云南省坡改梯试点工程水保监测项目人工模拟降雨试验数据分析

徐晓鹏，徐志春，张鼎辉，杨 轩

(1.云南水文水资源局 临沧分局, 云南 临沧 677000； 2.耿马县水务局，云南 耿马 677500)

云南省坡改梯试点工程水保监测项目人工模拟降雨试验数据分析

徐晓鹏1，徐志春2，张鼎辉1，杨 轩1

(1.云南水文水资源局 临沧分局, 云南 临沧 677000； 2.耿马县水务局，云南 耿马 677500)

坡改梯；水土保持监测；数据分析；人工模拟降雨；云南省

云南省坡改梯试点工程水土保持监测项目采用人工模拟降雨试验研究土壤产汇流和侵蚀规律，具有经济性、便捷性、可控性、重现性等优点。以石佛山项目为例，对人工模拟降雨试验数据进行了分析：根据JDZ02型雨量器记录结果，有7场次降雨接近或超过设计雨强，说明在径流小区局部人工模拟降雨雨强是达到设计要求的；而受风速、风向、试验支架架设高度和植被的影响，用加权平均法计算出径流小区内21只普通雨量器的实测面平均雨量均小于设计雨量，相对误差在-62.7%～-27.0%之间。上述结果表明该模拟降雨系统仍存在一定不足，需要进一步改进。此外，还对3个坡地小区和1个梯地小区在人工模拟降雨条件下的产流产沙情况进行了分析。

坡耕地水土流失综合治理是水土流失地区改善农业生产条件和生态环境、可持续利用水土资源、从根本上解决群众长远生存与发展最有效的措施之一，是水土流失地区实现全面建设小康社会目标的基础工程。2010年5月云南省启动了红河、洱源、昌宁、文山、云县等5县水土流失严重山区坡耕地水土流失综合治理试点工程，并在试点工程项目区采用人工模拟降雨设备开展了坡耕地改造项目水土保持监测工作。本研究以试点工程项目之一——云县石佛山坡改梯项目为例，对采用人工模拟降雨设备的模拟降雨试验情况和试验数据进行了分析。

1 人工模拟降雨试验方法

1.1 径流小区布局

野外人工模拟降雨试验要在前期土壤水分不饱和的状态下进行，因此每次模拟降雨试验只能在同一径流小区进行一次降雨过程。为获取更多的野外模拟降雨产汇流及水土流失对比数据，计划在每个项目区的典型坡度——5°～8°、8°～15°、15°～25°分别建设坡地径流小区。径流小区的布设与等高线垂直，根据相关规范和实际条件，径流小区投影面积一般为60 m2，即20 m(顺坡投影长度)×3 m(宽与等高线平行)。云县石佛山坡耕地水土流失综合治理试点工程水土保持监测项目于2010年12月初完成8°、12°、15°三块坡地小区的建设，2011年6月下旬第一次模拟降雨试验后，为方便对比分析，根据工程进展情况在12°坡地小区旁增设一块梯地小区。

1.2 人工模拟降雨系统

此次人工模拟降雨试验采用西安理工大学研制的人工模拟降雨试验系统(图1)。它基于工控组态软件，应用现有的人工模拟降雨试验装置，将试验过程的常用设备和工控软件结合在一起，增加了自动控制环节，通过对控制系统进行改造，解决了手动调节雨强不方便的问题，实现了对不同时段、不同雨强、不同分布的人工模拟降雨系统的手动和自动双控制，采用监控组态系统更好地满足了人工模拟降雨试验的需求。该人工模拟降雨系统可建于自然坡面上，高6 m，降雨试验区长20 m、宽3 m，有效降雨面积60 m2。降雨系统布设在降雨装置支架上，喷头选用与天然降雨雨滴谱最为接近的X型下喷式喷头，由4组不同喷嘴孔径组合而成。为兼顾模拟降雨的均匀性与搭建支架的经济性和安全性，将系统在野外难以架设的固定式方钢支架改为钢管脚手架。顶宽超出径流小区宽度方向两边各0.3 m，顶端横杆按照水管和喷头分布架设，压力控制装置设4个出水管，每管对应同一喷嘴孔径的喷头，共设置4组24个不同喷嘴孔径喷头，支架内部无任何遮挡。压力控制装置可自动、手动控制出水管的全开、全关或部分开启，系统如图1所示。本系统可模拟降雨强度变化范围4～200 mm/h，降雨雨强最小分辨值1.3 mm/h，降雨强度控制精度0.66 mm/h，降雨均匀度>0.95。系统采用先进的闭环自动控制理论和技术，是一种应用交流变频调速器控制的人工模拟降雨自动控制设备，以降雨过程的最终实际降雨参数控制和驱动系统的各个降雨部件，克服了从水源到喷头之间诸多环节对降雨的随机影响。实验室测试结果表明，该设备的主要性能指标优于国内外其他人工模拟降雨系统，是进行土壤产汇流和侵蚀规律研究的重要试验设备[1]。

