人工模拟降雨开展工程扰动环境下土壤侵蚀强度监测

范力强

（黑龙江柏兰工程咨询有限责任公司，哈尔滨 150001）

人工模拟降雨开展工程扰动环境下土壤侵蚀强度监测

范力强

（黑龙江柏兰工程咨询有限责任公司，哈尔滨 150001）

近年来，人工模拟降雨技术在开发建设项目水土保持监测中得到了一定应用。文章以鹤大国家高速公路佳木斯至牡丹江段扩建工程水土保持监测为例，采用人工模拟降雨系统对扰动土地单元和整治土地单元分别进行了观测，基于观测数据，对前后两个阶段土壤侵蚀量的变化给予剖析，以期为同类项目应用提供借鉴。

人工模拟降雨；扰动土地单元；整治土地单元；土壤侵蚀；强度监测；实验目的；实验环境

1 实验的目地与意义

开发建设项目水土保持监测是水土保持监测的一项重要内容。目前使用的监测手段都不可避免的存在简单粗略、主观性强、数据关联度低、系统性差的弊端。同时，由于取样周期长，不能反映例次降雨过程的坡面水沙输出动态；设施环境迁移多变，不能保证观测平台的可复制性，难以形成各种处理的交叉对比，极大制约了扰动土地水土流失规律的研究。

近十几年来，传统自然侵蚀为主体的侵蚀格局正在被新生的人为水土流失所取代，此类侵蚀都以扰动、填挖和占压地表为侵蚀形式，在侵蚀的下垫面特征、发育机理、演进形态上与自然侵蚀过程相差迥异，因此，已有的土壤侵蚀研究成果无法准确定义和描述其侵蚀过程，迫切需要提出一套相对全面的侵蚀环境数据，为该领域水土流失分析与评价提供技术支持，为优化配置水土流失防治措施提供科学依据。

采用人工模拟降雨系统开展工程扰动环境下土壤侵蚀强度监测，从生产建设水土保持监测实践来看，这一实验设计也具有其生产指导意义。以黑龙江省为例，全省年降水量为400～650mm，年侵蚀性降雨一般为10次左右，由于观测方法和手段没有得到突破和创新，测钎法、沟蚀法、沉砂池法和简易径流小区观测法都具有选址难、操作性差、难于保护和精度低的特点，很难真实反映由于开发建设项目土壤侵蚀量。此外，部分开发建设项目监测工作开展滞后，监测人员进场前的数据无法有效追溯，实际工作中往往采取类比工程法，但类比工程数据也缺乏事实依据，因此类比结果并不理想。人工模拟降雨实验可有利于填补该项空白，为人为水土流失评价预测、揭示工程扰动环境下土壤侵蚀发生发展规律提供丰富的数据积累。

2 实验环境与条件

2.1 设备规格及实验原理

人工模拟降雨控制系统选取专业生态公司研发的成品设备，人工模拟降雨机降雨面积2m×6m，降雨高度2～4m可调整。实验方法采用闭环控制法，在降雨区布设的雨量计实监测降雨强度，并将数据传输至控制台，与设定的雨强值进行逼近式对比分析，并通过自动调节流量调节阀、调压阀等组件，改变供水水压及流量，从而更方便准确地模拟不同雨强的自然降雨［1］。

2.2 不同扰动类型单元设计

根据建设项目扰动类型、扰动强度及其空间分异特征，经综合分析，各扰动类型可初步概括为以下4类单元：①土质低堆方：堆体高度＜3m，边坡表面物理性状以均质土壤为主；②土质高堆方：堆体高度＞3m，以均质土壤为主的堆方边坡；③土质开挖面：土质基础经开挖后形成的挖方坡面；④平台及闭合区：经场地清理平整、挖填扰动、占压破坏后形成的地表平缓的裸露区域。

2.3 观测内容

根据《开发建设项目水土保持技术规范》的要求，结合野外监测工作实践，对项目建设区内不同措施防护地段、不同扰动类型单元分别设计模拟降雨实验，获取其侵蚀量数据。分析无防护措施和有防护措施的监测小区侵蚀强度差异，计算各类扰动单元的侵蚀强度、各项防护措施的减蚀量和减蚀效果，进而评价开发建设项目水土流失防治效果［2］。

