喀斯特坡面徑流集蓄利用研究現狀與展望

高漸飛，楊振華,2，蘇維詞，曹 洋

(1.貴州省山地資源研究所，貴陽 550000；2.中山大學水資源與水環境系，廣州 510272)

以貴州高原為中心的中國西南巖溶地區是世界上面積最大、最集中連片的巖溶生態脆弱區，面積超過55 萬km2，也是巖溶發育最典型、石漠化最為嚴重的一個片區[1,2]。由于巖溶的強烈發育，地表滲漏性較強，地表地下雙層水文結構較為普遍，地表保持和調蓄水分能力較弱；降雨很快沿裂隙、漏斗、落水洞及缺土少林的坡面注入地下和深切的河谷，形成常見的“水在下，土地和人居場所在上”的空間不匹配格局[3-5]。此外，該區域降雨主要集中在5-9月(約占全年降雨量的70%)[6]，又造成時間上的不均衡，季節性缺水。水資源的時空分布不均衡導致的區域水資源短缺一直是制約經濟社會發展的嚴重問題。近年來一批大中型骨干水利工程在解決城鎮人畜飲水安全，以及集中連片壩子地灌溉方面取得了顯著成效，但坡耕地長期以來沒有灌溉保障的問題仍未得到改善。以貴州省為例，全省92.5%的土地為山地和丘陵，坡耕地支撐了農業的大半邊天，但由于水土資源時空不匹配，農業還是“靠天吃飯”，耕作者甚至沒有“土地需要灌溉”的意識。

受地形地貌格局的限制，該區域坡耕地灌溉水源主要靠坡面集蓄的雨水?；诖?，國家開展的水土保持、土地整理、煙水配套及2008年起開展的石漠化綜合治理工程等均安排有坡面集蓄水內容，野外實地也隨處可見坡面蓄水池/窖，但其利用效果差強人意。為此，從坡面集雨工程理論、技術參數、利用方式等方面進行系統梳理，旨在找出導致喀斯特地區坡面雨水工程難以發揮應有效率的關鍵問題，為后續工程的布設及其下一步開展相關研究提供參考。

1 喀斯特坡面產流特征

1.1 喀斯特坡面徑流系數與徑流量

與非喀斯特地區相比，喀斯特坡地降雨地表徑流系數較小，地表產流量很少、會出現降雨幾乎全部入滲現象[7-9]。貴州普定及廣西環江坡面定位觀測和模擬降雨試驗表明，坡面水文過程以地下過程為主，地表徑流一般只有在高降雨強度下才會產生，常呈現蓄滿產流機制，超滲地表徑流發生概率低[8,10,11]。彭韜等[8]在貴州巖溶地區普定縣陳旗小流域研究發現，灌草、火燒跡地、幼林、坡耕地、稀疏灌叢、復合植被6種土地利用條件地表徑流系數介于0.01%～12.81%。張喜等[7]在黔中巖溶地區開陽縣魚梁河流域研究發現，2003-2005 年不同植被類型降雨年均地表徑流系數為1.96%～21.94%。陳洪松等[10]2006-2010 年在廣西環江喀斯特地區觀測發現雖然年降雨量1 300～2 000 mm，但無論平水年還是豐水年，火燒跡地、經濟林、坡耕地等13種土地方式/植被類型徑流系數都<4%(0.01%～3.58%)。Wilcox 等[12]在美國愛德華茲高原巖溶地區的模擬降雨試驗發現，灌木林不產流。觀測結果一致地證實，喀斯特坡面一般很難產生地表徑流，徑流系數較小，介于0.01%～21.94%之間；在裸巖地區因巖層裂隙高度發育，出現降雨幾乎全部入滲現象[13-15]。

