人工模擬降雨開展工程擾動環(huán)境下土壤侵蝕強度監(jiān)測

范力強

（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環(huán)境下土壤侵蝕強度監(jiān)測

范力強

（黑龍江柏蘭工程咨詢有限責(zé)任公司，哈爾濱 150001）

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

人工模擬降雨；擾動土地單元；整治土地單元；土壤侵蝕；強度監(jiān)測；實驗?zāi)康?；實驗環(huán)境

1 實驗的目地與意義

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

近十幾年來，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、填挖和占壓地表為侵蝕形式，在侵蝕的下墊面特征、發(fā)育機理、演進形態(tài)上與自然侵蝕過程相差迥異，因此，已有的土壤侵蝕研究成果無法準(zhǔn)確定義和描述其侵蝕過程，迫切需要提出一套相對全面的侵蝕環(huán)境數(shù)據(jù)，為該領(lǐng)域水土流失分析與評價提供技術(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)開展工程擾動環(huán)境下土壤侵蝕強度監(jiān)測，從生產(chǎn)建設(shè)水土保持監(jiān)測實踐來看，這一實驗設(shè)計也具有其生產(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，由于觀測方法和手段沒有得到突破和創(chuàng)新，測釬法、溝蝕法、沉砂池法和簡易徑流小區(qū)觀測法都具有選址難、操作性差、難于保護和精度低的特點，很難真實反映由于開發(fā)建設(shè)項目土壤侵蝕量。此外，部分開發(fā)建設(shè)項目監(jiān)測工作開展滯后，監(jiān)測人員進場前的數(shù)據(jù)無法有效追溯，實際工作中往往采取類比工程法，但類比工程數(shù)據(jù)也缺乏事實依據(jù)，因此類比結(jié)果并不理想。人工模擬降雨實驗可有利于填補該項空白，為人為水土流失評價預(yù)測、揭示工程擾動環(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 實驗環(huán)境與條件

2.1 設(shè)備規(guī)格及實驗原理

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，人工模擬降雨機降雨面積2m×6m，降雨高度2～4m可調(diào)整。實驗方法采用閉環(huán)控制法，在降雨區(qū)布設(shè)的雨量計實監(jiān)測降雨強度，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制臺，與設(shè)定的雨強值進行逼近式對比分析，并通過自動調(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)確地模擬不同雨強的自然降雨［1］。

2.2 不同擾動類型單元設(shè)計

根據(jù)建設(shè)項目擾動類型、擾動強度及其空間分異特征，經(jīng)綜合分析，各擾動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平臺及閉合區(qū)：經(jīng)場地清理平整、挖填擾動、占壓破壞后形成的地表平緩的裸露區(qū)域。

2.3 觀測內(nèi)容

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》的要求，結(jié)合野外監(jiān)測工作實踐，對項目建設(shè)區(qū)內(nèi)不同措施防護地段、不同擾動類型單元分別設(shè)計模擬降雨實驗，獲取其侵蝕量數(shù)據(jù)。分析無防護措施和有防護措施的監(jiān)測小區(qū)侵蝕強度差異，計算各類擾動單元的侵蝕強度、各項防護措施的減蝕量和減蝕效果，進而評價開發(fā)建設(shè)項目水土流失防治效果［2］。

3 實驗對象工程背景

本實驗與開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測緊密結(jié)合，并作為土壤侵蝕強度指標(biāo)觀測的補充手段。實例項目選擇鶴大國家高速公路佳木斯至牡丹江段擴建工程，工程由主線、連接線、輔道組成：主線全長266.2km，途經(jīng)佳木斯市、七臺河市、雞西市、牡丹江市4個行政區(qū)。工程于2009年5月開工建設(shè)，2011年9月建成試運行。水土保持監(jiān)測工作于2012年5月正式啟動，屬運行期監(jiān)測。

4 實驗結(jié)果

4.1 擾動土地單元人工模擬降雨實驗

本工程地處水力侵蝕區(qū)，實驗區(qū)按不同擾動單元類型共設(shè)立了10個監(jiān)測斷面，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)機率大于30%）做為模擬降雨實驗參數(shù)。實驗共完成10次模擬降雨，取得10項水蝕強度數(shù)據(jù)，基本擾動類型侵蝕強度見表1。

表1 基本擾動類型侵蝕強度

實驗數(shù)據(jù)表明：在建設(shè)期水力侵蝕監(jiān)測中，侵蝕強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)，在時間變化上與降雨歷時、降雨強度消長同步。綜合監(jiān)測成果：在各類地表擾動類型中，土質(zhì)高堆方侵蝕強度最大，侵蝕強度為762～770t／km2·（次降水）；土質(zhì)低堆方邊坡次之，侵蝕強度為637～724t／km2·（次降雨）；平臺及閉合區(qū)侵蝕強度最小，侵蝕強度為121～155t／km2·（次降雨）。

4.2 土地整治單元模擬降雨數(shù)據(jù)

實驗區(qū)按不同整治單元類型共設(shè)立了12個監(jiān)測斷面，降雨特征值與上述擾動單元所在地的降雨指標(biāo)逐一對應(yīng)，實驗共完成12次模擬降雨，取得12項水蝕強度數(shù)據(jù)。

防治措施實施后基本擾動類型侵蝕強度見表2。由表2可得出結(jié)論：①水土流失防治措施實施后各擾動類型區(qū)的侵蝕強度均發(fā)生明顯下降，土質(zhì)高堆方類型區(qū)土工格室透水防護的立交區(qū)跨線橋邊坡的侵蝕強度下降最為顯著，侵蝕強度由施工階段的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)灌草防護的主輔線低路基邊坡，減蝕率為87.81%。④平臺及閉合類型區(qū)進行灌草綠化的施工生產(chǎn)生活區(qū)，減蝕率為74.50%。

表2 防治措施實施后基本擾動類型侵蝕強度

由此可見，防治措施對土質(zhì)高堆方和土質(zhì)開挖面類型區(qū)的防護效果最好，土質(zhì)低堆方類型區(qū)的防護效果次之，平臺及閉合類型區(qū)防護效果較低。其主要原因是平臺及閉合類型區(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，隨著時間推移，該區(qū)域的土壤侵蝕強度會持續(xù)回落。各類型區(qū)防護效果見表3。

表3 各類型區(qū)防護效果 t／km2·次降雨

5 實驗結(jié)論

人工模擬降雨實驗在一定程度上可作為水土保持監(jiān)測補充手段，用于開發(fā)建設(shè)項目土壤侵蝕強度監(jiān)測與分析。該方法具有操作簡便、移動快捷、不受地形及施工環(huán)境制約、數(shù)據(jù)詳實可靠的特點，可與傳統(tǒng)監(jiān)測方法互補驗證。目前本方法所取得的觀測數(shù)據(jù)僅限于次降雨水平的土壤侵蝕強度指標(biāo)，如何由次降雨向年降雨推演，繼而提高這種方法與實地監(jiān)測結(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（1979－），男，遼寧錦州人，工程師，從事水土保持方案編制、監(jiān)測和技術(shù)服務(wù)工作。