喀斯特坡面徑流集蓄利用研究現(xiàn)狀與展望

高漸飛，楊振華,2，蘇維詞，曹 洋

(1.貴州省山地資源研究所，貴陽(yáng) 550000；2.中山大學(xué)水資源與水環(huán)境系，廣州 510272)

以貴州高原為中心的中國(guó)西南巖溶地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的巖溶生態(tài)脆弱區(qū)，面積超過(guò)55 萬(wàn)km2，也是巖溶發(fā)育最典型、石漠化最為嚴(yán)重的一個(gè)片區(qū)[1,2]。由于巖溶的強(qiáng)烈發(fā)育，地表滲漏性較強(qiáng)，地表地下雙層水文結(jié)構(gòu)較為普遍，地表保持和調(diào)蓄水分能力較弱；降雨很快沿裂隙、漏斗、落水洞及缺土少林的坡面注入地下和深切的河谷，形成常見(jiàn)的“水在下，土地和人居場(chǎng)所在上”的空間不匹配格局[3-5]。此外，該區(qū)域降雨主要集中在5-9月(約占全年降雨量的70%)[6]，又造成時(shí)間上的不均衡，季節(jié)性缺水。水資源的時(shí)空分布不均衡導(dǎo)致的區(qū)域水資源短缺一直是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重問(wèn)題。近年來(lái)一批大中型骨干水利工程在解決城鎮(zhèn)人畜飲水安全，以及集中連片壩子地灌溉方面取得了顯著成效，但坡耕地長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有灌溉保障的問(wèn)題仍未得到改善。以貴州省為例，全省92.5%的土地為山地和丘陵，坡耕地支撐了農(nóng)業(yè)的大半邊天，但由于水土資源時(shí)空不匹配，農(nóng)業(yè)還是“靠天吃飯”，耕作者甚至沒(méi)有“土地需要灌溉”的意識(shí)。

受地形地貌格局的限制，該區(qū)域坡耕地灌溉水源主要靠坡面集蓄的雨水?；诖?，國(guó)家開(kāi)展的水土保持、土地整理、煙水配套及2008年起開(kāi)展的石漠化綜合治理工程等均安排有坡面集蓄水內(nèi)容，野外實(shí)地也隨處可見(jiàn)坡面蓄水池/窖，但其利用效果差強(qiáng)人意。為此，從坡面集雨工程理論、技術(shù)參數(shù)、利用方式等方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理，旨在找出導(dǎo)致喀斯特地區(qū)坡面雨水工程難以發(fā)揮應(yīng)有效率的關(guān)鍵問(wèn)題，為后續(xù)工程的布設(shè)及其下一步開(kāi)展相關(guān)研究提供參考。

1 喀斯特坡面產(chǎn)流特征

1.1 喀斯特坡面徑流系數(shù)與徑流量

與非喀斯特地區(qū)相比，喀斯特坡地降雨地表徑流系數(shù)較小，地表產(chǎn)流量很少、會(huì)出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲現(xiàn)象[7-9]。貴州普定及廣西環(huán)江坡面定位觀測(cè)和模擬降雨試驗(yàn)表明，坡面水文過(guò)程以地下過(guò)程為主，地表徑流一般只有在高降雨強(qiáng)度下才會(huì)產(chǎn)生，常呈現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流機(jī)制，超滲地表徑流發(fā)生概率低[8,10,11]。彭韜等[8]在貴州巖溶地區(qū)普定縣陳旗小流域研究發(fā)現(xiàn)，灌草、火燒跡地、幼林、坡耕地、稀疏灌叢、復(fù)合植被6種土地利用條件地表徑流系數(shù)介于0.01%～12.81%。張喜等[7]在黔中巖溶地區(qū)開(kāi)陽(yáng)縣魚(yú)梁河流域研究發(fā)現(xiàn)，2003-2005 年不同植被類型降雨年均地表徑流系數(shù)為1.96%～21.94%。陳洪松等[10]2006-2010 年在廣西環(huán)江喀斯特地區(qū)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)雖然年降雨量1 300～2 000 mm，但無(wú)論平水年還是豐水年，火燒跡地、經(jīng)濟(jì)林、坡耕地等13種土地方式/植被類型徑流系數(shù)都<4%(0.01%～3.58%)。Wilcox 等[12]在美國(guó)愛(ài)德華茲高原巖溶地區(qū)的模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，灌木林不產(chǎn)流。觀測(cè)結(jié)果一致地證實(shí)，喀斯特坡面一般很難產(chǎn)生地表徑流，徑流系數(shù)較小，介于0.01%～21.94%之間；在裸巖地區(qū)因巖層裂隙高度發(fā)育，出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲現(xiàn)象[13-15]。

