王愛娟，張平倉，劉洪鵠，任洪玉

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

坡面徑流的快速測評技術(shù)研究

王愛娟，張平倉，劉洪鵠，任洪玉

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

長江上游地區(qū)土層薄，蓄水容量差，由于雨量集中，容易導(dǎo)致洪、旱災(zāi)害交替發(fā)生，進(jìn)行坡面徑流調(diào)控降低土壤含水量是流域治理的有效手段，坡面徑流的快速測評可為徑流調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。研究采用野外調(diào)查和取樣分析的方法，得到長江上游不同土壤類型土層厚度和物理性質(zhì)；統(tǒng)計(jì)分析長江上游不同地區(qū)5年一遇最大24 h降雨量，基于徑流形成原理，計(jì)算得到長江上游地區(qū)徑流系數(shù)為0.53；不同地區(qū)壤中流占總徑流量的比例均值為30%，研究結(jié)果可為坡面徑流調(diào)控提供理論依據(jù)。

徑流調(diào)控；穩(wěn)滲速率；田間持水量；地表徑流；壤中流

1 概 述

長江上游是我國坡耕地分布最為集中的地區(qū)，耕地面積約0.86億hm2，占全國坡耕地面積的41%，是糧食安全保障的重要來源，但又是江河泥沙的主要來源地，年均侵蝕量超過9億t，占全流域侵蝕總量的40.2%。2008年結(jié)束的中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察對長江流域的水土流失描述為：土層厚度一般只有30～50 cm，而侵蝕嚴(yán)重的坡耕地年均土層流失厚度達(dá)0.6～1.5 cm。長江上游山高坡陡、土層薄、雨量大而且集中，一旦發(fā)生水土流失，可很快造成土層變薄，土地生產(chǎn)力減退，甚至發(fā)生石漠化和砂礫化，喪失農(nóng)業(yè)利用價(jià)值。分析長江上游地區(qū)的土壤侵蝕機(jī)理發(fā)現(xiàn)，由于該區(qū)氣候濕潤，降雨豐沛，土壤滲透性差，粉粒含量較小，土壤含水量大，坡面上主要的侵蝕方式是坡面土滑、蠕動(dòng)、滑坡和坡面泥石流［1］。在長江上游地區(qū)進(jìn)行水土保持的理論與黃土高原的“保水保土”有所不同，由于包氣帶土層的蓄水能力有限，如果注重將水分?jǐn)r蓄于坡面會導(dǎo)致土壤飽和加劇水土流失的危險(xiǎn)，因此在長江流域進(jìn)行水土流失治理應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是“調(diào)水保土”，進(jìn)行坡面徑流調(diào)控，降低土壤含水量，加固坡面土體穩(wěn)定［1］。

降雨徑流的快速測評是進(jìn)行坡面徑流調(diào)控的前提和基礎(chǔ)，坡面徑流調(diào)控是阻止長江上游地區(qū)濕潤期水多和干旱期水少導(dǎo)致洪災(zāi)、旱災(zāi)交替發(fā)生的有效手段。通過坡面徑流的快速測評可為徑流的調(diào)控利用提供支持，量化坡耕地降雨產(chǎn)生的不同類型的徑流，合理利用坡面徑流，緩解汛期水量過多而枯水期缺水的矛盾。本次研究以長江上游不同區(qū)域典型坡耕地為研究對象，從區(qū)域坡面產(chǎn)流機(jī)制出發(fā)，研究坡面不同徑流類型的計(jì)算方法，分析不同區(qū)域在次降雨過程中的坡面產(chǎn)流量和可利用徑流量。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)布設(shè)

長江上游流域面積較大，土壤類型差異性較大，項(xiàng)目組成員根據(jù)長江上游水土流失和土壤類型分布的區(qū)域特征，在甘肅、陜西、云南、重慶、四川和貴州布設(shè)了抽樣調(diào)查點(diǎn)見表1。

