范力強(qiáng)

（黑龍江柏蘭工程咨詢有限責(zé)任公司，哈爾濱 150001）

人工模擬降雨開展工程擾動(dòng)環(huán)境下土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)

范力強(qiáng)

（黑龍江柏蘭工程咨詢有限責(zé)任公司，哈爾濱 150001）

近年來(lái)，人工模擬降雨技術(shù)在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中得到了一定應(yīng)用。文章以鶴大國(guó)家高速公路佳木斯至牡丹江段擴(kuò)建工程水土保持監(jiān)測(cè)為例，采用人工模擬降雨系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)土地單元和整治土地單元分別進(jìn)行了觀測(cè)，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)前后兩個(gè)階段土壤侵蝕量的變化給予剖析，以期為同類項(xiàng)目應(yīng)用提供借鑒。

人工模擬降雨；擾動(dòng)土地單元；整治土地單元；土壤侵蝕；強(qiáng)度監(jiān)測(cè)；實(shí)驗(yàn)?zāi)康模粚?shí)驗(yàn)環(huán)境

1 實(shí)驗(yàn)的目地與意義

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)是水土保持監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前使用的監(jiān)測(cè)手段都不可避免的存在簡(jiǎn)單粗略、主觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度低、系統(tǒng)性差的弊端。同時(shí)，由于取樣周期長(zhǎng)，不能反映例次降雨過(guò)程的坡面水沙輸出動(dòng)態(tài)；設(shè)施環(huán)境遷移多變，不能保證觀測(cè)平臺(tái)的可復(fù)制性，難以形成各種處理的交叉對(duì)比，極大制約了擾動(dòng)土地水土流失規(guī)律的研究。

近十幾年來(lái)，傳統(tǒng)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(dòng)、填挖和占?jí)旱乇頌榍治g形式，在侵蝕的下墊面特征、發(fā)育機(jī)理、演進(jìn)形態(tài)上與自然侵蝕過(guò)程相差迥異，因此，已有的土壤侵蝕研究成果無(wú)法準(zhǔn)確定義和描述其侵蝕過(guò)程，迫切需要提出一套相對(duì)全面的侵蝕環(huán)境數(shù)據(jù)，為該領(lǐng)域水土流失分析與評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持，為優(yōu)化配置水土流失防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

采用人工模擬降雨系統(tǒng)開展工程擾動(dòng)環(huán)境下土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，從生產(chǎn)建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)踐來(lái)看，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也具有其生產(chǎn)指導(dǎo)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(cè)方法和手段沒(méi)有得到突破和創(chuàng)新，測(cè)釬法、溝蝕法、沉砂池法和簡(jiǎn)易徑流小區(qū)觀測(cè)法都具有選址難、操作性差、難于保護(hù)和精度低的特點(diǎn)，很難真實(shí)反映由于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕量。此外，部分開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)工作開展滯后，監(jiān)測(cè)人員進(jìn)場(chǎng)前的數(shù)據(jù)無(wú)法有效追溯，實(shí)際工作中往往采取類比工程法，但類比工程數(shù)據(jù)也缺乏事實(shí)依據(jù)，因此類比結(jié)果并不理想。人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)可有利于填補(bǔ)該項(xiàng)空白，為人為水土流失評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)、揭示工程擾動(dòng)環(huán)境下土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律提供豐富的數(shù)據(jù)積累。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件

2.1 設(shè)備規(guī)格及實(shí)驗(yàn)原理

人工模擬降雨控制系統(tǒng)選取專業(yè)生態(tài)公司研發(fā)的成品設(shè)備，人工模擬降雨機(jī)降雨面積2m×6m，降雨高度2～4m可調(diào)整。實(shí)驗(yàn)方法采用閉環(huán)控制法，在降雨區(qū)布設(shè)的雨量計(jì)實(shí)監(jiān)測(cè)降雨強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制臺(tái)，與設(shè)定的雨強(qiáng)值進(jìn)行逼近式對(duì)比分析，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓閥等組件，改變供水水壓及流量，從而更方便準(zhǔn)確地模擬不同雨強(qiáng)的自然降雨［1］。

2.2 不同擾動(dòng)類型單元設(shè)計(jì)

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)類型、擾動(dòng)強(qiáng)度及其空間分異特征，經(jīng)綜合分析，各擾動(dòng)類型可初步概括為以下4類單元：①土質(zhì)低堆方：堆體高度＜3m，邊坡表面物理性狀以均質(zhì)土壤為主；②土質(zhì)高堆方：堆體高度＞3m，以均質(zhì)土壤為主的堆方邊坡；③土質(zhì)開挖面：土質(zhì)基礎(chǔ)經(jīng)開挖后形成的挖方坡面；④平臺(tái)及閉合區(qū)：經(jīng)場(chǎng)地清理平整、挖填擾動(dòng)、占?jí)浩茐暮笮纬傻牡乇砥骄彽穆懵秴^(qū)域。

