1. 前言
云南省是我国水土流失较严重的省份之一,全省广布的坡耕地是水土流失的主要来源,坡耕地既是山丘区群众赖以生存的基本生产生活用地,也是水土流失的重点区域。据1997年土地详查数,全省642万hm2耕地中有坡耕地410万hm2,其中25˚以上的坡耕地就有76万hm2。坡耕地水土流失面积约占全省水土流失面积的30%,而产生的水土流失量则超过全省水土流失总量的40%。坡耕地在全省16个州市均有分布,有13个州市50%以上的耕地是坡耕地,特别是昭通市、怒江州辖区内的耕地中有85%以上都是坡耕地,有6个州市25˚以上的陡坡耕地占坡耕地总面积20%以上。据2004年遥感调查,全省水土流失面积达13.2万km2,占全省国土面积的35%,年流失土壤5亿多吨。有研究表明,坡耕地是人为因素干预自然环境最直接的体现,是产流产沙最大的地类 [1] [2] ,是江河湖库泥沙的主要来源地。目前,土壤侵蚀强度估算方法主要有遥感解译法 [3] 、经验公式与GIS技术相结合的模型预测法 [4] [5] [6] 、示踪法 [7] [8] 、以及实验法 [9] [10] [11] 。但由于云南省坡耕地水土流失综合治理工程各小流域内降水、坡度、土壤等因素的相关参数的准确确定存在较大困难,估算方法难于获得理想的结果。因此,在调研学习借鉴当前国内外水土保持监测经验和高校实验成果的基础上,采用野外人工模拟降雨实验与自然降雨观测相结合的方法,分析不同坡度和降雨量对坡耕地土壤侵蚀强度的影响,评价坡耕地治理前后的土壤侵蚀强度变化情况,为探索坡耕地治理方法、模式和宏观决策提供科学依据,为研究和探索坡耕地水土流失监测新方法提供技术支撑。
2. 监测依据和方法
2.1. 监测技术依据
《水土保持监测技术规程》(SL277-2002);《水土保持实验规程》(SL419-2007);《云南省坡耕地水土流失综合治理试点工程水土保持监测实施方案》。
2.2. 研究对象和监测方法
基于云南省坡耕地水土流失综合治理试点工程项目实施情况,同步开展坡耕地水土保持监测,探索坡耕地水土流失监测的方法和途径。在12个坡耕地治理小流域中选择有代表性的云县石佛山、昌宁县小赤田、东川区拖潭沟、宣威市吉科、水富县罗湾5个小流域为研究对象,采用地面观测和人工模拟降雨实验相结合的方式监测坡耕地治理土壤侵蚀状况。
在5个小流域内选址建设实验小区,按模拟降雨设计要求,采用P = 100%的设计雨强进行实验。在实验小区周围无遮挡的平整区域布设气象观测场,安装自计雨量计,并设置5分钟记录1次监测自然降雨过程;雨季(5~10月)进行自然降雨土壤侵蚀观测与记录。
3. 模拟降雨实验系统
3.1. 降雨范围
在总降雨覆盖面积内,将覆盖面积分为0.5 m × 1.5 m的24个小块,每个小块对应一个降雨器,通过相邻降雨器的任意组合,可以到达在不同的降雨面积上进行降雨的目的。
3.2. 降雨形式
降雨系统采用针管式降雨形式。降雨器降雨量随针管上所施加的水头成正比,并且为线性关系;各针头产生的雨滴直径基本相同,可以认为是天然降雨的某当量直径雨滴。但由于该降雨器针头出水量受水质影响很大,特别是结垢对针头出水有明显影响,因此,系统对水质的要求非常严格。
3.3. 降雨指标
叠加喷洒式模拟降雨控制系统降雨强度变化范围是4 mm/h~200 mm/h;降雨雨强最小分辨值为1.3 mm/h;降雨强度控制精度为0.66 mm/h;降雨均匀度>0.95。
3.4. 降雨系统结构
叠加喷洒式模拟降雨控制系统由降雨器、承力支架、震动支架、降雨器震动装置系统、自动承雨(受雨面降雨开启或停止控制)装置、供水系统、电磁阀、控制器和控制用PC机等组成,主要结构如图1所示。
4. 模拟降雨实验
4.1. 实验小区选址
模拟降雨实验小区建设需考虑交通、水源、仪器安装及方便看守等要求。
1) 场地、位置。选择坡度、土壤类型有代表性,满足实验小区建设和监测仪器设备布设对场地面积的要求;尽量选在连片坡耕地的边缘,以免对其他坡耕地种植造成影响。
2) 交通条件。保证雨季交通工具能够快速到达实验小区,及时进行监测。
3) 水源条件。由于模拟降雨系统喷头较细,要求水质清澈、无杂质,以免造成喷头堵塞。在附近无水源时采用水车运水方式解决水源。
4.2. 实验小区设计
为得到可靠的监测评价结果,实验小区产汇流条件应尽量接近天然状态,因此应特别注意实验小区的选址、布局、以及挡墙和集流口的科学设计。布设时既要考虑周围环境,还应注意外推到其它地区的可能性;其次要考虑到极端状况,如极大、极小坡度的实验、极端降雨实验等。
