关于径流小区若干技术问题的研究

2016-07-21左长清郭乾坤

中国水土保持 2016年6期

关键词：技术问题

左长清，郭乾坤

(中国水利水电科学研究院/水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048)

关于径流小区若干技术问题的研究

左长清，郭乾坤

(中国水利水电科学研究院/水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048)

[摘要]作为水土流失定量观测常用的技术方法，径流小区法广泛应用于世界各地。我国也修建了众多径流小区并取得了丰富的研究成果。然而，目前在径流小区建设和观测过程中仍存在一些亟待解决的技术问题，如：径流小区规格不统一、选址及布设代表性不强、修筑不标准、量水设施无校核率定、数据采集与取样操作不规范、记录整理与小区维护管理不规范等。这些问题影响了观测数据的准确性，也降低了研究成果的适应性。针对以上问题，提出了四条应对措施及建议：完善技术规范，优化顶层设计；明确小区标准，确立比较效应；以需求定规模，完善基础设施；编制操作规程，培训观测人员。

1径流小区发展简史

1.1径流小区的由来

径流小区是水土流失定量定位观测的基础，是获取当地径流泥沙量最常用、最准确、最经典的方法之一。早在19世纪后期，德国科学家Ewald Wollny为开展土壤侵蚀研究修建了坡面径流小区，这是世界范围内首次运用径流小区方法研究水力侵蚀[1]。此后，美国学者于1912年开始运用径流小区观测土壤侵蚀[2]，当时的小区面积为4 hm2。由于这种径流小区面积较大，观测较为复杂，故1917年Miller教授在密苏里州的研究[3]将小区面积改为0.005 hm2，即6 ft(1.83 m)宽、90.75 ft(27.66 m)长。随后，被称为美国水土保持之父的Bennett教授，先后在美国范围内建立了10个试验站，沿用了Miller的小区观测方法[4]开展了水土流失研究。Cook[5]教授于1936年运用径流小区观测资料，开始了美国土壤侵蚀定量研究。到了1954年，为了解决大量增加的试验数据的可比性及方程的区域局限性，美国农业部在普渡大学(Purdue University)成立了国家水土流失资料中心，并于1956年以农业手册282号的形式正式出版了通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)，于1978年发表了537号新版USLE方程，1997年发表了703号修订通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)，用于指导土壤侵蚀研究工作[4]。随着研究的深入，径流小区法在欧洲、澳洲、非洲等地土壤侵蚀研究中也得到了广泛的应用，如Cerdan等[6-9]曾对欧洲、澳洲和非洲等地径流小区法的研究成果进行了相应的汇总与报道。

1.2我国径流小区的发展状况

我国运用径流小区法进行水土流失定量观测的研究始于1922年，在美国科学家Lowdermilk的帮助下，在山西的沁源、宁武和山东的青岛等地分别修建了径流小区以观测森林植被对土壤流失的影响。1941年，我国分别在甘肃天水市和陕西西安市长安区建立了陇南水土保持试验区和关中水土保持试验区。1951年和1952年黄河水利委员会分别在甘肃西峰和陕西绥德建立了水土保持试验站，这便与早期建成的天水站共同组成了黄河水利委员会如今的三大水土保持试验站。随后，福建长汀和安溪、江西兴国、湖北黄冈、湖南衡阳、山东沂蒙等地也相继建立了坡面径流小区。尤其以1973年中国科学院水保所在陕西安塞建立的水土保持综合治理试验基地最具代表性，建设了各种径流小区160多个，有的至今还在观测中[10]。1980年之后，我国的水土保持研究事业进入了一个快速发展的阶段，全国各地纷纷建立了数量众多的径流小区，这些小区的实测数据为我国水土流失定量研究和水土保持效应评价提供了有力的支撑，大大促进了我国水土流失方程和水土保持效应评价模型的发展。主要成果包括以下几个方面：一是研究了降雨、径流和土壤侵蚀量之间的关系，推算出各地各种土壤类型的水土流失量，获得了水土保持单项及多项措施对水土流失的影响及其减水减沙、蓄水保土效益数据；二是研究了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形(坡度、坡长)、植被覆盖、工程措施、耕作方式等相关因素对水土流失的贡献率，并以此为基础，构建了区域性的水土流失方程；三是探索了将径流小区观测资料应用到坡面乃至流域尺度，进行坡面和流域尺度侵蚀量计算的可行性分析，推算建立了流域产沙与径流模型。