1.2 喀斯特坡面徑流影響機制

降雨性質、土地利用/覆蓋方式、表層巖溶帶的巖溶化程度、土壤結構等都影響著喀斯特坡面徑流過程和徑流量[16-22]。如在裂隙不發育地區，其裸巖坡面的徑流量遠大于草地和林地[23]。地表植被人為干擾和破壞，可能導致地表徑流系數增大[8]，但并不一定是主要的影響因素[10]。Wilcox 等[12]在在美國愛德華茲高原巖溶地區的模擬降雨試驗發現，灌木砍伐、搬移前后，灌木林地地表都不產流，也證實植被對坡面徑量流影響不大。與此同時， Wilcox等發現在地表不產流的灌木林地卻發現至少50%的降水以壤中流形式出現，草地地表徑流占10%～50%，壤中流<10%[12]。朱曉峰等在廣西環江喀斯特實驗站觀測數據顯示，深層滲漏和壤中流是喀斯特峰叢灌木林地主要水文路徑，兩者分別占降雨量的71%和9%，地表徑流僅占2%[24]。此外，表層土壤總孔隙度、毛管孔隙度與徑流量大小的負相關性達顯著水平，土壤容重對徑流量的貢獻率達-96.54%[7,16,25]。

由觀測數據可知，在喀斯特地區由于壤中流、深部基流對降雨的分配可能占主導，使得地面以下空間結構對徑流影響增大，與此相反植被的影響力相對減弱了。但觀測數據顯示，不同植被壤中流所占降雨量比重差距還是比較大，有必要深入探索不同區域、不同植被條件坡面對降雨的分配規律，以探究進一步利用各部分徑流的可能。

2 喀斯特坡面徑流的集蓄與利用

2.1 坡面徑流收集的主要方式

喀斯特地區坡面徑流利用方式可歸納為2種。一是選擇荒坡、林地、灌木林地、疏林地、草地和坡耕地等自然坡面為集雨面，在集流場下方修建攔截水壩/溝，將坡面徑流攔截引入沉沙池，泥沙沉淀后存貯于蓄水池(水窖或水柜)，在坡面形成單個獨立的“集-引-蓄”水工程。這種“獨立式”集蓄工程建設時自由度較高，可布置在坡地中上部地勢較高位置，以獲得較高水勢；但由于涵蓋集雨區面積較小，其來水量一般僅夠單個30～60 m3蓄水設施用，僅能灌溉較小面積的土地。第二種是，在適合的位置修筑攔截水壩/溝截取自然坡面沖溝、溪溝降雨徑流，經過沉砂引入蓄水池，并利用自然地形，溢出的水又引流至位置較低的下一級蓄水池，如此一直延續，可覆蓋整個坡面，形成 “長藤結瓜式”的坡面集蓄系統[25]。這種“串聯式”徑流集蓄工程具有能集蓄水量大，徑流蓄積效率高，覆蓋面積大等優勢；但由于較好的攔截位置一般在山體中下部，因此灌溉區域會受到一定限制。

2.2 坡面徑流量的估算

坡面徑流集蓄工程布設工程中首先需要根據集流坡面的大小來估算來水量，進而確定水池(水窖、水柜)的容積和數量。坡面來水量可用坡面集雨公式(1)來估算。

W=αHF

(1)

式中：W為坡面來水量；α為徑流系數；H為多年平均降雨量；F為坡面投影面積。

其中，H一般能獲取較為準確數值，F通過簡單測量可得較準確數據，但α值一般參照規程規范在0.4～0.6之間取值[27-29]?？λ固亓饔虺叨葟搅飨禂悼赡鼙容^接近這個數值范圍，但坡面徑流系數與之差異很大。如貴州普定陳旗小流域徑流系數為0.4，坡面徑流系數卻小于2%[8,14]。前文綜述亦可知，喀斯特坡面徑流系數介于0.01%～21.94%之間，在一些區域會出現降雨幾乎全部入滲，基本不產流現象[10,11,13]。也就是說，第一種坡面徑流收集方式中，由于徑流系數取值遠高于實際，坡面產生不了設計估算的來水量，導致所設計的蓄水設施容積過大，出現蓄不滿水甚至空置情況。而這種利用方式在喀斯特地區占主導，蓄水池空置現象極為普遍，大量坡面集雨工程無法發揮應有的服務功能。

2.3 坡面徑流收集工程的布設

喀斯特坡面徑流集蓄利用工程布設是一項復雜的工程，首先考慮集水區大小、坡面徑流量，進而要看地形地質結構是否適合修建蓄水設施，還得考慮建設材料的運輸成本。但工程設計中，大多只考慮地基穩定和方便施工，因此出現很多的坡面集水蓄水設施布局于地塊中間、道路上方，完全沒有考慮是否能收集到雨水問題；有一定集雨面的，也沒有根據實際徑流量來推算所需蓄水設施容積。此外，為施工和工程驗收方便，一個項目區內主管部門往往要求蓄水設施定額到同一個規格，如30、40、50、60、100 m3。而這些工程竣工驗收時只考核是否完了成設計方案中的工程量，長期以來忽略了對工程使用效率的檢驗。這些因素導致整個喀斯特地區坡面集雨工程難以發揮應有的作用，閑置、廢棄現象極為嚴重，造成極大的浪費，且這種情況還在繼續。