表1 各測點(diǎn)的地理位置Table 1 Locations of them easuring points

2.2 土壤樣品采集與分析

土層厚度采用挖剖面法觀測，容重采用環(huán)刀法測定，用100 cm3環(huán)刀分別在0～20 cm，20～40 cm分層取原狀土，土壤含水量采用酒精燃燒法，土壤粒徑組成采用吸管法測定，田間持水量的測定采用壓力膜儀法［2］，入滲采用雙環(huán)法測定［3］。

2.3 徑流計(jì)算

根據(jù)超滲地表徑流產(chǎn)生的物理?xiàng)l件是雨強(qiáng)大于地面下滲容量，以60 min為時(shí)間步長，對比土壤入滲速率與雨強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算見公式（1），當(dāng)雨強(qiáng)小于入滲速率時(shí)，所有降雨都滲入土壤；當(dāng)整個(gè)包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)土壤以穩(wěn)滲速率入滲，超出的雨量形成蓄滿產(chǎn)流，超過田間持水量的入滲量形成壤中流，入滲的水量計(jì)算見公式（2）。

式中：R為徑流量（mm）；i為雨強(qiáng)（mm／min）；fc為穩(wěn)滲速率（mm／min）；Δt為時(shí)間步長（min）；F為總的入滲量。

3 結(jié)果分析

3.1 不同測點(diǎn)土壤性質(zhì)分析

采用剖面法進(jìn)行土層厚度調(diào)查，得到各個(gè)測點(diǎn)的土層厚度見表2。

表2 各測點(diǎn)的土層厚度Table 2 Soil depths of themeasuring points

從表2可以看到各點(diǎn)的土層厚度都不大，平均在30 cm左右。通過土壤理化性質(zhì)分析得到各點(diǎn)土壤質(zhì)地為黏壤土和黏土見表3，甘肅徽縣的褐土田間持水量最大，貴州黔西的黃壤穩(wěn)滲速率最大，徽縣次之，元謀的土壤密度較大，土層厚度也較大，土壤田間持水量較高。

表3 各抽樣調(diào)查點(diǎn)土壤的性質(zhì)分析Table 3 Soil properties in investigating points

3.2 長江上游產(chǎn)流機(jī)制分析

長江上游長約4 500km，流域面積100萬km2，主要干支流包括金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等，地域遼闊、自然環(huán)境復(fù)雜，土壤類型較多，紫色土、黃壤、褐土和石灰土是分布較廣泛的土壤，季風(fēng)氣候十分典型。金沙江流域大部分地區(qū)受高原季風(fēng)、東亞季風(fēng)和西南季風(fēng)控制，四季變化不大，干濕分明，多數(shù)地區(qū)年均雨量1 000 mm左右；云貴高原地區(qū)溫暖濕潤，受西南季風(fēng)控制，雨季和旱季分明，雨季雨量占全年降雨量的70%以上，年均降雨量800～1 400 mm；川中丘陵區(qū)主要是中亞熱帶濕潤氣候，溫暖濕潤，降水較為豐沛，年均降雨量900～1 600 mm，個(gè)別地區(qū)達(dá)2 000 mm。根據(jù)課題組成員在長江上游布設(shè)的測點(diǎn)土樣的土壤顆粒組成分析發(fā)現(xiàn)，這幾種土壤質(zhì)地上主要為黏土和黏壤土，孔隙度較小，穩(wěn)滲速率相應(yīng)較小。長江上游土壤土層厚度很小，包氣帶蓄水容量小，加之該區(qū)氣候濕潤，降雨量大，主要以蓄滿產(chǎn)流為主，壤中流對地表徑流的貢獻(xiàn)很大。

分析發(fā)現(xiàn)在一次暴雨過程中雨強(qiáng)超過土壤入滲速率會產(chǎn)生超滲產(chǎn)流，隨著土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)，產(chǎn)流轉(zhuǎn)化為蓄滿產(chǎn)流，所以不能籠統(tǒng)地將降雨徑流分為蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流2種，超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流同時(shí)存在于一場降雨過程中，由雨強(qiáng)和土壤入滲速率及土壤含水量決定。