各地学者根据本地区径流小区的观测结果，以USLE等广泛应用的模型为蓝本，结合区域的实际情况，构建了许多适用于当地尺度的土壤侵蚀预报模型，为探索区域尺度水土流失规律、制定当地水土保持综合治理措施提供了重要的参考。目前，我国较为常见的区域性土壤侵蚀方程有花岗岩地区[11]、红壤地区[12-13]、北京山区[14]、黑土地区[15]、辽北低山丘陵区[16]、滇东北山区坡耕地[17]、东南沿海地区[18]、沂蒙山区[19]、广东沿海地区[20]、黄土高原坡耕地[21]土壤侵蚀方程，其中刘宝元等[22]建立的中国水土流失方程被推荐用于全国水土流失专项普查。但由于地域辽阔，不同区域的自然条件差异较大，而且我国现有小区的设计标准、修建方式、采样方式等均不统一，难以像美国那样利用全国各地径流小区观测资料构建一个全国性的土壤侵蚀测报模型。为了解决这一问题，2000年水利部水土保持监测中心启动了“全国水土保持监测网络和信息系统建设项目”，项目分两期实施，在全国共建立了738个监测点，其中：观测场40个、小流域控制站338个、坡面径流场316个、风力侵蚀监测点31个、重力侵蚀监测点4个、混合侵蚀监测点5个、冻融侵蚀监测点4个。通过这些措施对全国观测站点进行了相对合理的布局，但在径流小区建设过程中仍存在着诸多技术问题亟待解决。

2常见的技术问题

2.1径流小区规格不统一

在我国建立的径流小区大体可分为两类：一类是为探索水土流失规律或建立土壤流失预报方程而修建的标准径流小区；另一类是为研究水土保持效应或比较各种措施优劣而修建的对比径流小区。无论进行哪类研究，都必须基于一个可以进行比较的基准平台。美国之所以能够建立通用土壤流失方程，是因为美国规定坡度为9%，水平投影坡长为22.13 m，连续保持清耕状态且实行顺坡耕作的小区为标准小区这样一个基准平台。但在我国还没有形成一个统一的基准平台或标准规定，导致各地建立的水土流失方程只能代表当地的某一特定状态，对域外地区的指导作用有限。我国学者在研究不同区域的水土流失规律或后期制定相关水利行业技术标准时，确定了标准小区的特征(表1)。由表1可以看出：我国径流小区的坡长大体取值20 m，有的并未标明是水平投影还是实际坡长；宽度为2～5 m；坡度则无定值，差别较大，目前尚无一个公认的标准。

表1　我国不同地区径流小区基本情况

2.2径流小区选址及布设代表性不强

径流小区选址是一件宏观而又具体的工作：从宏观方面而言，有区域代表性、水土流失类型代表性和土壤性状代表性等；从具体方面而言，有自然条件相似性、基础条件稳定性等。这既能反映观测站点的地位和作用，又是获取准确观测数据的基础，还是关系观测站点生命力的关键要素。从现有的径流小区布局来看，还存在着空间布局不合理的情况：一些重要的区域和水土流失类型区径流小区布设还为空白，不能满足水土流失监测需求；有的已建成径流小区代表性不强，不能全面反映该区域水土流失类型；有的布设小区没有重视地形和方位的变化，如围绕一个山包或不同坡位而建等，同一场降雨受风力的影响可能产生不同的受雨量，影响观测精度和对比结果。另外，径流小区选址还应该考虑该处的基础条件，如土地权属清晰、群众基础好等，最好是利用已有的水文站点、科研院所试验点或重点治理工程监测点。若选择新址，尤其要重视明确土地使用权属问题，避免土地纠纷，以免影响后续工作，如贵州省下司水土保持监测点历时两年未能解决用地问题[27]，类似这样的问题在全国还比较突出。