2.4 坡面徑流集蓄后的利用方式

喀斯特地區降雨主要集中在汛期5-9月(約占全年降雨量的70%)[6]，常規情況下林木在12-3月需要灌溉，而此時雨季收集到的水因蒸發已損耗了大部分；剩余部分由于喀斯特坡面集水含有大量泥沙、枯枝落葉等雜質，不能直接用于噴灌、滴灌等節灌方式。目前對集蓄雨水使用方式多是以軟管引出直接淋到植物根部，這種方式節水性差，灌溉不了多少土地，雨水利用效率較低。因此，需要一方面探索坡面雨水沉淀、過濾處理等簡易方法，另一方面應根據喀斯特坡地土地破碎、分散的實際對當前技術設備進行改造、組裝、研發適合的灌溉設備。

3 研究展望

喀斯特地區降雨被坡面分解成三部分，一部分成為坡面徑流，一部分壤中流，其余為深部基流[30]。國內外實驗觀測數據一致證實，喀斯特坡面地表不易產流、徑流系數較低，降雨以地下水文過程為主[12,24,30]。地表植被對喀斯特坡面徑流影響不大，但不同植被壤中流量差距卻比較大，喀斯特坡面產流的影響機制顯得更為復雜。

當前，喀斯特坡面徑流取得的研究成果尚不能支持坡面集雨工程布設的實際應用需求。不同地貌、不同巖性條件下，各種土地利用/覆蓋方式徑流產匯流規律？同時涵蓋多種土地利用/覆蓋的坡面徑流特征又如何？都需要大量的野外實地觀測，并在此基礎上探討與實際相符的徑流量估算參數及公式以指導坡面集流工程布設。

考慮到喀斯特坡面徑流系數比較小，難以收集足夠雨水的特殊性，集雨工程建設中應充分利用主干道路、機耕道、耕作便道等作為集雨面，配套建設蓄水設施，提高集雨效率。同時，要關注適合于喀斯特坡地，土地破碎，分散度高的節水灌溉設備與方法。在坡面集雨工程建設管理中應當在當前驗收數量的基礎上，上升到評估效率和質量上來。

此外，中共十九大會提出“供給側結構性改革”，實施“鄉村振興戰略”，其核心就是要發展農村生態產業，而在廣大巖溶山區生態產業發展的空間就是坡耕地。以貴州省為例，2017年12月貴州省出臺了《關于調整優化2018年玉米種植結構的實施方案》，明確25°以下坡耕地(24 萬hm2)主要改種蔬菜、中藥材、水果和其他特色糧食作物；25°以上坡耕地(94.167 萬hm2)全部退耕還林還草和種植經果林、茶葉、中藥材等。大面積坡耕地要發展特色作物及經濟林，要確保農業結構調整取得成效，灌溉保障是核心問題之一，而坡面雨水是最主要的灌溉水源，因此，相關的研究可謂迫在眉睫。

4 結 語

喀斯特坡面降雨被分配地表、土壤徑流和深部急流三部分，且后兩者占主導；為此，坡面一般很難產生地表徑流，徑流系數較小，介于0.01%～21.94%之間；在裸巖地區因巖層裂隙高度發育，出現降雨幾乎全部入滲，地表不產流現象。

喀斯特坡面徑流集蓄利用是一項復雜工程，要同時考慮集水區大小和坡面徑流量、地形地質結構、材料運輸成本等因素。其中，基于坡面徑流系數估算的徑流量最為關鍵的參數，直接決定著坡面集雨工程布設的成敗。當前，喀斯特地區坡面集雨工程常出現蓄不滿水甚至空置現象，其核心問題之一就是自然坡面徑流系數取值遠超過實際值，導致來水量估算過大。

若無準確的徑流系數值和貼合實際的坡面水量計算方法，喀斯特地區新修建的坡面徑流集蓄利用工程可能重蹈覆轍(荒廢或成擺設)，無法提供應有服務，應引起足夠的重視。