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(wù)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(wù)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(jì)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(jìn)行了分析：根據(jù)JDZ02型雨量器記錄結(jié)果，有7場次降雨接近或超過設(shè)計雨強，說明在徑流小區(qū)局部人工模擬降雨雨強是達(dá)到設(shè)計要求的；而受風(fēng)速、風(fēng)向、試驗支架架設(shè)高度和植被的影響，用加權(quán)平均法計算出徑流小區(qū)內(nèi)21只普通雨量器的實測面平均雨量均小于設(shè)計雨量，相對誤差在-62.7%～-27.0%之間。上述結(jié)果表明該模擬降雨系統(tǒng)仍存在一定不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)。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(jìn)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(yuǎn)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(shè)小康社會目標(biāo)的基礎(chǔ)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(yán)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(shè)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(shè)備的模擬降雨試驗情況和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行，因此每次模擬降雨試驗只能在同一徑流小區(qū)進(jìn)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(shè)坡地徑流小區(qū)。徑流小區(qū)的布設(shè)與等高線垂直，根據(jù)相關(guān)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(shè)，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(jìn)展情況在12°坡地小區(qū)旁增設(shè)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(xué)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(yīng)用現(xiàn)有的人工模擬降雨試驗裝置，將試驗過程的常用設(shè)備和工控軟件結(jié)合在一起，增加了自動控制環(huán)節(jié)，通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決了手動調(diào)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(shè)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(jì)性和安全性，將系統(tǒng)在野外難以架設(shè)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(shè)，壓力控制裝置設(shè)4個出水管，每管對應(yīng)同一噴嘴孔徑的噴頭，共設(shè)置4組24個不同噴嘴孔徑噴頭，支架內(nèi)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(guān)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(jìn)的閉環(huán)自動控制理論和技術(shù)，是一種應(yīng)用交流變頻調(diào)速器控制的人工模擬降雨自動控制設(shè)備，以降雨過程的最終實際降雨參數(shù)控制和驅(qū)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(jié)果表明，該設(shè)備的主要性能指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)外其他人工模擬降雨系統(tǒng)，是進(jìn)行土壤產(chǎn)匯流和侵蝕規(guī)律研究的重要試驗設(shè)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(shè)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(zhì)量可靠，能滿足設(shè)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(cè)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(shè)置

2 人工模擬降雨監(jiān)測結(jié)果

2.1 JDZ02型自記雨量器記錄結(jié)果

人工模擬降雨試驗于2011年1月開始，至2012年9月結(jié)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(jìn)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(jié)果見表2，降雨過程見圖3。

表2 JDZ02型自記雨量器記錄結(jié)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(jié)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(shù)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(jié)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(quán)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(jié)果見表4。

表3 模擬降雨試驗面降雨量監(jiān)測結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 人工模擬降雨試驗降雨監(jiān)測結(jié)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工降雨，但是由于受風(fēng)速、風(fēng)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(fēng)飄落到小區(qū)之外，落到小區(qū)地面的降雨標(biāo)準(zhǔn)也因此降低?？紤]到上述情況，試驗都選在無風(fēng)或輕微風(fēng)和微風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行。將徑流小區(qū)內(nèi)安裝的JDZ02型自記雨量器記錄的降雨雨強與設(shè)計降雨雨強進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)都在0.6以上(表5)，說明人工模擬降雨過程與設(shè)計降雨過程之間存在強相關(guān)。

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

表5 設(shè)計降雨與實測降雨過程相關(guān)系數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，使用Brown-Forsythe檢驗法[2]檢驗設(shè)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(jié)果為各組之間差異不顯著。對比設(shè)計雨量與JDZ02型自記雨量器記錄結(jié)果，有7場次降雨接近或超過設(shè)計雨強，說明在徑流小區(qū)局部，人工模擬降雨雨強是達(dá)到設(shè)計要求的。

對徑流小區(qū)12場次面降雨量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，小區(qū)內(nèi)模擬降雨重現(xiàn)期達(dá)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(nèi)降雨極不均勻，單個普通雨量器收集的降雨量有的大于設(shè)計雨強，有的小于設(shè)計雨強，特別是小區(qū)兩側(cè)降雨量與設(shè)計雨量誤差最大，達(dá)到82.5 mm。受風(fēng)速、風(fēng)向、試驗支架架設(shè)高度和植被的影響，用加權(quán)平均法計算出徑流小區(qū)內(nèi)21只普通雨量器的實測面平均雨量均小于設(shè)計雨量，相對誤差在-62.7%～-27.0%之間，未達(dá)到設(shè)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(jìn)行，土壤含水率接近飽和，小區(qū)內(nèi)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(shè)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(nèi)種植的玉米已進(jìn)入成熟期，植株較高，植被覆蓋率為100%。試驗時為減小風(fēng)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(shè)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(dá)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(dá)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(shè)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(dá)到50.9 mm，占到設(shè)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(dá)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(jìn)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(dá)到61.1 mm，占到設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jié) 語

(1)人工模擬降雨裝置在實驗室內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工模擬降雨，但受風(fēng)速、風(fēng)向、支架架設(shè)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(fēng)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(dá)到設(shè)計要求，這說明該模擬降雨系統(tǒng)仍存在一定不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

(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(yīng)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(xué),2007:Ⅰ.

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

(責(zé)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(xué)士，主要從事水文勘測工作。

2014-10-11