图1 人工模拟降雨系统示意

1.3 人工模拟降雨雨强

石佛山小流域位于云南省临沧市云县幸福镇幸福村水土保持监测项目区。模拟降雨设计频率及雨强参照幸福雨量站。该站距项目区直线距离2 km，1983年建站，有1983—2010年共28年的完整降雨资料，降雨资料质量可靠，能满足设计暴雨频率分析要求。通过幸福雨量站1 h短历时暴雨频率计算，石佛山小流域100年一遇1 h降雨量为84.8 mm，50年一遇1 h降雨量为77.0 mm，30年一遇1 h降雨量为72.1 mm。人工模拟降雨采用100年一遇1 h降雨过程，暴雨时程分布如表1所示。

表1 石佛山小流域100年一遇1 h降雨过程

1.4 人工模拟面降雨量监测

为监测人工模拟面降雨情况，在径流小区两侧共安装21只20 cm普通雨量器，中心安装JDZ02型自记雨量器记录降雨过程，如图2所示。

图2 人工模拟降雨雨量器设置

2 人工模拟降雨监测结果

2.1 JDZ02型自记雨量器记录结果

人工模拟降雨试验于2011年1月开始，至2012年9月结束，跨2年历时40天，试验时间分别为枯水期两次(第一次、第三次)、主汛期两次(第二次、第四次)。在不同坡度的径流小区分别进行15场次的人工模拟降雨试验，其中3场次因仪器故障无记录，结果见表2，降雨过程见图3。

表2 JDZ02型自记雨量器记录结果

图3 人工模拟降雨JDZ02型自记雨量器记录过程

2.2 普通雨量器监测结果

径流小区人工模拟降雨面降雨量采用普通雨量器监测，用算术平均法计算平均面降雨量。用普通雨量器观测的15场次人工模拟降雨面降雨量计算结果见表3。

2.3 人工模拟降雨产流产沙量监测

人工模拟降雨雨强采用100年一遇1 h降雨雨强。在模拟降雨试验前采用移动墒情监测仪和称重法在各小区距地表10、20、30 cm土层剖面处取土样分别测定前期土壤含水率，并取平均值。产流产沙量的监测是在有径流产生时，每5 min取1个水样，采用加权平均法计算平均含沙量，并用容积法记录产流量。监测结果见表4。

表3 模拟降雨试验面降雨量监测结果

3 试验结果分析

3.1 人工模拟降雨试验降雨监测结果分析

云南省人工模拟降雨试验是全国第一次大规模使用人工模拟降雨系统在野外研究土壤产汇流和侵蚀规律的试验。实验室内的环境与野外环境差距较大，在野外试验虽然是按100年一遇的标准进行人工降雨，但是由于受风速、风向影响较大，加之降雨雨滴与实际还有一定差距，所以部分降雨随风飘落到小区之外，落到小区地面的降雨标准也因此降低。考虑到上述情况，试验都选在无风或轻微风和微风的环境下进行。将径流小区内安装的JDZ02型自记雨量器记录的降雨雨强与设计降雨雨强进行相关性分析，相关系数都在0.6以上(表5)，说明人工模拟降雨过程与设计降雨过程之间存在强相关。

表4 模拟降雨试验径流小区产流产沙监测结果

表5 设计降雨与实测降雨过程相关系数

根据统计学原理，使用Brown-Forsythe检验法[2]检验设计降雨过程与12场次JDZ02型自记雨量器记录降雨过程的差异性，在显著性水平α=0.05下检验结果为各组之间差异不显著。对比设计雨量与JDZ02型自记雨量器记录结果，有7场次降雨接近或超过设计雨强，说明在径流小区局部，人工模拟降雨雨强是达到设计要求的。

对径流小区12场次面降雨量监测结果进行分析，小区内模拟降雨重现期达到10年一遇以上的有7场，以下的有5场，最高重现期为13年一遇，最低为2年一遇。小区内降雨极不均匀，单个普通雨量器收集的降雨量有的大于设计雨强，有的小于设计雨强，特别是小区两侧降雨量与设计雨量误差最大，达到82.5 mm。受风速、风向、试验支架架设高度和植被的影响，用加权平均法计算出径流小区内21只普通雨量器的实测面平均雨量均小于设计雨量，相对误差在-62.7%～-27.0%之间，未达到设计要求。