2.3 觀測(cè)內(nèi)容

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》的要求，結(jié)合野外監(jiān)測(cè)工作實(shí)踐，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)內(nèi)不同措施防護(hù)地段、不同擾動(dòng)類型單元分別設(shè)計(jì)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，獲取其侵蝕量數(shù)據(jù)。分析無(wú)防護(hù)措施和有防護(hù)措施的監(jiān)測(cè)小區(qū)侵蝕強(qiáng)度差異，計(jì)算各類擾動(dòng)單元的侵蝕強(qiáng)度、各項(xiàng)防護(hù)措施的減蝕量和減蝕效果，進(jìn)而評(píng)價(jià)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治效果［2］。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象工程背景

本實(shí)驗(yàn)與開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)緊密結(jié)合，并作為土壤侵蝕強(qiáng)度指標(biāo)觀測(cè)的補(bǔ)充手段。實(shí)例項(xiàng)目選擇鶴大國(guó)家高速公路佳木斯至牡丹江段擴(kuò)建工程，工程由主線、連接線、輔道組成：主線全長(zhǎng)266.2km，途經(jīng)佳木斯市、七臺(tái)河市、雞西市、牡丹江市4個(gè)行政區(qū)。工程于2009年5月開工建設(shè)，2011年9月建成試運(yùn)行。水土保持監(jiān)測(cè)工作于2012年5月正式啟動(dòng)，屬運(yùn)行期監(jiān)測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 擾動(dòng)土地單元人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)

本工程地處水力侵蝕區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)按不同擾動(dòng)單元類型共設(shè)立了10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并從當(dāng)?shù)厥锌h30a序列降雨數(shù)據(jù)中概化甄選出各單元所在地區(qū)的典型降雨特征值（降雨出現(xiàn)機(jī)率大于30%）做為模擬降雨實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)共完成10次模擬降雨，取得10項(xiàng)水蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)，基本擾動(dòng)類型侵蝕強(qiáng)度見表1。

表1 基本擾動(dòng)類型侵蝕強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在建設(shè)期水力侵蝕監(jiān)測(cè)中，侵蝕強(qiáng)度在空間變化上與下墊面構(gòu)成、堆挖形態(tài)、微地形坡面比降密切相關(guān)，在時(shí)間變化上與降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度消長(zhǎng)同步。綜合監(jiān)測(cè)成果：在各類地表擾動(dòng)類型中，土質(zhì)高堆方侵蝕強(qiáng)度最大，侵蝕強(qiáng)度為762～770t／km2·（次降水）；土質(zhì)低堆方邊坡次之，侵蝕強(qiáng)度為637～724t／km2·（次降雨）；平臺(tái)及閉合區(qū)侵蝕強(qiáng)度最小，侵蝕強(qiáng)度為121～155t／km2·（次降雨）。

4.2 土地整治單元模擬降雨數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)區(qū)按不同整治單元類型共設(shè)立了12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，降雨特征值與上述擾動(dòng)單元所在地的降雨指標(biāo)逐一對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)共完成12次模擬降雨，取得12項(xiàng)水蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

防治措施實(shí)施后基本擾動(dòng)類型侵蝕強(qiáng)度見表2。由表2可得出結(jié)論：①水土流失防治措施實(shí)施后各擾動(dòng)類型區(qū)的侵蝕強(qiáng)度均發(fā)生明顯下降，土質(zhì)高堆方類型區(qū)土工格室透水防護(hù)的立交區(qū)跨線橋邊坡的侵蝕強(qiáng)度下降最為顯著，侵蝕強(qiáng)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(zhì)開挖面類型區(qū)拱形透水防護(hù)的主輔線路塹開挖面，減蝕率為88.37%。③土質(zhì)低堆方類型區(qū)灌草防護(hù)的主輔線低路基邊坡，減蝕率為87.81%。④平臺(tái)及閉合類型區(qū)進(jìn)行灌草綠化的施工生產(chǎn)生活區(qū)，減蝕率為74.50%。

表2 防治措施實(shí)施后基本擾動(dòng)類型侵蝕強(qiáng)度

由此可見，防治措施對(duì)土質(zhì)高堆方和土質(zhì)開挖面類型區(qū)的防護(hù)效果最好，土質(zhì)低堆方類型區(qū)的防護(hù)效果次之，平臺(tái)及閉合類型區(qū)防護(hù)效果較低。其主要原因是平臺(tái)及閉合類型區(qū)多依靠植被自然恢復(fù)，土地整治標(biāo)準(zhǔn)較低，且短期內(nèi)植被難以快速郁閉，隨著時(shí)間推移，該區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度會(huì)持續(xù)回落。各類型區(qū)防護(hù)效果見表3。

表3 各類型區(qū)防護(hù)效果 t／km2·次降雨

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)在一定程度上可作為水土保持監(jiān)測(cè)補(bǔ)充手段，用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)與分析。該方法具有操作簡(jiǎn)便、移動(dòng)快捷、不受地形及施工環(huán)境制約、數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠的特點(diǎn)，可與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法互補(bǔ)驗(yàn)證。目前本方法所取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)僅限于次降雨水平的土壤侵蝕強(qiáng)度指標(biāo)，如何由次降雨向年降雨推演，繼而提高這種方法與實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)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(yīng)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(shù)研究綜述［J］.中國(guó)農(nóng)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(qiáng)（1979－），男，遼寧錦州人，工程師，從事水土保持方案編制、監(jiān)測(cè)和技術(shù)服務(wù)工作。