坡面径流的快速测评技术研究

王爱娟，张平仓，刘洪鹄，任洪玉

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

坡面径流的快速测评技术研究

王爱娟，张平仓，刘洪鹄，任洪玉

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

长江上游地区土层薄，蓄水容量差，由于雨量集中，容易导致洪、旱灾害交替发生，进行坡面径流调控降低土壤含水量是流域治理的有效手段，坡面径流的快速测评可为径流调控提供数据支持。研究采用野外调查和取样分析的方法，得到长江上游不同土壤类型土层厚度和物理性质；统计分析长江上游不同地区5年一遇最大24 h降雨量，基于径流形成原理，计算得到长江上游地区径流系数为0.53；不同地区壤中流占总径流量的比例均值为30%，研究结果可为坡面径流调控提供理论依据。

径流调控；稳渗速率；田间持水量；地表径流；壤中流

1 概 述

长江上游是我国坡耕地分布最为集中的地区，耕地面积约0.86亿hm2，占全国坡耕地面积的41%，是粮食安全保障的重要来源，但又是江河泥沙的主要来源地，年均侵蚀量超过9亿t，占全流域侵蚀总量的40.2%。2008年结束的中国水土流失与生态安全综合科学考察对长江流域的水土流失描述为：土层厚度一般只有30～50 cm，而侵蚀严重的坡耕地年均土层流失厚度达0.6～1.5 cm。长江上游山高坡陡、土层薄、雨量大而且集中，一旦发生水土流失，可很快造成土层变薄，土地生产力减退，甚至发生石漠化和砂砾化，丧失农业利用价值。分析长江上游地区的土壤侵蚀机理发现，由于该区气候湿润，降雨丰沛，土壤渗透性差，粉粒含量较小，土壤含水量大，坡面上主要的侵蚀方式是坡面土滑、蠕动、滑坡和坡面泥石流［1］。在长江上游地区进行水土保持的理论与黄土高原的“保水保土”有所不同，由于包气带土层的蓄水能力有限，如果注重将水分拦蓄于坡面会导致土壤饱和加剧水土流失的危险，因此在长江流域进行水土流失治理应该强调的是“调水保土”，进行坡面径流调控，降低土壤含水量，加固坡面土体稳定［1］。

降雨径流的快速测评是进行坡面径流调控的前提和基础，坡面径流调控是阻止长江上游地区湿润期水多和干旱期水少导致洪灾、旱灾交替发生的有效手段。通过坡面径流的快速测评可为径流的调控利用提供支持，量化坡耕地降雨产生的不同类型的径流，合理利用坡面径流，缓解汛期水量过多而枯水期缺水的矛盾。本次研究以长江上游不同区域典型坡耕地为研究对象，从区域坡面产流机制出发，研究坡面不同径流类型的计算方法，分析不同区域在次降雨过程中的坡面产流量和可利用径流量。

2 研究方法

2.1 样点布设

长江上游流域面积较大，土壤类型差异性较大，项目组成员根据长江上游水土流失和土壤类型分布的区域特征，在甘肃、陕西、云南、重庆、四川和贵州布设了抽样调查点见表1。

表1 各测点的地理位置Table 1 Locations of them easuring points

2.2 土壤样品采集与分析

土层厚度采用挖剖面法观测，容重采用环刀法测定，用100 cm3环刀分别在0～20 cm，20～40 cm分层取原状土，土壤含水量采用酒精燃烧法，土壤粒径组成采用吸管法测定，田间持水量的测定采用压力膜仪法［2］，入渗采用双环法测定［3］。

2.3 径流计算

根据超渗地表径流产生的物理条件是雨强大于地面下渗容量，以60 min为时间步长，对比土壤入渗速率与雨强的关系进行产流计算见公式（1），当雨强小于入渗速率时，所有降雨都渗入土壤；当整个包气带土壤含水量达到田间持水量时土壤以稳渗速率入渗，超出的雨量形成蓄满产流，超过田间持水量的入渗量形成壤中流，入渗的水量计算见公式（2）。

