模拟降雨装置在水土流失科学实验中的应用

通常采用的预测方法有数学模型法、实地测试法、类比预测法和物理模型法等,在方案编制初期,很多单位采用美国通用土壤流失方程(USLE)进行水土流失预测,由于我国的地形地貌差异很大,开发建设项目水土流失预测的时段及范围与ULSE的适用条件有较大差别,方程中所需参数缺乏扎实的科学基础,因此预测结果的准确性还经不起推敲,操作性比较差;目前,一些方案编制单位采用类比法,用同类地区已有的水土流失资料推算项目建设前后的水土流失量,比较简单、务实;还有一些方案编制单位根据研究资料,采用流失系数法计算水土流失量,比较科学准确。随着我国开发建设项目的增多和人们水土保持意识的增强,在工作中我们经常遇到新的情况,比如开发建设区域缺乏类比资料和试验数据,这就要求我们寻求其它以进行科学精确的水土流失预测。将模拟降雨装置作为辅助手段用于水土流失预测,解决了资料和试验数据问题,且大大提高了水土流失预测的可靠性,为水土保持方案中水土流失预测方法开辟了新的思路,对提出防护重点和防护措施具有重要意义。

水土流失是指人类对土地的利用，特别是对水土资源不合理的开发和经营，使土壤的覆盖物遭受破坏，裸露的土壤受水力冲蚀，流失量大于母质层育化成土壤的量，土壤流失由表土流失、心土流失而至母质流失，终使岩石暴露。

    根据产生水土流失的“动力”，分布最广泛的水土流失可分为水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀三种类型。

风力侵蚀导致水土流失

    1、水力侵蚀分布最广泛，在山区、丘陵区和一切有坡度的地面，暴雨时都会产生水力侵蚀。它的特点是以地面的水为动力冲走土壤。例如：黄河流域。

    2、重力侵蚀主要分布在山区、丘陵区的沟壑和陡坡上，在陡坡和沟的两岸沟壁，其中一部分下部被水流淘空，由于土壤及其成土母质自身的重力作用，不能继续保留在原来的位置，分散地或成片地塌落。

    3、风力侵蚀主要分布在中国西北、华北和东北的沙漠、沙地和丘陵盖沙地区，其次是东南沿海沙地，再次是河南、安徽、江苏几省的“黄泛区”（历史上由于黄河决口改道带出泥沙形成）。它的特点是由于风力扬起沙粒，离开原来的位置，随风飘浮到另外的地方降落。 例如：河西走廊、黄土高原

    另外还可以分为冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、风力侵蚀、植物侵蚀和化学侵蚀。

    中国是个多山国家，山地面积占国土面积的2/3；又是世界上黄土分布最广的国家。山地丘陵和黄土地区地形起伏。黄土或松散的风化壳在缺乏植被保护情况下极易发生侵蚀。大部分地区属于季风气候，降水量集中，雨季降水量常达 年降水量的60%～80%，且多暴雨。易于发生水土流失的地质地貌条件和气候条件是造成中国发生水土流失的主要原因。

    中国人口多，对粮食、民用燃料等需求大，所以在生产力水平不高的情况下，人们对土地实行掠夺性开垦，片面强调粮食产量，忽视了因地制宜的农林牧综合发展，把只适合林，牧业利用的土地也辟为农田，破坏了生态环境。大量开垦陡坡，以至陡坡越开越贫，越贫越垦，生态系统恶性循环；滥砍滥伐森林，甚至乱挖树根、草坪，树木锐减，使地表裸露，这些都加重了水土流失。另外，一些基本建设也不符合水土保持要求，例如，不合理的修筑公路、建厂、挖煤、采石等，破坏了植被，使边坡稳定性降低，引起滑坡、塌方、泥石流等严重的地质灾害。

