好论文--紫鹊界梯田区坡面产流产沙特征的模拟试验研究

及 影 响 因 子 ，同 时 也 为 构 建 梯 田 区 天 然 原 生 态 自 流 灌 溉系统中水分运移转化过程模型及进一步提出保护 措施奠定基础。
１ 材料与方法
１．１ 试 验 区 概 况 紫鹊界梯田区位于湖南省新化县西南部水车镇
（１１０°５２′—１１１°０１′Ｅ，２７°４０′—２７°４５′Ｎ），为 中 低 山 丘 陵地貌，海拔 ４００～１ ２３６ ｍ。 该 区 属 亚 热 带 季 风 气 候，年平均气温为１３．７ ℃，最高气温３９ ℃，最低气温 －５ ℃；年降雨量为１ ６５０～１ ７００ ｍｍ。 土 壤 质 地 系 砂岩，为花岗岩风 化 发 育 的 黄 沙 土、红 沙 土、麻 沙 土，
ｈｉｇｈ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｌｏｏｓｅ ｓｏｉｌ．Ｎｏ ｒｕｎｏｆｆ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｏｎ ｓｗｅｅｔ ｐｏｔａｔｏ ｌａｎｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｗ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ０．６５ ｍｍ／ｍｉｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ，ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｒａｔｅ ａｎｄ ｒｕｎｏｆｆ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ｂａｒｅ ｌａｎｄｓ ｄｕｒｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ（１．１５ ｍｍ／ｍｉｎ）ａｎｄ ｈｉｇｈ（１．６５ ｍｍ／ｍｉｎ）ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ，ｓｈｏｗｉｎｇ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔ ｈａｄ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｂｅｉｎｇ １．３ａｎｄ ２．８ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｂａｒｅ ｌａｎｄｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｙ，ｒｕｎｏｆｆ，ｓｅｄｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｉｎｆｉｌ－ ｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｉｔｔｅｄ ｗｅｌｌ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｒａｔｅ ｗａｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ；ｓｏｉｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ；Ｚｉｑｕｅｊｉｅ ｔｅｒｒａｃｅ
紫鹊界梯田起 源 于 秦 汉，盛 于 唐 宋，迄 今 已 有 两 千多年的历史，是当今世界修筑最早的梯 田 之 一 。 ［１－２］ 该区梯田的突出特点是分布梯度大（分布于 ２５°～４０° 的山坡上，通常大于 ２５°的 坡 地 因 保 水 困 难 不 易 进 行 水 稻 田 耕 作 ），并 且 通 过 自 流 灌 溉 实 现 旱 涝 保 收 ，因 而 堪称农田水利灌溉工程之典范 。 ［３］
综合 考 虑 研 究 区 植 被、耕 作 方 式、地 形 及 降 雨 设 备 （交 通 便 利 、水 源 供 给 、便 于 操 作 ）等 因 素 ，另 需 具 代 表性，试验选取 几 个 典 型 地 块 布 设 径 流 小 区 （表 １）。 试验 小 区 的 布 设 是 通 过 ３ 块 钢 板 （宽 １５ｃｍ，厚 ２ ｍｍ）平 行 插 入 土１ ｍ，留 出露地高度约 ５．５ｃｍ；小 区 底 部 设 铁 制 漏 斗 形 水 沙 集 流 槽 ，同 样 平 行 插 入 坡 面 ，用 以 汇 集 坡 面 径 流 泥 沙 。
小区 编号
Ｐ１ Ｐ２ Ｐ３
表 １ 径 流 小 区 特 征 描 述
土地利 用类型
裸地 红薯地 裸地
盖 度／ ％ —
１００ —
容重／ 含水量／ 坡度／
（ｇ·ｃｍ－３） ％
（°）
１．３４ ２０．１ １０
１．１４ ２４．２ ７
１．３２ ２９．６ ２９
１．４ 指 标 测 定 （１）雨前表土 采 集。降 雨 试 验 前，在 小 区 附 近 用
环刀取样，以测定土壤容重及水分指标；另采集一定土 样带回实验室，用于降雨前表层土壤的理化性质分析。