式中：R为径流量（mm）；i为雨强（mm／min）；fc为稳渗速率（mm／min）；Δt为时间步长（min）；F为总的入渗量。

3 结果分析

3.1 不同测点土壤性质分析

采用剖面法进行土层厚度调查，得到各个测点的土层厚度见表2。

表2 各测点的土层厚度Table 2 Soil depths of themeasuring points

从表2可以看到各点的土层厚度都不大，平均在30 cm左右。通过土壤理化性质分析得到各点土壤质地为黏壤土和黏土见表3，甘肃徽县的褐土田间持水量最大，贵州黔西的黄壤稳渗速率最大，徽县次之，元谋的土壤密度较大，土层厚度也较大，土壤田间持水量较高。

表3 各抽样调查点土壤的性质分析Table 3 Soil properties in investigating points

3.2 长江上游产流机制分析

长江上游长约4 500km，流域面积100万km2，主要干支流包括金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等，地域辽阔、自然环境复杂，土壤类型较多，紫色土、黄壤、褐土和石灰土是分布较广泛的土壤，季风气候十分典型。金沙江流域大部分地区受高原季风、东亚季风和西南季风控制，四季变化不大，干湿分明，多数地区年均雨量1 000 mm左右；云贵高原地区温暖湿润，受西南季风控制，雨季和旱季分明，雨季雨量占全年降雨量的70%以上，年均降雨量800～1 400 mm；川中丘陵区主要是中亚热带湿润气候，温暖湿润，降水较为丰沛，年均降雨量900～1 600 mm，个别地区达2 000 mm。根据课题组成员在长江上游布设的测点土样的土壤颗粒组成分析发现，这几种土壤质地上主要为黏土和黏壤土，孔隙度较小，稳渗速率相应较小。长江上游土壤土层厚度很小，包气带蓄水容量小，加之该区气候湿润，降雨量大，主要以蓄满产流为主，壤中流对地表径流的贡献很大。

分析发现在一次暴雨过程中雨强超过土壤入渗速率会产生超渗产流，随着土壤含水量达到田间持水量时，产流转化为蓄满产流，所以不能笼统地将降雨径流分为蓄满产流和超渗产流2种，超渗产流和蓄满产流同时存在于一场降雨过程中，由雨强和土壤入渗速率及土壤含水量决定。

3.3 坡耕地降雨径流计算

由于可获得的资料缺乏对降雨过程的记录，一次降雨过程中雨强随时间和空间都有很大变化［4，5］，可以通过已有资料分析降雨过程的分布规律将可得到的日降雨资料生成次暴雨过程。Foster和Lane认为要得到一场降雨过程所需要的基本信息包括降雨量、平均雨强，最大雨强和平均雨强的比例关系以及最大雨强出现的时间，他们通过反复分析研究认为一场降雨过程可以用三角形来描述，并且得到最大雨强与平均雨强的比是2［6］。Huff对美国中西部地区的暴雨研究表明，大多数降雨事件在进入到整个降雨历时第一或第二个1／4时段时，会出现最大雨强［4］。Huff和其他许多人的研究还表明，最大雨强会超过一次降雨平均雨强的4倍［4，7，8］。

雨强大小与降雨历时的关系十分密切。一般来说，大强度降雨历时短，覆盖区域也小。而较大范围降雨一般雨强不会很大，可持续几天［8］。Schwab研究指出次暴雨在降雨开始的前6 h内基本降完，并且最大雨强基本出现在降雨开始后的前1.5 h内［8］。王万忠利用黄土高原子洲团山沟径流场1963－1969年观测资料，讨论了降雨侵蚀力指标，发现导致黄土高原地区土壤流失的降雨主要是短历时高强度降雨，即使历时较长，其雨量也往往集中在1 h以内［9，10］。

根据各测点气象站1951－2002年的日降雨资料，通过频率分析统计得到了5年一遇最大24 h降雨量，并求得平均雨强见表4。

此次研究是为径流调控提供数据，研究汛期土壤前期含水量很大的暴雨情况下的径流计算，认为最大24 h降雨在3 h内降完，最大雨强是3 h平均雨强的2倍且多出现在降雨开始后的1 h。根据统计得到的5年一遇最大24 h降雨设计各测点的降雨过程，认为雨强随时间的变化呈三角形分布，以1 h为时间步长，假定土壤的初始含水量为25%，对比稳渗速率和时段雨强，根据次暴雨过程进行坡耕地径流量计算，得到各测点的径流系数。