1.2 喀斯特坡面徑流影響機(jī)制

降雨性質(zhì)、土地利用/覆蓋方式、表層巖溶帶的巖溶化程度、土壤結(jié)構(gòu)等都影響著喀斯特坡面徑流過(guò)程和徑流量[16-22]。如在裂隙不發(fā)育地區(qū)，其裸巖坡面的徑流量遠(yuǎn)大于草地和林地[23]。地表植被人為干擾和破壞，可能導(dǎo)致地表徑流系數(shù)增大[8]，但并不一定是主要的影響因素[10]。Wilcox 等[12]在在美國(guó)愛(ài)德華茲高原巖溶地區(qū)的模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，灌木砍伐、搬移前后，灌木林地地表都不產(chǎn)流，也證實(shí)植被對(duì)坡面徑量流影響不大。與此同時(shí)， Wilcox等發(fā)現(xiàn)在地表不產(chǎn)流的灌木林地卻發(fā)現(xiàn)至少50%的降水以壤中流形式出現(xiàn)，草地地表徑流占10%～50%，壤中流<10%[12]。朱曉峰等在廣西環(huán)江喀斯特實(shí)驗(yàn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，深層滲漏和壤中流是喀斯特峰叢灌木林地主要水文路徑，兩者分別占降雨量的71%和9%，地表徑流僅占2%[24]。此外，表層土壤總孔隙度、毛管孔隙度與徑流量大小的負(fù)相關(guān)性達(dá)顯著水平，土壤容重對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率達(dá)-96.54%[7,16,25]。

由觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，在喀斯特地區(qū)由于壤中流、深部基流對(duì)降雨的分配可能占主導(dǎo)，使得地面以下空間結(jié)構(gòu)對(duì)徑流影響增大，與此相反植被的影響力相對(duì)減弱了。但觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，不同植被壤中流所占降雨量比重差距還是比較大，有必要深入探索不同區(qū)域、不同植被條件坡面對(duì)降雨的分配規(guī)律，以探究進(jìn)一步利用各部分徑流的可能。

2 喀斯特坡面徑流的集蓄與利用

2.1 坡面徑流收集的主要方式

喀斯特地區(qū)坡面徑流利用方式可歸納為2種。一是選擇荒坡、林地、灌木林地、疏林地、草地和坡耕地等自然坡面為集雨面，在集流場(chǎng)下方修建攔截水壩/溝，將坡面徑流攔截引入沉沙池，泥沙沉淀后存貯于蓄水池(水窖或水柜)，在坡面形成單個(gè)獨(dú)立的“集-引-蓄”水工程。這種“獨(dú)立式”集蓄工程建設(shè)時(shí)自由度較高，可布置在坡地中上部地勢(shì)較高位置，以獲得較高水勢(shì)；但由于涵蓋集雨區(qū)面積較小，其來(lái)水量一般僅夠單個(gè)30～60 m3蓄水設(shè)施用，僅能灌溉較小面積的土地。第二種是，在適合的位置修筑攔截水壩/溝截取自然坡面沖溝、溪溝降雨徑流，經(jīng)過(guò)沉砂引入蓄水池，并利用自然地形，溢出的水又引流至位置較低的下一級(jí)蓄水池，如此一直延續(xù)，可覆蓋整個(gè)坡面，形成 “長(zhǎng)藤結(jié)瓜式”的坡面集蓄系統(tǒng)[25]。這種“串聯(lián)式”徑流集蓄工程具有能集蓄水量大，徑流蓄積效率高，覆蓋面積大等優(yōu)勢(shì)；但由于較好的攔截位置一般在山體中下部，因此灌溉區(qū)域會(huì)受到一定限制。

