率較高影響，該小區(qū)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量都較小。

(4)梯地徑流小區(qū)。由表4可知，梯地徑流小區(qū)第一次試驗在主汛期進行，前期土壤含水率為17.46%，植被覆蓋率為20%，降雨2 min后開始產(chǎn)流，產(chǎn)流48 min，產(chǎn)流量1.146 m3，產(chǎn)沙量1.93 kg。第二次試驗在冬季進行，小區(qū)前期土壤含水率8.09%，植被覆蓋率90%，模擬降雨面平均雨量為58.5 mm，由于前期土壤含水率過低，該次降雨在該小區(qū)未產(chǎn)流。第三次試驗在9月份進行，前期土壤含水率為8.48%，植被覆蓋率為100%，模擬降雨面平均雨量為54.1 mm。該次試驗該小區(qū)未產(chǎn)流，其主要原因也是梯地小區(qū)前期土壤含水率過低。

4 結 語

(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，在野外試驗雖然是按100年一遇的標準進行人工模擬降雨，但受風速、風向、支架架設高度和植被的影響，加之降雨雨滴與實際還有一定差距，部分降雨隨風飄落到小區(qū)之外，落到徑流小區(qū)地面的降雨量相對減少，面平均降雨強度因此降低，但局部降雨強度達到設計要求，這說明該模擬降雨系統(tǒng)仍存在一定不足，需要進一步改進。

(2)在相同坡度、相同暴雨條件下，無植被覆蓋或植被覆蓋率低的徑流小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量更大，說明提高地表植被覆蓋率可以有效涵養(yǎng)水源、減輕土壤侵蝕，同時在前期土壤含水率高的情況下，也更容易出現(xiàn)產(chǎn)流產(chǎn)沙。此外，將坡地改為梯地，并增加相應植被覆蓋率對減少水土流失的效果是非常明顯的。

[1] 張慧玲.人工模擬降雨自動控制系統(tǒng)的研究[D].西安:西安理工大學,2007:Ⅰ.

[2] 周園園,師長興,范小黎,等.國內水文序列變異點分析方法及在各流域應用研究進展[J].地理科學進展,2011,30(11):1361-1369.

(責任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2015)02-0040-04

徐曉鵬(1977—)，男，云南臨滄縣人，工程師，學士，主要從事水文勘測工作。

2014-10-11