表4 各测点最大24 h降雨Table 4 Themax 24 h rainfall at themeasuring points

图1 5年一遇暴雨雨强分布（重庆万州）Fig.1 Rainfall intensity occurred once a 5 years（Chongqing W anzhou）

计算得到各点5年一遇最大24 h降雨该种雨型下各测点的径流系数均值为0.53，不同地区壤中流占总径流量的比例差别很大，均值为30%，见表5。可以看到四川广安的径流系数最大，该区5年一遇的降雨量比较大，达到了甘肃徽县的2倍。

表5 长江上游各调查点径流系数Tab le 5 Runoff coefficients of the sites

4 结 论

本次研究以1 h为时间步长，根据稳渗速率和雨强的相对关系计算地表径流，结合土层厚度和土壤初始含水量计算土壤达到田间持水量需要的水量来计算壤中流，力求将降雨径流计算简化，为坡面径流调控技术提供数据。根据我国学者对长江流域的研究得到长江流域各支流的年径流系数是0.46［11］，此次计算的是各点5年一遇24 h最大降雨的径流系数，均值为0.53，与年径流系数相比偏大；壤中流占总径流量比例范围在12.7%～53.86%之间，变化范围较大。由于没有实测资料对壤中流计算结果进行验证，还需要在今后的研究中收集数据资料进行进一步研究。

［1］ 张平仓，杨勤科，夏艳华.长江中上游地区土壤侵蚀机制及过程试验研究，长江流域资源与环境［J］.2002，11（4）：376－382.（ZHANG Ping-cang，YANG Qin-ke，XIA Yan-hua.Experimental research on soil erosion mechanism and process in themiddle and upper reach of the Yangtze River［J］.Yangtze River Resources and Environment，2002，11（4）：376－382.（in Chinese））

［2］ 刘光崧.土壤理化分析与剖面描述［M］.北京：中国标准出版社，1996.（LIU Guang-song.Soil Physical and Chemical Analysis and Profile Description［M］.Beijing：China Standard Press，1996.（in Chinese））

［3］ 张爱国，张平仓，杨勤科.区域水土流失土壤因子研究［M］.北京：地质出版社，2003.（ZHANG Ai-guo，ZHANG Ping-cang，YANG Qin-ke.Research on Soil Factor of Regional Soil Erosion［M］.Beijing：Geology Press，2003.（in Chinese））

［4］ HUFF F A.Time distribution of rainfall in heavy storms［J］.Water Resource.Res，1967，3（4）：1007－1019.

［5］ SCHIFF L.Classes and patterns of rainfallwith reference to surface runoff［J］.Trans.Am.Geophys.Union.，1943，24（2）：439－452.

［6］ FOSTER G R，LANE L J.User requirements：USDAWater erosion prediction project（WEPP）［R］.West Lafayette：National Soil Erosion Research Laboratory，1987.

［7］ RAO R A，CHENCHAYYA B T.Probabilistic analysis and simulation of the short time increment rainfall process［R］.Lafayette：Water Resource.Res.Center，Purdue Univ.，1974.

［8］ SCHWAB GO，FANGMEIER D D，ELLIONT W J，et al.Soil and Water Conservation Engineering［M］.New York：John Wiley＆Sons，Inc.1993：18－47.

［9］ 王万忠.黄土地区降雨侵蚀力R指标的研究［J］.中国水土保持，1983，（12）：34－40.（WANGWan-zhong.Loess region rainfall erosivity index research［J］.Soil and Water Conservation of China，1983，（12）：34－40.（in Chinese））

［10］王万忠.黄土地区降雨特性与土壤流失关系的研究：降雨侵蚀力指标R值的探讨［J］.水土保持通报，1987.（5）：62－64.（WANG Wan-zhong.Research on the relationship between rainfall characteristics and soil erosion in the Loess region［J］.Soil and water conservation bulletin，1987，（5）：62－64.（in Chinese））

