紫鹊界梯田的水土保持管理工作理论依据 - 2014年环境科学与工程论文

© 2014年。由爱思唯尔公司出版信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9（2014）13 - 192014年环境系统科学与工程紫鹊界梯田钱锋a *，程东兵b，刘景军c *a长江科学研究院水土保持部，武汉430010 b长江科学研究院水土保持部，武汉430010 c中工WHU设计研究co.ltd，武汉430010摘要紫鹊界梯田的自然自流灌溉长期以来受到众多水利学者的广泛关注。综合考虑研究区植被、耕作、地形地貌、降雨设备及代表性等因素，选取几个典型地块设置径流小区（P1、P2、P3）。通过人工模拟降雨试验，分析了3个试验小区不同降雨强度下的产流时间、产流产沙比、入渗速率、土壤入渗、产流产沙过程及产流产沙关系，揭示了降雨强度、坡度、植被、土壤性质等因素对坡面入渗、产流产沙的影响规律。为紫鹊界梯田水土保持组织管理工作提供理论依据。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：紫鹊界梯田，径流，产沙，土壤入渗。1. 介绍紫鹊界梯田的自然自流灌溉长期以来受到众多水利学者的广泛关注。明确了地下水的来源、储存形式、供给方式和迁移转化规律，* 通讯作者。联系电话：+8615827408850。电子邮箱：qianfeng@whu.edu.cn。2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审14Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）13研究支撑梯田灌溉系统和整个生态系统的水源，深入把握这一惊人现象的内在机理，不仅是更好地开发利用和有效保护紫鹊界梯田的必要理论依据，而且对我国梯田的开发和保护具有重要的参考价值。国内一些学者和专家也有类似的研究或探讨。荀文胜从水流运动和循环的角度分析了紫鹊界梯田原有的自流灌溉过程，并在此基础上对影响自流灌溉过程的因素进行了总结和研究[1]。荀志芳对紫鹊界梯田自流灌溉系统进行了全面分析，提出紫鹊界梯田是人与自然和谐发展的重要范例[2]。甘德兴通过对当地生态和社会条件的分析，揭示了紫鹊界梯田防灾机制的可持续利用[3]。国内外学者对古阶地生态景观的研究主要集中在古阶地生态景观的开发利用和保护措施方面，缺乏基础理论研究。本文通过对紫鹊界梯田区域降雨、入渗、产流、产沙的研究，揭示紫鹊界梯田自然生态自流灌溉水的自我约束机制和生态保护机制，为当地水土保持工作奠定基础[4]。2. 材料和方法2.1. 研究区概况及试验方案研究区域紫鹊界梯田位于湖南省新化县西部山区车水镇。产于东经110° 45° ~ 111° 41°。 最后一个是115号平台。5km 2，呈带状分布阶地平均宽1.75米（最西处0.2米，最宽处约10米），每级阶地平均高差为1.25米，平均垄宽0.3米，垄高0.25米，梯田跨越8个面坡、5条沟、4座山，虽然坡度在25°-40°之间，没有任何人工水利设施，其蓄水和配水系统已近乎完善，可使水常年灌田，确保在干旱或多雨的情况下保持稳定的产量，而不发生任何水土流失灾害[3，5]。测试程序考虑到研究区植被、耕作、地形地貌和降雨设备（交通便利、供水充足、易于操作）等因素，除具有代表性外，本试验选取了几个典型地块设置径流小区（表1）。试验田由三块钢板（宽15 cm，厚2mm）平行插入土壤中铺设并围筑而成，规格为3 m * 1 m，叶开高度约为5.5 cm。在试验小区底部设置漏斗形金属集沙槽，以同样的方式平行插入坡面，收集坡面径流和泥沙。降雨前表土采集：降雨试验前，在小区附近用割环取样，测定土壤容重和水分指数。此外，还采集了部分土壤样品带回实验室，分析了降雨前表层土壤的理化性质。降雨强度校准：每次降雨前用条纹布覆盖小区，将四个测雨筒均匀地排列在布上，降雨5分钟，测量降雨量，计算降雨强度和均匀度。