2.3径流小区修筑不标准

径流小区的修筑是获取准确观测数据的重要环节。目前修筑径流小区存在的主要问题：一是在修筑过程中对小区下垫面处理不够重视，往往忽略了在修筑小区时必须保持整地措施、修筑工艺和程序的一致性。选择布设小区的坡面多凹凸不平，甚至起伏较大，因此修筑小区时需要修整坡面。由于没有具体规定，有的小区的开挖面很大，甚至为了保持一定坡度而上挖下填，上面造成心土出露，下面形成的松土也未碾压至原状土壤容重而改变了土壤结构，影响径流入渗和土壤侵蚀量的收集。二是小区的防护不能满足需求。小区的防护措施有边墙和保护带。小区边墙多由水泥、砖块、混凝土预制件或金属板等材料修筑成矩形，高出地面20～30 cm用于阻挡外来地表径流进入，埋入地下30～40 cm用于阻隔小区内的地下径流流出。一般单面边墙多修成刀刃形斜角，斜面向外；连体边墙多做成V形用于排水，防止多余的水量进入。许多径流小区边墙在修筑时没有达到这些标准要求，影响了地表径流的观测精度。三是径流小区周边保护带或隔离带设置不能满足要求。设置保护带或隔离带的目的是防止牲畜和人为破坏，消除边际影响。保护带一般宽度为2 m，且保持与周边自然环境的一致性，必要时外围还可设置栅栏防护。而现有很多小区保护带的宽度和防护效果不能满足此标准要求，且人畜可自由出入，导致观测设施损毁，影响观测质量。四是小区下端的集流槽设置不规范或根本没有。集流槽是用来平顺承接小区的地表径流和泥沙的收集装置，该集流槽上沿必须保持与小区下坡面同高，槽底向出水口倾斜，斜度最好达到泥沙不发生沉积为宜。而现有的观测小区绝大部分不能满足此要求：有的小区因坡面沉降，导致集流槽高出坡面而不能承接径流泥沙；有的干脆不设集流槽而直接导入出水口；还有的图省事，将地表径流泥沙直接引入封闭的铁皮三角斗内，然后再接入集流桶，造成大量泥沙滞留在三角斗内，致使测出的土壤侵蚀量偏小。凡此种种，采集的资料不能客观地反映真实情况。

2.4量水设施无校核率定

量水设施是获取定量观测数据最有效的装置。它由引流槽或引流管、径流池或集流桶、分流堰或分流孔、分流池(桶)和量水标尺等几个部分组成。当地表径流泥沙通过集流槽汇集由引流管进入径流池后，径流池便成为重要的量水设施。它的容量一般都是按照当地50年一遇降雨标准设计的，当然还要参考当地的最大径流系数，以最大一次降雨过程中最大一次产流系数计算不溢流为准。在这一环节，通常会出现径流池偏大或偏小的情况，如径流池偏大会造成浪费，也给观测操作带来不便，如径流池偏小会产生溢流而不能进行有效量测。一般在降雨量较大的地区应考虑分流，在降雨量特大的地区还应考虑多级分流。常用的分流方法有量水堰和多孔分流。在这一环节常出现分流堰计算误差、分流堰安装不水平等问题造成分流不准确。一般情况下，分级越多，产生误差的可能性越大。因此，量水设施建成后在观测之前必须进行率定校正。另外，一些地方在取样或清洗过程中，搬动或挪移集流桶产生位移，不能回归原位。如果是这样，就必须再一次进行率定校正，否则，由此产生的实际误差是不可弥补的。再就是多孔分流有很多不在同一水平面上，分流管长短及倾斜角度不一，间距不一，这些都会影响分流质量和观测精度。

2.5数据采集与取样操作不规范

数据采集与取样操作是野外获得准确的观测数据的最后一个环节。一般数据采集方法主要可以分为传统方法和现代方法两类。现代方法主要包括振动法、光电法、γ射线法、超声法和激光法等，这些方法大多可以直接读取数据，比较省事[28]，但受野外条件和仪器设备成熟度的影响，绝大多数还处于试验研究阶段，未能得到广泛的应用和认可。现在全国各地绝大部分径流小区数据采集仍然采用传统方法。传统方法现场只有部分自计记录仪，只能实现径流池水量的数据采集，而泥沙部分都需要取样分析。一般情况下，取样量越大，频次越多，效果越好。每次降雨后都要全面收集水土流失量，包括集流槽滞留的泥沙、径流池和分流桶内的悬移质与推移质。收集的集流槽滞留泥沙和推移质，如果量小可直接烘干称重，如果量大则需要取样烘干称重。对于悬移质部分，如果量小不必分层取样，将集流桶和分流桶中的浑水搅匀后取出样品，如果量大最好采取分层取样的方法，取样时先将池中的水样搅匀，用滤纸过滤再烘干称量[29-30]。这一环节容易出现问题的地方，一是集流槽滞留的泥沙漏测；二是径流池中的水样搅拌不均匀，或取样时候把握不准，取样代表性不强等；三是将沉积在池底边角的泥沙丢弃，造成取样不全而引起土壤侵蚀量测定值偏小，不能客观地反映真实情况。