［11］林三益.水文预报［M］.北京：中国水利水电出版社，1986.（LIN San-yi.Hydrological Forecasting［M］.Beijing：ChinaWater Power Press，1986.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

欧盟第七框架研究项目——土地生态系统退化与荒漠化防治措施评价正式启动

目前环境和社会经济危机同时暴发，互相影响，尤其是对于资源贫乏、生态脆弱区相对封闭的社会，造成了严重的后果，从而引起了社会的广泛关注。食物、水和能源安全都依赖于自然资源的可利用程度，当然也包括市场、财政、管理制度、产权制度、生活方式和其他诸多因素。土壤、水、生物多样性等有限紧缺的自然资源使决策者面对更为严重的局面，就是如何能使土地尽可能满足人类的需要。因此，防止土地退化与荒漠化以及保护资源必须优先确保当前和将来人类的生存与富裕，特别是在干旱和半干旱地区。更重要的是针对不同受影响区域的特殊情况，推行一种不仅科学合理、而且经济可行并为社会所接受的解决方案迫在眉睫。

希腊爱琴海大学正负责一个欧盟资助的4年期新国际研究项目——土地生态系统退化与荒漠化防治措施评价，以期在现有相关自然科学和社会学研究成果的基础上，为这些问题的解决提出新的思路和办法。本课题研究基础是20多年欧盟资助和长期国际合作的相关研究成果，范围包括土地退化与荒漠化影响范围及其影响因子，不同影响区域所采取的可持续发展政策和土地管理体制。课题合作单位由来自欧盟国家、摩洛哥和中国的11所大学或研究机构组成，将从不同的专业和学科角度，全面系统地研究了农地、草地和林地等地类土地退化的防治措施及其影响。课题负责人Helen Briassoulis教授指出：“这项研究对于在各管理层次上制订有针对性的、合理和有效的可持续土地管理和土地利用规划以及合理政策至关重要”。

课题采用生态系统研究方法探索影响人们选择土地管理方式及应对资源退化的环境、社会经济、文化和制度因素，并研究制订评价各种比选解决方案成本和效益和一系列综合方法。研究期间将与不同利益相关者开展广泛讨论，包括当地土地经营者、决策机构以及联合国防治荒漠化公约相关机构。同时还将深入研究欧盟和非欧盟国家典型受影响区域的防治措施。

本课题将评价防止土地退化的各项政策，并为国际、欧盟及其成员国的各种利益相关者提供改善环境和社会福利的各种解决方案的政策建议。本课题的网站（http：／／leddra.aegean.gr／）将展示一个信息系统，包括海报、录像剪辑，可下载的文件，影集和其他媒体文件，来吸引社会公众的关注；同时印发相关宣传品，来满足不同类型利益相关者的兴趣和需要。

关于更详细的信息，请联络Helen Briassoulis教授。联系方式如下：电话＋30－22510－36411，电子邮件e.briassouli＠aegean.gr。

Research on Rapid Assessment Technique of Slope Surface Runoff

WANG Ai-juan，ZHANG Ping-cang，LIU Hong-hu，REN Hong-yu
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Soil thickness in the upstream region of Yangtze River is thin with a poor water storage capacity.Because of concentrated rainfall，flood and drought disasters occurred alternately.Runoff regulation of reducing soil moisture to control soil erosion should be taken as an important approach forwatershed management.A rapid runoff assessment can provide data support for the runoff regulation.Through field survey and soil samples test，we got thicknesses and physical parameters of different soils in the upstream of Yangtze River，and counted the 24-hour maximum rainfall that encountered oncewithin 5 years.According to the runoff formation theory，the surface runoff coefficient of the counted result is 0.53 and the subsurface runoff occupies amean ratio 30%of the total runoff in different region of the Yangtze River upper reaches.All of these could provide theoretical support for the runoff regulation.

runoff regulation；steady infiltration rate；field capacity；surface runoff；subsurface runoff；field water capacity

S157

A

1001－5485（2010）11－0006－04

2010-09-10

国家科技支撑项目（2008BAD98B02）

王爱娟（1981-），女，宁夏银川人，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究，（电话）027-82927942（电子信箱）wang-ai-juan＠163.com。