均匀性误差在5-10%范围内可进行测试，取四点的平均值作为测试雨强，如果误差过大，则需重新调整喷头并进行标定。根据反复标定的结果，本研究采用低（0.65mm/min）、中（1.15 mm/min）、高（1.65 mm/min）雨强进行模拟试验。Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）1315产流产沙量：记录降雨历时及降雨结束后径流结束的时间。在桶中测量径流量，并搅拌均匀，收集100ml混合样品，带回实验室测定含沙量，产沙量在进一步计算中。进一步计算出径流量和产沙量。忽略降雨期蒸发量和植被截留量，按下式计算不同采样期土壤入渗速率：icosRi（一）阿勒特计算公式：Ri为径流取样量（ml），I为入渗强度（mm/min），产流速率（mm/min），t为产流时间（min）。A为坡面面积（m2），为地表坡度。所有表格均应使用阿拉伯数字编号。标题应置于表格上方，左对齐。标题和表格之间留一行空。在表格中只能使用水平线， 以区分列标题和表体，以及表的正上方和正下方。表格必须嵌入文本中，不得单独提供。下面是一个例子，作者可能会觉得很有用。表1径流小区样地土地利用类型覆盖度容重含水量梯度（%3）（g/cm33）（%3）（第3P1裸地-1.3420.110P2红薯地1001.1424.27P3裸地-1.3229.629注：P1、P2和P3是指三个径流地块的布局3. 结果和讨论时间开始流动图1显示了在三种不同降雨强度下，每个小区开始流动的时间图1不同样地16Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）13试验结果分析表明，平均起流时间表现为P1 > P3 > P2。降雨强度、坡度、植被和土壤性质等要素，都能影响坡面径流时间，甘薯小区P2为农业用地（表1），经过长期经营管理，土壤疏松，有利于水分下渗，且P2覆盖率达到100%，增强了其截留降雨能力，坡度也很小，均能延缓地表径流的产生，使P2的起流时间值显著低于P1和P3。此外，随着雨强的增加，不同小区的始流时间均减少，变化最明显的是P2（甘薯小区），小雨强（0.65 mm/min）下无径流，大雨强（1.65 mm/min）下始流时间为1.42 min。其次是P1图，开始流时间的变化幅度约为8.35min（由小雨强下的9.5min减小到大雨强下的1.15min）。P1和P3均为裸地（表1），容重相近，但P3的土壤含水量和坡度显著大于P1，分析结果表明，不同雨强下P1样地的始流时间是P3样地的1.25 ~ 2.14倍（图1），因此，进一步的研究可以围绕不同的坡度和初始含水率梯度，探讨含水率、坡度和可能的交互作用对坡面径流的影响，分析其作用和贡献。坡面产流产沙过程地表径流是坡面侵蚀（面蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀）的主要驱动力，坡面径流过程是降水截留、填凹、蒸发、入渗过程和下垫面条件等综合作用的结果[6]。通过各小区试验，不同雨强下坡面产流产沙过程相似，P2小区在小雨强（0.65 mm/min）下无产流，因此本文以中等雨强（1.15 mm/min）为例，对坡面土壤入渗、产流产沙过程进行扩展分析。坡面土壤入渗过程从图2中可以看出，P2（红薯地）坡面土壤入渗速率明显高于P1和P3（裸地），红薯地坡度对降雨具有明显的截留作用。这主要是由于甘薯地作物能减少降雨动态（完全覆盖），使坡地土壤不易结皮，作物根系对土壤构型的改善和良好的管理增强了土壤入渗能力。不同样地的入渗速率表现为P2>P1>P3。对不同坡度的土壤入渗过程进行拟合，发现采用幂函数模型拟合效果最好，复决定系数R2均在0.9以上。以上分析表明，裸地样地的土壤结构比有植被或农作物覆盖的样地差，由于缺乏地面植被的保护，雨滴直接打在地表，溅起的土粒可能堵塞土壤空隙，使坡面土壤的初始入渗率和平均入渗率较低。另外，由于裸地坡面产流强度较大，径流不断冲刷地表，使其达到稳定入渗的时间也较长。Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）1317不同坡面土壤入渗及产流产沙过程。坡面产流产沙过程对比土壤入渗过程，不同小区坡面产流速率为P3 >P1 > P2，且变化过程一致，均表现为初期产流量很低，随着降雨的持续，土壤逐渐饱和，水分入渗趋于稳定，同时产生径流。坡面侵蚀产沙的贡献主要来自降雨初期的雨滴溅击作用，P3（裸地坡面）产沙率达15.86g/m2/min，分别是P1和P2的2.8和18.5倍。随着径流时间的延续，径流深增加，雨滴动能直接击散土壤颗粒的作用减弱，侵蚀产沙率降低，但整个径流过程中P3（裸地）的产沙率始终最高，P1（裸地）次之，P2（红薯地）的产流产沙过程线远低于P3和P2具有较强的减水减沙作用。通过对小区坡面产流产沙过程的拟合，可以发现径流过程符合幂函数关系，而产沙过程符合负幂函数关系（表2）表2不同坡面土壤入渗速率i、径流速率Rr、产沙速率Er与时间t的回归分析拟合参数P1P2P3入渗率i=1.243ti=1.356ti=1.465t（mm/min3R2=0.926**R2=0.915**R2=0.938**开采流率Rr=0.124t0.508Rr=0.016t0.199Rr=0.503t0.151（mm/min3R2=0.802**R2=0.843**R2=0.813**18Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）13产沙率（g/m2mi n3）Er=10.651tEr=1.168tEr=18.156t产流产沙关系作为土壤可蚀性的一个指标，净隔条件下的产流产沙关系一般认为是一元线性关系，沉积条件下的产流产沙关系一般认为是二次回归关系。分析结果表明，径流量（Rr）与侵蚀产沙率（Er）之间存在显著的线性关系（图3，Er=18.134 Rr-0.8349，R2 =0.882 **），这与以往的大量研究结果相一致。图3生产流量与产沙率4. 结论通过对紫鹊界梯田进行人工降雨试验和土壤入渗试验，观测了降雨入渗和地表径流形成过程，揭示了紫鹊界梯田降雨、降雨入渗和产流产沙规律，具体如下：(1) 降雨强度、坡度、植被和土壤性质等因素都会影响坡面产流时间。(2) 产流产沙参数值随降雨强度的增加呈持续上升趋势，不同小区的初始入渗率和稳定入渗率表现为P2>P1>P3。(3) 裸地样地的土壤结构比有植被或作物覆盖的样地差，由于缺乏地面植被的保护，雨滴直接打在地表，溅起的土粒可能堵塞土壤空隙，使坡面土壤的初始入渗率和平均入渗率较低。另外，由于裸地坡面产流强度较大，径流不断冲刷地表，使其达到稳定入渗的时间也较长[7]。(4) 对比土壤入渗过程，不同小区坡面产流速率为P3 >P1 > P2，且变化过程一致，均表现为初期产流量很低，随着降雨的持续，土壤逐渐饱和，水分入渗趋于稳定，同时产生径流。产流过程符合幂函数关系，产沙过程符合负幂函数关系。Feng Qian等/ IERI Procedia 9（2014）1319(5) 网隔条件下的产流产沙关系一般认为是一元线性关系，而淤积条件下的产流产沙关系一般认为是二次回归关系。分析结果表明，径流量（Rr）与侵蚀产沙率（Er）之间存在显著的线性关系确认这项工作得到了水利部非营利产业金融项目（201101030）的资助引用[1] 徐文胜，尤伟，李亚龙，程东兵，刘晓璐，张炳苍.影响紫鹊界梯田自然自流灌溉环境因素的初步研究[J].长江科学研究院学报，2011，28（10）：69-74.[2]徐志芳，东北芳荣，张硕福，等。湖南紫鹊界梯田自然自流灌溉系统研究[J]。中国农村水利水电，2006，（4）：73-74.（中文）[3] 甘德新，龙跃林，黄煌，等1.山地梯田景观的防灾机理与效益分析--以紫鹊界梯田为例[J]，自然灾害学报，2006，15（6）：6-8. 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