3.2 径流小区产流产沙情况分析

(1)8°径流小区。由表4知，第一次模拟降雨试验，坡地小区土壤含水率接近饱和、植被覆盖率为0，降雨4 min后开始产流，历时1 h，产流量1.402 m3，产沙量15.6 kg。第二次试验在主汛期进行，土壤含水率接近饱和，小区内种植玉米，植被覆盖率为100%，降雨2 min后开始产流，历时62 min，产流量2.145 m3，产沙量10.2 kg。第三次试验，小区土壤含水率12.16%，植被为杂草和伐倒的玉米植株，植被覆盖率为70%，降雨9 min后开始产流，历时40 min，产流量0.064 m3，产沙量0.015 kg。该次模拟降雨面平均雨量为44.1 mm，仅占设计雨量的48.5%，加之前期土壤含水率低，因此产流量和产沙量都较小。第四次试验，小区内种植的玉米已进入成熟期，植株较高，植被覆盖率为100%。试验时为减小风力对人工模拟降雨的影响，将降雨架高度由6 m减至4 m。降雨27 min后开始产流，历时12 min，产流量0.082 m3，产沙量0.082 kg。该次降雨面平均雨量为59.9 mm，占到设计雨量的70.6%，但是由于小区前期土壤含水率低，仅为9.04%，故产流量和产沙量都较小。

(2)12°径流小区。由表4可知，第一次试验，由于模拟降雨面平均雨量小(31.6 mm)，虽然前期土壤含水率高达15.03%，但该次降雨条件下该小区未产流。第二次试验，小区前期土壤含水率已接近饱和，植被覆盖率达100%，降雨2 min后开始产流，历时58 min，产流量1.513 m3，产沙量20.9 kg。第三次试验，小区前期土壤含水率11.41%、植被覆盖率70%，降雨11 min后开始产流，历时42 min，产流量0.156 m3，产沙量0.044 kg。该次模拟降雨面平均雨量较大，占到设计雨量的71.3%，但是由于前期土壤含水率低，故产流量和产沙量都较小。第四次试验，小区植被覆盖率100%，降雨31 min后开始产流，产流时间5 min，产流量0.010 m3，产沙量0.004 kg。该次模拟降雨面平均雨量达到50.9 mm，占到设计雨量的60.0%，但是受土壤含水率仅为10.59%的影响，产流量和产沙量都较小。

(3)15°径流小区。由表4可知，第一次试验，小区前期土壤含水率为16.05%、植被覆盖率为0，降雨30 min后开始产流，历时10 min，产流量0.016 5 m3，产沙量0.133 kg。第二次试验，土壤含水率已接近饱和，达20.65%，小区植被覆盖率60%，降雨7 min后开始产流，产流53 min，产流量0.629 m3，产沙量10.6 kg。第三次试验在冬季进行，小区植被覆盖率为80%，由于前期土壤含水率低(10.41%)、面平均雨量偏小(43.3 mm)，因此该次降雨在该小区未产流。第四次试验，小区植被覆盖率100%，人工模拟降雨60 min未产流，为检验产流情况，在12:15将人工模拟降雨装置闸门全开，以最大降雨强度连续降雨5 min，于降雨64 min后开始产流，产流5 min，产流量0.022 m3，产沙量0.036 kg。该次模拟降雨历时65 min，面平均雨量达到61.1 mm，占到设计雨量的72.1%，受前期土壤含水率(10.74%)较低、植被覆盖率较高影响，该小区产流量和产沙量都较小。

(4)梯地径流小区。由表4可知，梯地径流小区第一次试验在主汛期进行，前期土壤含水率为17.46%，植被覆盖率为20%，降雨2 min后开始产流，产流48 min，产流量1.146 m3，产沙量1.93 kg。第二次试验在冬季进行，小区前期土壤含水率8.09%，植被覆盖率90%，模拟降雨面平均雨量为58.5 mm，由于前期土壤含水率过低，该次降雨在该小区未产流。第三次试验在9月份进行，前期土壤含水率为8.48%，植被覆盖率为100%，模拟降雨面平均雨量为54.1 mm。该次试验该小区未产流，其主要原因也是梯地小区前期土壤含水率过低。

4 结 语

(1)人工模拟降雨装置在实验室内可取得较为理想的降雨成果，在野外试验虽然是按100年一遇的标准进行人工模拟降雨，但受风速、风向、支架架设高度和植被的影响，加之降雨雨滴与实际还有一定差距，部分降雨随风飘落到小区之外，落到径流小区地面的降雨量相对减少，面平均降雨强度因此降低，但局部降雨强度达到设计要求，这说明该模拟降雨系统仍存在一定不足，需要进一步改进。

(2)在相同坡度、相同暴雨条件下，无植被覆盖或植被覆盖率低的径流小区产流、产沙量更大，说明提高地表植被覆盖率可以有效涵养水源、减轻土壤侵蚀，同时在前期土壤含水率高的情况下，也更容易出现产流产沙。此外，将坡地改为梯地，并增加相应植被覆盖率对减少水土流失的效果是非常明显的。

[1] 张慧玲.人工模拟降雨自动控制系统的研究[D].西安:西安理工大学,2007:Ⅰ.

[2] 周园园,师长兴,范小黎,等.国内水文序列变异点分析方法及在各流域应用研究进展[J].地理科学进展,2011,30(11):1361-1369.

(责任编辑 李杨杨)

S157

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1000-0941(2015)02-0040-04

徐晓鹏(1977—)，男，云南临沧县人，工程师，学士，主要从事水文勘测工作。

2014-10-11