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Figure 1. Schematic diagram of stack artificial simulation of rainfall by spraying system
图1. 叠加喷洒式人工仿真降雨系统示意图
1) 布局设计。实验小区布设与等高线垂直,每个流域分别以5˚~8˚、8˚~15˚、15˚~25˚坡度布设3个投影面积为60 m2的坡地和梯地实验小区,底部预留1.5 m用于集流口设置。径流收集可采用缸体标有容积量刻度的大塑料缸记录产流过程。
2) 挡墙设计。为隔绝与周围地表和壤中流,实验小区档墙设计深度应不小于入渗深度(一般为50 cm),高出地面20 cm,挡墙材料可选用粘土砖等,并采用水泥砂浆抹面,增强防渗性能。
3) 集流口设计。为便于径流顺势流出及径流收集,将集流口设计为收口形状,即从小区宽度3 m逐渐变收窄至出水口宽度20 cm。为便于收集壤中流,集流口设计深度应不小于20 cm,集流口前用铁丝网拦挡,以免土层崩塌堵塞。
4) 地表覆盖状况。监测时段内实验小区不种植任何农作物,自然生长的杂草覆盖度20%~30%。
4.3. 实验方法
人工模拟降雨实验是运用人工降雨系统装置在建成的三个不同坡度实验小区,采用相同降雨条件(本研究采用P = 100%的设计雨强)在坡改梯前后分别进行模拟降雨实验,监测土壤侵蚀和产流、产沙过程。但由于是在野外进行人工模拟降雨实验,影响因素多,特别是风力影响,实际落在小区内的降雨量不同程度的小于设计模拟降雨量。因此,在进行模拟降雨实验时,可能出现产流或不产流两种情况。
1) 若产流:测定模拟降雨前土壤含水率,记录降雨过程、产流开始和结束时间、产流量,并按5分钟间隔取水样测定产沙量,采用加权平均法计算平均侵蚀量,据此分析模拟降雨产流和土壤侵蚀状况。
2) 若未产流:记录降雨过程、测定模拟降雨前后土壤含水率,通过土壤含水率对比分析土壤墒情变化。
3) 土壤含水率测定:采用移动墒情监测仪和称重法。
5. 监测结果分析
5.1. 基于模拟降雨实验的减流减蚀效益分析
实验于2011年1月~2013年8月跨3年历时120余天,在云县石佛山、昌宁县小赤田、东川区拖潭沟、宣威市吉科、水富县罗湾5个坡耕地水土流失治理小流域进行了人工模拟降雨实验59场次,其中,共有41场人工模拟降雨实验产流,占69.5%;有18场人工模拟降雨实验不产流,占30.5%。因此,按坡地小区和梯地小区人工模拟降雨实验产流情况进行统计,分析坡耕地水土流失综合治理后的减流减蚀效果。坡地实验小区人工模拟降雨产流情况分析统计详见表1,梯地实验小区人工模拟降雨产流情况分析统计表2。
由表1表可知:5个小流域坡地实验小区人工模拟降雨实验产流共29场次,前期土壤含水率平均为16.82%,植被覆盖率平均为53%,实际平均降雨量为57.9 mm,径流系数平均为0.231,平均土壤侵蚀强度64.45 t/km2。
表2可知:梯地小区人工模拟降雨实验产流共12场次,前期土壤含水率平均为23.96%,植被覆盖率平均为58%,实际平均降雨量为54.9 mm,径流系数平均为0.092,平均土壤侵蚀强度14.37 t/km2。
上述分析表明:坡改梯后,梯地小区前期土壤含水率和植被覆盖率比坡地小区高,实际平均降雨量比坡地小区小,但径流系数为坡地小区的39.8%,平均土壤侵蚀强度较坡地小区减小77.7%,由此可见坡改梯后减流减蚀效益显著。
5.2. 基于自然降雨观测的减流减蚀效益分析
自然降雨观测于2011年~2013年雨季(5~10月),在云县石佛山、昌宁县小赤田、东川区拖潭沟、宣威市吉科、水富县罗湾5个小流域共完成了自然降雨观测158场次。经统计分析,梯地小区观测到的平均降雨产流量比坡地小区低,径流系数为坡地小区的13.3%,平均土壤侵蚀强度较坡地小区减少90.0%,说明坡改梯后减流减蚀效益十分明显,这与模拟降雨实验结果相一致。
以宣威市吉科小流域为例,从不同坡度分析自然降雨土壤侵蚀状况。吉科小流域于2012~2013年雨季(5~10月)共观测到52场自然降雨产流过程,占研究对象5个小流域自然降雨观测总场次的32.9%。吉科小流域自然降雨土壤侵蚀监测结果分析统计详见表3。
由表3可知,吉科小流域2012年降水量为1133 mm,接近多年平均水平,观测到有产流过程的33场降雨总量为841.5 mm,占全年降水量的74.3%;2013年降水量为852 mm,属枯水年,观测到有产流过程的19场降雨总量为495 mm,占全年降水量的58.1%。