2.6记录整理与小区维护管理需要加强

取样记录要采用统一设计的原始记录表，详细准确地记录每项观测内容和取样量，并进行及时复核。此外，还要对各小区措施是否有损毁、植物生长情况(如植物高度、郁闭度、覆盖度等)、人为活动情况(如翻耕、整地、种植、收获等关键时期)予以记录整理，以便后续查验分析。

为了确保观测获得准确的数据，管理人员应经常到小区巡查，重点检查小区周边是否有影响径流的情况、观测装置是否损坏开裂、集流装置是否渗漏，一旦发现问题及时处理。特别是在大风大雨天气更要外出巡查，防止树叶杂物等阻挡分流堰孔，一旦出现这样的情况要及时排除，以免影响观测精度。

3应对措施及建议

综上，全面分析了我国径流小区在建设和运行过程中存在的若干常见的技术问题，这些问题的存在极大地影响了观测数据的准确性，也大大地降低了研究成果的适应性。为了改变这种地域分割、项目分散、质量水平较低、数据成果不能共享的被动局面，提出以下应对措施及建议，与同仁们共同研究商讨。

3.1完善技术规范，优化顶层设计

到目前为止，我国涉及径流小区的技术规范有1988年制定的《水土保持试验规范》(SD 239—87)[31]，2002年颁布的《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)[25]，2007年颁布的《水土保持试验规程》(SL 419—2007)[26]等。这些行业规范并没有全面反映径流小区的技术要素，也没有区分径流小区的性质。因此，目前我国迫切需要进一步完善径流小区技术规范，必要时制定专门的径流小区技术标准。

我国现已建立738个水土保持监测点、104个水土保持科技示范园，再加上各有关研究课题布设的径流小区，径流小区总数已达数千个。在这个基础上，按照全国一盘棋的思想优化顶层设计，根据不同区域、不同水土流失类型、不同土壤状况和不同水土保持措施等进行径流小区布设，坚持数年，定能建立中国的通用土壤流失方程。

3.2明确小区标准，确立比较效应

美国之所以能建立通用土壤流失方程，是因为美国规定了标准径流小区。根据我国的具体情况，比如规定标准小区的水平投影坡长为20 m，水平垂直宽度为5 m，即20 m×5 m；坡度不作硬性规定，5°～25°均可，只要能代表当地通常的农耕地状态和生产习惯就行；必须犁耕到正常耕作深度，犁耕后即实施耕耙整平，必要时应破除结皮；将连续保持清耕状态的小区作为标准小区，与之相对应的小区就是一般措施小区，它的投影面积、坡度坡长、坡位坡向和操作流程均应与标准小区一致，不同之处只有处理措施。标准小区观测的数据既可用于建立中国的通用土壤流失方程，亦可作为当地的对照参数，用于水土流失规律研究和水土保持效益计算。这样，使标准小区和一般措施小区在一个相对标准统一的平台上进行比较，才有可比性，才能得出令人信服的比较效应。

3.3以需求定规模，完善基础设施

按照全国水土保持分区，结合行政管理区域和已具备条件的监测站点进行总量控制。一级分区结合流域中心站、二级分区结合省级行政辖区、三级分区结合科技示范园，都应布设监测站点，特别类型区可增设监测站点。以这些站点作为基本框架，进行连续、长期的观测。不足部分可依托已有的基础设施和相关研究课题补充完善，待其完成使命后，可以转移或撤销。一般情况下，区域代表性越大、重要性越强的站点，布置的观测小区应越多，观测的内容应越丰富。

新建径流小区既要按规范要求，也要充分利用当地的基础条件，如结合现有的水文站点、科研院所试验点及重点工程监测点，达到费省效宏的目的。对于现有径流小区要进行校核分析，不能满足观测需要的要改建。特别要注意下垫面处理要达到与当地的土质条件一致，周边的不利影响要消除，小区内的径流入渗要平顺通畅，收集的径流泥沙要全面，设施要完好，开裂损坏的要及时修复，力求做到真实、客观、准确。

3.4编制操作规程，培训观测人员

各站点要重视管理制度建设和技术人员培训。凡是可能影响数据质量和成果水平的，如取样、清洗、率定等具体工作，都要编制操作规程，严格操作程序。针对试验的内容，明确影响因子，统一制作记录表格，防止漏测和错测。针对量水分流堰，要现场校核率定。在观测过程中，发生挪移或搬动仪器设备的，要及时回归原位，必要时要重新率定。总之，要切实提高管理和观测人员素质，确保原始记录的准确性，为建立中国的通用土壤流失方程和水土保持效益评价体系奠定坚实的基础。

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(责任编辑李杨杨)

[中图分类号]S157.1

[文献标识码]A