3.3 坡耕地降雨徑流計(jì)算

由于可獲得的資料缺乏對降雨過程的記錄，一次降雨過程中雨強(qiáng)隨時(shí)間和空間都有很大變化［4，5］，可以通過已有資料分析降雨過程的分布規(guī)律將可得到的日降雨資料生成次暴雨過程。Foster和Lane認(rèn)為要得到一場降雨過程所需要的基本信息包括降雨量、平均雨強(qiáng)，最大雨強(qiáng)和平均雨強(qiáng)的比例關(guān)系以及最大雨強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間，他們通過反復(fù)分析研究認(rèn)為一場降雨過程可以用三角形來描述，并且得到最大雨強(qiáng)與平均雨強(qiáng)的比是2［6］。Huff對美國中西部地區(qū)的暴雨研究表明，大多數(shù)降雨事件在進(jìn)入到整個(gè)降雨歷時(shí)第一或第二個(gè)1／4時(shí)段時(shí)，會出現(xiàn)最大雨強(qiáng)［4］。Huff和其他許多人的研究還表明，最大雨強(qiáng)會超過一次降雨平均雨強(qiáng)的4倍［4，7，8］。

雨強(qiáng)大小與降雨歷時(shí)的關(guān)系十分密切。一般來說，大強(qiáng)度降雨歷時(shí)短，覆蓋區(qū)域也小。而較大范圍降雨一般雨強(qiáng)不會很大，可持續(xù)幾天［8］。Schwab研究指出次暴雨在降雨開始的前6 h內(nèi)基本降完，并且最大雨強(qiáng)基本出現(xiàn)在降雨開始后的前1.5 h內(nèi)［8］。王萬忠利用黃土高原子洲團(tuán)山溝徑流場1963－1969年觀測資料，討論了降雨侵蝕力指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致黃土高原地區(qū)土壤流失的降雨主要是短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨，即使歷時(shí)較長，其雨量也往往集中在1 h以內(nèi)［9，10］。

根據(jù)各測點(diǎn)氣象站1951－2002年的日降雨資料，通過頻率分析統(tǒng)計(jì)得到了5年一遇最大24 h降雨量，并求得平均雨強(qiáng)見表4。

此次研究是為徑流調(diào)控提供數(shù)據(jù)，研究汛期土壤前期含水量很大的暴雨情況下的徑流計(jì)算，認(rèn)為最大24 h降雨在3 h內(nèi)降完，最大雨強(qiáng)是3 h平均雨強(qiáng)的2倍且多出現(xiàn)在降雨開始后的1 h。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的5年一遇最大24 h降雨設(shè)計(jì)各測點(diǎn)的降雨過程，認(rèn)為雨強(qiáng)隨時(shí)間的變化呈三角形分布，以1 h為時(shí)間步長，假定土壤的初始含水量為25%，對比穩(wěn)滲速率和時(shí)段雨強(qiáng)，根據(jù)次暴雨過程進(jìn)行坡耕地徑流量計(jì)算，得到各測點(diǎn)的徑流系數(shù)。

表4 各測點(diǎn)最大24 h降雨Table 4 Themax 24 h rainfall at themeasuring points

圖1 5年一遇暴雨雨強(qiáng)分布（重慶萬州）Fig.1 Rainfall intensity occurred once a 5 years（Chongqing W anzhou）

計(jì)算得到各點(diǎn)5年一遇最大24 h降雨該種雨型下各測點(diǎn)的徑流系數(shù)均值為0.53，不同地區(qū)壤中流占總徑流量的比例差別很大，均值為30%，見表5。可以看到四川廣安的徑流系數(shù)最大，該區(qū)5年一遇的降雨量比較大，達(dá)到了甘肅徽縣的2倍。

表5 長江上游各調(diào)查點(diǎn)徑流系數(shù)Tab le 5 Runoff coefficients of the sites

4 結(jié) 論

本次研究以1 h為時(shí)間步長，根據(jù)穩(wěn)滲速率和雨強(qiáng)的相對關(guān)系計(jì)算地表徑流，結(jié)合土層厚度和土壤初始含水量計(jì)算土壤達(dá)到田間持水量需要的水量來計(jì)算壤中流，力求將降雨徑流計(jì)算簡化，為坡面徑流調(diào)控技術(shù)提供數(shù)據(jù)。根據(jù)我國學(xué)者對長江流域的研究得到長江流域各支流的年徑流系數(shù)是0.46［11］，此次計(jì)算的是各點(diǎn)5年一遇24 h最大降雨的徑流系數(shù)，均值為0.53，與年徑流系數(shù)相比偏大；壤中流占總徑流量比例范圍在12.7%～53.86%之間，變化范圍較大。由于沒有實(shí)測資料對壤中流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，還需要在今后的研究中收集數(shù)據(jù)資料進(jìn)行進(jìn)一步研究。