（２）雨 强 率 定 。 每 次 降 雨 前 用 彩 条 布 盖 住 小 区 ， 其上均匀布置４个雨量 筒，降 雨 ５ ｍｉｎ，测 定 降 雨 量， 以此 计 算 降 雨 强 度 及 均 匀 度；均 匀 度 误 差 在 ５％ ～ １０％ 以 内 可 进 行 试 验 ，以 ４ 个 点 的 平 均 值 作 为 试 验 雨 强 ；若 误 差 太 大 ，需 调 整 降 雨 器 的 喷 头 ，重 新 率 定 。 根 据多次率定结果，本 研 究 采 用 低 （０．６５ ｍｍ／ｍｉｎ）、中 （１．１５ｍｍ／ｍｉｎ）、高（１．６５ ｍｍ／ｍｉｎ）３ 个雨 强 进 行 模 拟试验。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｆｉｅｌｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｏｉｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｓｗｅｅｔ ｐｏｔａｔｏ ａｎｄ ｂａｒｅ ｌａｎｄｓ ｉｎ Ｚｉｑｕｅｊｉｅ ｔｅｒｒａｃｅ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｗｏ ｂａｒｅ ｌａｎｄｓ，ｓｗｅｅｔ ｐｏｔａｔｏ ｌａｎｄ ｈａｄ ａ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ
收 稿 日 期 ：２０１３－０５－１６ 修 回 日 期 ：２０１３－０５－２２ 资助项目：水利部公益性行业科研专项“紫鹊界梯田原生态自流灌溉体系机理研究”（２０１１０１０３０）；国 家 自 然 科 学 基 金 “三 峡 库 区 草 地 土 壤 分
离 能 力 动 态 变 化 及 其 驱 动 机 制 ”（４１３０１２９８） 作者简介：张冠华（１９８３—），女（蒙古族），内 蒙 古 自 治 区 赤 峰 市 人，博 士，工 程 师，主 要 从 事 土 壤 侵 蚀 与 水 土 保 持 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｇｈ８３１１３＠
降雨器采用长江科学院水土保持研究所可移动 水土流失实验系统的下喷摆动式人工降雨装置。该 降 雨 系 统 由 模 拟 降 雨 器 ，供 回 水 系 统 ，水 箱 组 成 ；模 拟 降 雨 器 设 有 ３ 组 下 喷 摇 摆 式 喷 头 （喷 嘴 可 更 换 ３ 个 型 号 ），分 自 动 、手 动 两 种 控 制 模 式 ，以 此 调 节 雨 量 大 小 ； 其有效降雨面积１ｍ×３ｍ，降雨高度 ２．４ ｍ，可控制 降 雨 强 度 ２０～１７０ ｍｍ／ｈ，降 雨 均 匀 系 数 大 于 ０．８，模 拟降雨近似天然降雨 。 ［８］ １．３ 试 验 布 设
目 前 ，很 多 学 者 就 紫 鹊 界 梯 田 原 生 态 自 流 灌 溉 体 系及形成机理 进 行 了 初 步 分 析［１－７］，其 结 果 对 该 区 的 规划开发具有理论 指 导 意 义，但 关 于 其 水 土 流 失、水 分运移过程和水资源调配机制方面尚未见报道。基 于 此 ，本 研 究 通 过 野 外 模 拟 降 雨 试 验 分 析 该 区 坡 面 产 流产沙特征，以期揭 示 该 区 土 壤 入 渗、水 土 流 失 过 程
ｍｍ／ｍｉｎ）条件下无径流产生，中（１．１５ｍｍ／ｍｉｎ）、高（１．６５ ｍｍ／ｍｉｎ）雨 强 下 坡 面 产 流 产 沙 速 率 以 及 径 流 系
数均有很大程度的降低，表现出较强的减流减 沙 效 益，但 径 流 含 沙 量 分 别 为 裸 地 的 １．３ 和 ２．８ 倍；试 验 条
件 下 的 坡 面 产 流 产 沙 和 土 壤 入 渗 过 程 均 符 合 幂 函 数 关 系 ，产 流 率 与 产 沙 率 之 间 呈 线 性 关 系 。
摘 要 ：通 过 野 外 模 拟 降 雨 试 验 ，研 究 了 紫 鹊 界 梯 田 区 红 薯 地 与 裸 地 土 壤 入 渗 及 坡 面 产 流 产 沙 特 征 。 结 果
表明，与裸地坡面相比，红 薯 地 坡 面 由 于 覆 盖 度 高 ，土 壤 疏 松，其 土 壤 入 渗 率 比 裸 地 高 。 在 小 雨 强 （０．６５
１２６．ｃｏｍ。
１０
水土保持通报 第３３卷
结构性和 透 水 性 均 较 好。 紫 鹊 界 梯 田 面 积 ３ ８０１．６ ｈｍ２，遍布于海拔５００～１ ２００ｍ 的山坡上，共１０余万 丘，５００余级；横跨８面坡，５ 条 沟，４ 列 支 山 脉。 梯 田 平均宽度１．７５ｍ（最宽约 １０ ｍ），级与级 之 间 平 均 高 差 １．２５ ｍ，田 埂 平 均 宽 度 ０．３ ｍ，高 ０．２５ ｍ。 尽 管 该 区梯田分布于 ２５°～４０°山 坡 上，且 无 任 何 水 利 设 施， 但其水分存储、分配 体 系 却 很 完 善，一 年 四 季 水 满 田 畴，粮丰人旺，是该区 传 统 保 水 保 土 耕 作 与 特 定 生 态 环境和谐发展创造的奇迹。 １．２ 模 拟 降 雨 设 备
（３）降雨侵蚀过程观测。 降雨开始后即计时，记
录开始产流时间；根 据 产 流 强 度 确 定 取 样 频 次，用 塑
料桶收集全部径流泥沙过程样。
（４）产 流 产 沙 量 ：降 雨 结 束 后 记 录 降 雨 历 时 及 结
束 产 流 时 间 ；测 定 桶 内 径 流 量 ，搅 动 均 匀 ，用 小 瓶 子 收
集 １００ ｍｌ混 合 样 ，带 回 实 验 室 用 以 测 定 含 沙 量 ，进 一
步计算产流产沙量。
忽 略 雨 期 蒸 发 和 植 被 截 留 ，各 取 样 时 段 内 的 土 壤
入渗速率计算公式为：
ｉ＝Ｉｃｏｓθ－
∑Ｒｉ Ａｔ
（１）
式中：Ｒｉ———第ｉ 次 取 样 的 产 流 量 （ｍｌ）；Ｉ———降 雨 强度 （ｍｍ／ｍｉｎ）；ｉ———土 壤 入 渗 速 率 （ｍｍ／ｍｉｎ）； ｔ———产流时 间 （ｍｉｎ）；Ａ———坡 面 面 积 （ｍ２）；θ——— 地表坡度。
第 ３３ 卷 第 ６ 期 ２０１３ 年 １２ 月