3 实验对象工程背景

本实验与开发建设项目水土保持监测紧密结合，并作为土壤侵蚀强度指标观测的补充手段。实例项目选择鹤大国家高速公路佳木斯至牡丹江段扩建工程，工程由主线、连接线、辅道组成：主线全长266.2km，途经佳木斯市、七台河市、鸡西市、牡丹江市4个行政区。工程于2009年5月开工建设，2011年9月建成试运行。水土保持监测工作于2012年5月正式启动，属运行期监测。

4 实验结果

4.1 扰动土地单元人工模拟降雨实验

本工程地处水力侵蚀区，实验区按不同扰动单元类型共设立了10个监测断面，并从当地市县30a序列降雨数据中概化甄选出各单元所在地区的典型降雨特征值（降雨出现机率大于30%）做为模拟降雨实验参数。实验共完成10次模拟降雨，取得10项水蚀强度数据，基本扰动类型侵蚀强度见表1。

表1 基本扰动类型侵蚀强度

实验数据表明：在建设期水力侵蚀监测中，侵蚀强度在空间变化上与下垫面构成、堆挖形态、微地形坡面比降密切相关，在时间变化上与降雨历时、降雨强度消长同步。综合监测成果：在各类地表扰动类型中，土质高堆方侵蚀强度最大，侵蚀强度为762～770t／km2·（次降水）；土质低堆方边坡次之，侵蚀强度为637～724t／km2·（次降雨）；平台及闭合区侵蚀强度最小，侵蚀强度为121～155t／km2·（次降雨）。

4.2 土地整治单元模拟降雨数据

实验区按不同整治单元类型共设立了12个监测断面，降雨特征值与上述扰动单元所在地的降雨指标逐一对应，实验共完成12次模拟降雨，取得12项水蚀强度数据。

防治措施实施后基本扰动类型侵蚀强度见表2。由表2可得出结论：①水土流失防治措施实施后各扰动类型区的侵蚀强度均发生明显下降，土质高堆方类型区土工格室透水防护的立交区跨线桥边坡的侵蚀强度下降最为显著，侵蚀强度由施工阶段的770.4t／km2·（次降雨） 下 降 到 治 理 后 的76.8t／km2·（次降雨），减蚀率为90.03%。②土质开挖面类型区拱形透水防护的主辅线路堑开挖面，减蚀率为88.37%。③土质低堆方类型区灌草防护的主辅线低路基边坡，减蚀率为87.81%。④平台及闭合类型区进行灌草绿化的施工生产生活区，减蚀率为74.50%。

表2 防治措施实施后基本扰动类型侵蚀强度

由此可见，防治措施对土质高堆方和土质开挖面类型区的防护效果最好，土质低堆方类型区的防护效果次之，平台及闭合类型区防护效果较低。其主要原因是平台及闭合类型区多依靠植被自然恢复，土地整治标准较低，且短期内植被难以快速郁闭，随着时间推移，该区域的土壤侵蚀强度会持续回落。各类型区防护效果见表3。

表3 各类型区防护效果 t／km2·次降雨

5 实验结论

人工模拟降雨实验在一定程度上可作为水土保持监测补充手段，用于开发建设项目土壤侵蚀强度监测与分析。该方法具有操作简便、移动快捷、不受地形及施工环境制约、数据详实可靠的特点，可与传统监测方法互补验证。目前本方法所取得的观测数据仅限于次降雨水平的土壤侵蚀强度指标，如何由次降雨向年降雨推演，继而提高这种方法与实地监测结果的拟合度，仍需开展深入思考与探索。

［1］王洁，胡少伟，周跃.人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用［J］.水土保持研究，2005，12（04）：188－190.

［2］任树梅，刘洪禄，顾涛.人工模拟降雨技术研究综述［J］.中国农村水利水电，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

范力强（1979－），男，辽宁锦州人，工程师，从事水土保持方案编制、监测和技术服务工作。