2.2 坡面徑流量的估算

坡面徑流集蓄工程布設(shè)工程中首先需要根據(jù)集流坡面的大小來(lái)估算來(lái)水量，進(jìn)而確定水池(水窖、水柜)的容積和數(shù)量。坡面來(lái)水量可用坡面集雨公式(1)來(lái)估算。

W=αHF

(1)

式中：W為坡面來(lái)水量；α為徑流系數(shù)；H為多年平均降雨量；F為坡面投影面積。

其中，H一般能獲取較為準(zhǔn)確數(shù)值，F(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量可得較準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但α值一般參照規(guī)程規(guī)范在0.4～0.6之間取值[27-29]。喀斯特流域尺度徑流系數(shù)可能比較接近這個(gè)數(shù)值范圍，但坡面徑流系數(shù)與之差異很大。如貴州普定陳旗小流域徑流系數(shù)為0.4，坡面徑流系數(shù)卻小于2%[8,14]。前文綜述亦可知，喀斯特坡面徑流系數(shù)介于0.01%～21.94%之間，在一些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲，基本不產(chǎn)流現(xiàn)象[10,11,13]。也就是說(shuō)，第一種坡面徑流收集方式中，由于徑流系數(shù)取值遠(yuǎn)高于實(shí)際，坡面產(chǎn)生不了設(shè)計(jì)估算的來(lái)水量，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的蓄水設(shè)施容積過(guò)大，出現(xiàn)蓄不滿水甚至空置情況。而這種利用方式在喀斯特地區(qū)占主導(dǎo)，蓄水池空置現(xiàn)象極為普遍，大量坡面集雨工程無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的服務(wù)功能。

2.3 坡面徑流收集工程的布設(shè)

喀斯特坡面徑流集蓄利用工程布設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，首先考慮集水區(qū)大小、坡面徑流量，進(jìn)而要看地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否適合修建蓄水設(shè)施，還得考慮建設(shè)材料的運(yùn)輸成本。但工程設(shè)計(jì)中，大多只考慮地基穩(wěn)定和方便施工，因此出現(xiàn)很多的坡面集水蓄水設(shè)施布局于地塊中間、道路上方，完全沒(méi)有考慮是否能收集到雨水問(wèn)題；有一定集雨面的，也沒(méi)有根據(jù)實(shí)際徑流量來(lái)推算所需蓄水設(shè)施容積。此外，為施工和工程驗(yàn)收方便，一個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主管部門(mén)往往要求蓄水設(shè)施定額到同一個(gè)規(guī)格，如30、40、50、60、100 m3。而這些工程竣工驗(yàn)收時(shí)只考核是否完了成設(shè)計(jì)方案中的工程量，長(zhǎng)期以來(lái)忽略了對(duì)工程使用效率的檢驗(yàn)。這些因素導(dǎo)致整個(gè)喀斯特地區(qū)坡面集雨工程難以發(fā)揮應(yīng)有的作用，閑置、廢棄現(xiàn)象極為嚴(yán)重，造成極大的浪費(fèi)，且這種情況還在繼續(xù)。

2.4 坡面徑流集蓄后的利用方式

喀斯特地區(qū)降雨主要集中在汛期5-9月(約占全年降雨量的70%)[6]，常規(guī)情況下林木在12-3月需要灌溉，而此時(shí)雨季收集到的水因蒸發(fā)已損耗了大部分；剩余部分由于喀斯特坡面集水含有大量泥沙、枯枝落葉等雜質(zhì)，不能直接用于噴灌、滴灌等節(jié)灌方式。目前對(duì)集蓄雨水使用方式多是以軟管引出直接淋到植物根部，這種方式節(jié)水性差，灌溉不了多少土地，雨水利用效率較低。因此，需要一方面探索坡面雨水沉淀、過(guò)濾處理等簡(jiǎn)易方法，另一方面應(yīng)根據(jù)喀斯特坡地土地破碎、分散的實(shí)際對(duì)當(dāng)前技術(shù)設(shè)備進(jìn)行改造、組裝、研發(fā)適合的灌溉設(shè)備。