    1、自然因素。

    主要有气候、地形、土壤（地面物质组成）、植被四个方面。

    ①地形：沟谷发育，陡坡；地面坡度越陡，地表径流的流速越快，对土壤的冲刷侵蚀力就越强。坡面越长，汇集地表径流量越多，冲刷力也越强。

    ②降雨。产生水土流失的降雨，一般是强度较大的暴雨，降雨强度超过土壤入渗强度才会产生地表（超渗）径流，造成对地表的冲刷侵蚀。

    ③地面物质组成。

    ④植被。达到一定郁闭度的林草植被有保护土壤不被侵蚀的作用。郁闭度越高，保持水土的越强。

    2、人为因素。

    人类对土地不合理的利用、破坏了地面植被和稳定的地形，以致造成严重的水土流失。

    ①植被的破坏

    ②不合理的耕作制度（轮荒）

    ③开矿

    水土流失的危害性很大，主要有以下几个方面：

    1、使土地生产力下降甚至丧失：中国水土流失面积已扩大到150万平方公里，约占中国的1/6，每年流失土壤50亿吨。土壤中流失的氮、磷、钾肥估计达4000万吨，与中国当前一年的化肥施用量相当，折合经济损失达24亿元。长江、黄河两大水系每年流失的泥沙量达26亿吨。其中含有的机肥料相当于50个年产量为50万吨的化肥厂的总量。难怪有人说黄河流走的不是泥沙，而是中华民族的血液，如此大片肥活的土壤和氮、磷、钾肥料被冲走了，必然造成土地生产力的下降甚至完全丧失。

    2、淤积河道、湖泊、水库：浙江省虽然水土流失较轻，可是省内有8条水系的河床普遍增高了0.2—0.1米，内河航行里程当前比60年代减少了1000公里。比如1958年以前，从嵊县城到曹娥江可通行10吨载重量的木船。由于河床淤沙太多，如今已被迫停航，地表水资源变成沙子，航建公司改成“黄沙”公司。

    湖南省洞庭湖由于风沙太多，每年有1400多公顷沙洲露出水面。湖水面积由1954年的3915平方公里到1978年已缩减到2740平方公里。更为严重的是洞庭湖水面已高出湖周陆地3米，这就丧失了它应承担的长江的分洪作用。这是一个十分严重的问题。

    四川省的嘉陵江、涪江、沱江等几条流域水土流失也十分严重，约20%以上的泥沙淤积于水库。据有关专家预测，照此下去，再过50年，长江流域的一些水库都要淤平或者成为泥沙库。 [1]

    3、污染水质影响生态平衡：当前，中国一个突出的问题是江、河湖（水库）水质的严重污染。水土流失则是水质污染的一个重要原因。长江水质正在遭受污染就是典型例子。

    由此可见，水土流失的危害性不仅很大，而且还具有长期效应。问题的严重性必须充分估计到。

治理与开发化学处理

    应用阴离子聚丙烯酰胺（PAM）防治水土流失，已成为国际普遍采用的化学处理措施。2003年美国水土保持报道了美国印地安那州D.C.Flangan等人应用模拟降雨装置，在多干扰农田中，进行了施用PAM防治水土流失的试验研究，取得了在雨量充沛地区施用PAM防治水土流失的试验成果。第1次暴雨事件后，20kg/h㎡PAM能使农用粉沙壤土的土壤固体颗粒淋失量减少60%，还能减缓60 L/min高强度流水的冲刷侵蚀。在易严重侵蚀的地区用PAM处理后的土壤能有效控制侵蚀。通过模拟降雨装置对初始干土模拟降雨研究发现，在69mm/h降雨中，用80 kg/h㎡PAM可使粉沙壤土堤减少86%的地表径流和99%的土壤流失。在表土，用PAM液雾喷施风干的土壤比直接用干PAM颗粒处理的土壤更能及时有效地控制侵蚀。相信，此项研究对中国应用PAM防治水土流失的试验研究，有一定的借鉴作用。

综合治理

    原则：调整土地利用结构，治理与开发相结合。

    具体：

    1、压缩农业用地，重点抓好川地、塬地、坝地、缓坡梯田的建设，充分挖掘水资源，采用现代农业技术措施，提高土地生产率，逐步建成旱涝保收，高产稳产的基本农田（基本前提）。

    2、扩大林草种植面积；

    3、改善天然草场的植被，超载过牧的地方应适当压缩牲畜数量，提高牲畜质量，实行轮封轮牧；

    4、复垦回填。

    实践：小流域综合治理

    重点：保持水土，开发利用水土资源，建立有机高效的农林牧业生产体系。

    方针：保塬，护坡，固沟

    模式：工程措施（打坝建库，平整土地，修建基本农田，抽引水灌溉）。

生物措施

    农业技术措施（深耕改土，科学施肥，选育良种，地膜覆盖，轮作复种）。