［1］ 張平倉，楊勤科，夏艷華.長江中上游地區(qū)土壤侵蝕機(jī)制及過程試驗(yàn)研究，長江流域資源與環(huán)境［J］.2002，11（4）：376－382.（ZHANG Ping-cang，YANG Qin-ke，XIA Yan-hua.Experimental research on soil erosion mechanism and process in themiddle and upper reach of the Yangtze River［J］.Yangtze River Resources and Environment，2002，11（4）：376－382.（in Chinese））

［2］ 劉光崧.土壤理化分析與剖面描述［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.（LIU Guang-song.Soil Physical and Chemical Analysis and Profile Description［M］.Beijing：China Standard Press，1996.（in Chinese））

［3］ 張愛國，張平倉，楊勤科.區(qū)域水土流失土壤因子研究［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.（ZHANG Ai-guo，ZHANG Ping-cang，YANG Qin-ke.Research on Soil Factor of Regional Soil Erosion［M］.Beijing：Geology Press，2003.（in Chinese））

［4］ HUFF F A.Time distribution of rainfall in heavy storms［J］.Water Resource.Res，1967，3（4）：1007－1019.

［5］ SCHIFF L.Classes and patterns of rainfallwith reference to surface runoff［J］.Trans.Am.Geophys.Union.，1943，24（2）：439－452.

［6］ FOSTER G R，LANE L J.User requirements：USDAWater erosion prediction project（WEPP）［R］.West Lafayette：National Soil Erosion Research Laboratory，1987.

［7］ RAO R A，CHENCHAYYA B T.Probabilistic analysis and simulation of the short time increment rainfall process［R］.Lafayette：Water Resource.Res.Center，Purdue Univ.，1974.

［8］ SCHWAB GO，F(xiàn)ANGMEIER D D，ELLIONT W J，et al.Soil and Water Conservation Engineering［M］.New York：John Wiley＆Sons，Inc.1993：18－47.

［9］ 王萬忠.黃土地區(qū)降雨侵蝕力R指標(biāo)的研究［J］.中國水土保持，1983，（12）：34－40.（WANGWan-zhong.Loess region rainfall erosivity index research［J］.Soil and Water Conservation of China，1983，（12）：34－40.（in Chinese））

［10］王萬忠.黃土地區(qū)降雨特性與土壤流失關(guān)系的研究：降雨侵蝕力指標(biāo)R值的探討［J］.水土保持通報(bào)，1987.（5）：62－64.（WANG Wan-zhong.Research on the relationship between rainfall characteristics and soil erosion in the Loess region［J］.Soil and water conservation bulletin，1987，（5）：62－64.（in Chinese））

［11］林三益.水文預(yù)報(bào)［M］.北京：中國水利水電出版社，1986.（LIN San-yi.Hydrological Forecasting［M］.Beijing：ChinaWater Power Press，1986.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

歐盟第七框架研究項(xiàng)目——土地生態(tài)系統(tǒng)退化與荒漠化防治措施評價(jià)正式啟動(dòng)

目前環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)危機(jī)同時(shí)暴發(fā)，互相影響，尤其是對于資源貧乏、生態(tài)脆弱區(qū)相對封閉的社會，造成了嚴(yán)重的后果，從而引起了社會的廣泛關(guān)注。食物、水和能源安全都依賴于自然資源的可利用程度，當(dāng)然也包括市場、財(cái)政、管理制度、產(chǎn)權(quán)制度、生活方式和其他諸多因素。土壤、水、生物多樣性等有限緊缺的自然資源使決策者面對更為嚴(yán)重的局面，就是如何能使土地盡可能滿足人類的需要。因此，防止土地退化與荒漠化以及保護(hù)資源必須優(yōu)先確保當(dāng)前和將來人類的生存與富裕，特別是在干旱和半干旱地區(qū)。更重要的是針對不同受影響區(qū)域的特殊情況，推行一種不僅科學(xué)合理、而且經(jīng)濟(jì)可行并為社會所接受的解決方案迫在眉睫。