3 研究展望

喀斯特地區(qū)降雨被坡面分解成三部分，一部分成為坡面徑流，一部分壤中流，其余為深部基流[30]。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致證實(shí)，喀斯特坡面地表不易產(chǎn)流、徑流系數(shù)較低，降雨以地下水文過(guò)程為主[12,24,30]。地表植被對(duì)喀斯特坡面徑流影響不大，但不同植被壤中流量差距卻比較大，喀斯特坡面產(chǎn)流的影響機(jī)制顯得更為復(fù)雜。

當(dāng)前，喀斯特坡面徑流取得的研究成果尚不能支持坡面集雨工程布設(shè)的實(shí)際應(yīng)用需求。不同地貌、不同巖性條件下，各種土地利用/覆蓋方式徑流產(chǎn)匯流規(guī)律？同時(shí)涵蓋多種土地利用/覆蓋的坡面徑流特征又如何？都需要大量的野外實(shí)地觀測(cè)，并在此基礎(chǔ)上探討與實(shí)際相符的徑流量估算參數(shù)及公式以指導(dǎo)坡面集流工程布設(shè)。

考慮到喀斯特坡面徑流系數(shù)比較小，難以收集足夠雨水的特殊性，集雨工程建設(shè)中應(yīng)充分利用主干道路、機(jī)耕道、耕作便道等作為集雨面，配套建設(shè)蓄水設(shè)施，提高集雨效率。同時(shí)，要關(guān)注適合于喀斯特坡地，土地破碎，分散度高的節(jié)水灌溉設(shè)備與方法。在坡面集雨工程建設(shè)管理中應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前驗(yàn)收數(shù)量的基礎(chǔ)上，上升到評(píng)估效率和質(zhì)量上來(lái)。

此外，中共十九大會(huì)提出“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”，實(shí)施“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”，其核心就是要發(fā)展農(nóng)村生態(tài)產(chǎn)業(yè)，而在廣大巖溶山區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的空間就是坡耕地。以貴州省為例，2017年12月貴州省出臺(tái)了《關(guān)于調(diào)整優(yōu)化2018年玉米種植結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案》，明確25°以下坡耕地(24 萬(wàn)hm2)主要改種蔬菜、中藥材、水果和其他特色糧食作物；25°以上坡耕地(94.167 萬(wàn)hm2)全部退耕還林還草和種植經(jīng)果林、茶葉、中藥材等。大面積坡耕地要發(fā)展特色作物及經(jīng)濟(jì)林，要確保農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得成效，灌溉保障是核心問(wèn)題之一，而坡面雨水是最主要的灌溉水源，因此，相關(guān)的研究可謂迫在眉睫。

4 結(jié) 語(yǔ)

喀斯特坡面降雨被分配地表、土壤徑流和深部急流三部分，且后兩者占主導(dǎo)；為此，坡面一般很難產(chǎn)生地表徑流，徑流系數(shù)較小，介于0.01%～21.94%之間；在裸巖地區(qū)因巖層裂隙高度發(fā)育，出現(xiàn)降雨幾乎全部入滲，地表不產(chǎn)流現(xiàn)象。

喀斯特坡面徑流集蓄利用是一項(xiàng)復(fù)雜工程，要同時(shí)考慮集水區(qū)大小和坡面徑流量、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)、材料運(yùn)輸成本等因素。其中，基于坡面徑流系數(shù)估算的徑流量最為關(guān)鍵的參數(shù)，直接決定著坡面集雨工程布設(shè)的成敗。當(dāng)前，喀斯特地區(qū)坡面集雨工程常出現(xiàn)蓄不滿水甚至空置現(xiàn)象，其核心問(wèn)題之一就是自然坡面徑流系數(shù)取值遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際值，導(dǎo)致來(lái)水量估算過(guò)大。

若無(wú)準(zhǔn)確的徑流系數(shù)值和貼合實(shí)際的坡面水量計(jì)算方法，喀斯特地區(qū)新修建的坡面徑流集蓄利用工程可能重蹈覆轍(荒廢或成擺設(shè))，無(wú)法提供應(yīng)有服務(wù)，應(yīng)引起足夠的重視。