吉科小流域2012年(平水年)和2013年(枯水年)初始产流降雨量分别为9.5 mm和11.5 mm,枯水年土壤水分含量低,初始产流降雨量相对较大;2012年33场自然降雨2˚坡地和11.8˚坡地径流系数分别为0.21和0.26,侵蚀强度分别为843.33 t/km2和1996.67 t/km2;2013年19场自然降雨2˚坡地和11.8˚坡地径流系数分别为0.07和0.09,侵蚀强度分别为30.50 t/km2和53.33 t/km2。从不同坡度坡耕地土壤侵蚀来看,2˚坡地和11.8˚坡地小区径流系数相差不大,但侵蚀强度差异明显,2012年和2013年11.8˚坡地小区侵蚀强度分别为2˚坡地的2.37倍和1.75倍,表明坡度较大的坡耕地是水土流失的主要来源,应作为防治重点区域。从同一坡度不同降水量下土壤侵蚀
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Table 1. The analysis and statistical table of artificial simulating rainfall in sloping fields test plots
表1. 坡地实验小区人工模拟降雨产流情况分析统计表
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Table 2. The analysis and statistical table of artificial simulating rainfall in sloping fields test plots
表2. 梯地实验小区人工模拟降雨产流情况分析统计表
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Table 3. The analysis and statistical table of natural rainfall soil erosion results in Jike small watershed
表3. 吉科小流域自然降雨土壤侵蚀监测结果分析统计表
来看,2˚坡地和11.8°坡地在降雨量较大的2012年径流系数均为降雨量较小的2013年的3倍,侵蚀强度分别为2013年的27.65倍和37.44倍,表明降雨量对坡耕地土壤侵蚀影响显著,应特别注意降水较多年份雨季的水土流失防范。
6. 结论
1) 模拟降雨实验和自然降雨观测两种途径监测结果表明:坡度较大的坡耕地是水土流失的主要来源,坡度和降雨量对坡耕地土壤侵蚀强度影响显著,但降雨量对坡耕地土壤侵蚀强度的影响大于坡度对土壤侵蚀强度的影响。应特别注意降水较多年份雨季的水土流失防范,对坡度较大的坡耕地应长期作为重点防治区域整治。如吉科小流域2012年33场自然降雨2˚坡地和11.8˚坡地径流系数分别为0.21和0.26,侵蚀强度分别为843.33 t/km2和1996.67 t/km2;2013年19场自然降雨2˚坡地和11.8˚坡地径流系数分别为0.07和0.09,侵蚀强度分别为30.50 t/km2和53.33 t/km2;两年的径流系数相差不大,但侵蚀强度差异明显。
2) 从基于模拟降雨实验的减流减蚀效益分析和基于自然降雨观测的减流减蚀效益分析对比看,坡改梯后减流减蚀效益明显。模拟降雨监测到的梯地径流系数为坡地小区的39.8%,平均土壤侵蚀强度较坡地小区减小77.7%;自然降雨观测到的梯地小区径流系数为坡地小区的13.3%,平均土壤侵蚀强度较坡地小区减少90.0%,说明坡改梯后减流减蚀效益十分明显。
3) 从吉科小流域观测到的52场自然降雨来看,2012年33场降雨过程平均降雨量为25.5 mm,2013年19场降雨过程平均降雨量为26.1 mm。两年监测的平均降雨量接近,说明自然降雨监测过程质量控制得好,数据资料可靠。
4) 研究结果表明:采用自然降雨观测和野外人工模拟降雨实验相结合的水土保持监测方法,可推算出各小流域的产流量、径流系数、土壤侵蚀量、土壤侵蚀强度等参数,能够定量定性地分析坡耕地水土流失情况,科学地掌握坡耕地治理项目区的产流情况和土壤侵蚀状况。两种途径监测结果均表明坡改梯后减流减蚀效益显著,实现了用数据来对比分析治理前后土壤侵蚀状况,如实评价了坡耕地改造治理项目实施后产生的减流减蚀效果,说明该监测方法可行,可鉴用。
5) 从监测手段来看,首次采用人工模拟降雨实验和自然降雨观测相结合的方法应用于云南坡耕地水土流失综合治理水土保持监测工作中,具有实验性、开拓性、创新性。该方法不仅探索和研究了水土保持监测新方法、新途径,为进一步推进坡耕地水土流失综合治理积累了新的经验,还为云南坡耕地水土流失综合治理方法、模式、技术支撑和宏观决策提供了科学依据。
基金项目
云南省坡耕地水土流失综合治理工程水土保持监测与评价项目(2010y-01);水利部公益性行业项目(201001058)。