希臘愛琴海大學(xué)正負(fù)責(zé)一個(gè)歐盟資助的4年期新國際研究項(xiàng)目——土地生態(tài)系統(tǒng)退化與荒漠化防治措施評價(jià)，以期在現(xiàn)有相關(guān)自然科學(xué)和社會學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，為這些問題的解決提出新的思路和辦法。本課題研究基礎(chǔ)是20多年歐盟資助和長期國際合作的相關(guān)研究成果，范圍包括土地退化與荒漠化影響范圍及其影響因子，不同影響區(qū)域所采取的可持續(xù)發(fā)展政策和土地管理體制。課題合作單位由來自歐盟國家、摩洛哥和中國的11所大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)組成，將從不同的專業(yè)和學(xué)科角度，全面系統(tǒng)地研究了農(nóng)地、草地和林地等地類土地退化的防治措施及其影響。課題負(fù)責(zé)人Helen Briassoulis教授指出：“這項(xiàng)研究對于在各管理層次上制訂有針對性的、合理和有效的可持續(xù)土地管理和土地利用規(guī)劃以及合理政策至關(guān)重要”。

課題采用生態(tài)系統(tǒng)研究方法探索影響人們選擇土地管理方式及應(yīng)對資源退化的環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、文化和制度因素，并研究制訂評價(jià)各種比選解決方案成本和效益和一系列綜合方法。研究期間將與不同利益相關(guān)者開展廣泛討論，包括當(dāng)?shù)赝恋亟?jīng)營者、決策機(jī)構(gòu)以及聯(lián)合國防治荒漠化公約相關(guān)機(jī)構(gòu)。同時(shí)還將深入研究歐盟和非歐盟國家典型受影響區(qū)域的防治措施。

本課題將評價(jià)防止土地退化的各項(xiàng)政策，并為國際、歐盟及其成員國的各種利益相關(guān)者提供改善環(huán)境和社會福利的各種解決方案的政策建議。本課題的網(wǎng)站（http：／／leddra.aegean.gr／）將展示一個(gè)信息系統(tǒng)，包括海報(bào)、錄像剪輯，可下載的文件，影集和其他媒體文件，來吸引社會公眾的關(guān)注；同時(shí)印發(fā)相關(guān)宣傳品，來滿足不同類型利益相關(guān)者的興趣和需要。

關(guān)于更詳細(xì)的信息，請聯(lián)絡(luò)Helen Briassoulis教授。聯(lián)系方式如下：電話＋30－22510－36411，電子郵件e.briassouli＠aegean.gr。

Research on Rapid Assessment Technique of Slope Surface Runoff

WANG Ai-juan，ZHANG Ping-cang，LIU Hong-hu，REN Hong-yu
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Soil thickness in the upstream region of Yangtze River is thin with a poor water storage capacity.Because of concentrated rainfall，flood and drought disasters occurred alternately.Runoff regulation of reducing soil moisture to control soil erosion should be taken as an important approach forwatershed management.A rapid runoff assessment can provide data support for the runoff regulation.Through field survey and soil samples test，we got thicknesses and physical parameters of different soils in the upstream of Yangtze River，and counted the 24-hour maximum rainfall that encountered oncewithin 5 years.According to the runoff formation theory，the surface runoff coefficient of the counted result is 0.53 and the subsurface runoff occupies amean ratio 30%of the total runoff in different region of the Yangtze River upper reaches.All of these could provide theoretical support for the runoff regulation.

runoff regulation；steady infiltration rate；field capacity；surface runoff；subsurface runoff；field water capacity

S157

A

1001－5485（2010）11－0006－04

2010-09-10

國家科技支撐項(xiàng)目（2008BAD98B02）

王愛娟（1981-），女，寧夏銀川人，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，（電話）027-82927942（電子信箱）wang-ai-juan＠163.com。