模型黄土高原前期建设的关键技术问题

模型黄土高原试验数据将通过不同类型的传感器获得。由于模型黄土高原研究对象的空间尺度、坡面和沟道水流状况等均有很大变化，选择什么类型的传感器，使之能够适合研究需要，也是一个关键问题。

满足水土保持研究的自动化气象观测传感器有定型产品，且已应用多年，可以直接采购，用于试验研究。

作为水文测验仪器的传感器，种类繁多，测量原理不同，测量范围各异，测量精度不同。但适合水土保持（微小水流）研究，特别是对径流小区观测的水文传感器定型产品较少。多年来，小流域水文观测主要是人工测量水位和取水样，自动化传感器的推广时间不长。对于测量径流小区内部的坡面流的传感器基本没有定型产品，许多是研究单位结合试验自己研制的非标准化、非商品化的仪器。

因此水文观测的传感器选型是模型黄土高原建设与试验研究的重点，它影响模型黄土高原的现代化水平，关系到试验研究的准确与精确程度。

模型黄土高原的原型小流域观测主要是获取天然降雨产生的径流泥沙数据。由于黄土高原地区多突发性暴雨和短历时、高含沙洪水，人工观测极易造成漏测、误测；人工降雨小区试验中的坡面流流层微薄，流速变化大，流态不稳定。这些都对传感器的选型提出了较高的要求：

1、能够实时测量坡面微小水流的状态；

2、测量范围宽，并能测量高含沙水流；

3、具有较高的测量精度；

4、微型化、数字化、自动化、可靠性高；

5、价格较低。

经过多次考察，了解到目前国内水土保持观测、监测采用的传感器主要类型有：

1、水位计：适用于小流域沟口测站的接触式、非接触式自动化水位计。

2、流速仪：尚无商品化的可以测量坡面微小水流的流速仪。

3、含沙量测量仪：适用于小流域沟口测站和径流小区的（12瓶和24瓶）自动化机械采样器。尚无商品化的、可以测量坡面微小水流含沙量的仪器。

初步考虑将在模型黄土高原建设中根据不同的测流对象，采用和研制不同类型的传感器。

1、在小流域沟口测站，采用非接触式自动化实时传输的水位仪。含沙量观测先期采用（12瓶和24瓶）自动化机械采样器。研制可以实时获得含沙量数据的自动化传感器。

2、在径流小区采用采用自动化土壤含水量测量仪。在径流桶内，采用非接触式自动化实时传输的水位仪。含沙量观测先期采用（12瓶和24瓶）自动化机械采样器。研制可以实时获得含沙量数据的自动化传感器。

3、在小区内部坡面流测量方面，先期采用非商品化的流速、含水量等测量仪器，同时与有关科研单位协作，进一步研制适用于小区内部坡面流测量的仪器。

（黄河上中游管理局 模型黄土高原技术负责人  李敏）

 

模型黄土高原前期建设的关键技术问题（五）

水土流失规律研究

水土流失规律是一个已经研究多年的课题，多年来在黄委三个水保站的研究课题申报表上都是名列第一位的项目。国内外科研机构对此课题也是给予高度重视，并且完成了大量的研究工作，提出了许多各具特点的研究成果。但是在实际应用中，特别是在黄土高原治理中，可以应用的此类成果却极少，例如，到目前仍然没有能够比较客观准确反映黄土高原水土流失的土壤侵蚀模型（方程）。因此，模型黄土高原在前期建设中如何设计研究内容是最大的技术关键。

限于研究条件，以往的研究多侧重于结果分析，其中采用统计分析方法研究的较多，成因分析较少。由于一个流域内的下垫面状况差异很大，土地利用类型多样，因此研究报告往往不能对其形成的结果进行准确的解释。此外，有的对美国的水土流失通用方程进行了引进性的研究，也没有得出肯定的结果。究其原因，主要是对水土流失的机理没有深入研究，没有破解流域集水区和径流小区这个“黑箱”。

据此，模型黄土高原必须研究小流域集水区和径流小区这个“黑箱”，初步考虑，研究的基本思路如下：

1、在原型观测小流域，不仅在沟口测站进行常规的观测，而且在小流域的集水区内设置径流小区，观测不同坡度、不同坡长、不同坡向、不同覆盖等条件下的水文效应，观测小流域内部的产流产沙现象，揭示其水土流失规律。

2、原型小流域观测虽然简单，但由于研究对象全部为自然状态，存在研究因子的不可控性，造成研究结果的随机误差较大；同时黄土高原地区每年形成径流的侵蚀性降雨次数较少。为了加快研究进程，同时使研究对象部分成为可控，实施人工降雨和设置部分人工影响的下垫面开展试验。研究采用先简后繁，先单因子后多因子，循序渐进，系统实施的方式进行：

首先布设不同下垫面条件的人工降雨径流小区（坡面），在小区（坡面）内布设传感器，观测坡面产流产沙现象，分别研究坡度、坡长等单因子影响下的土壤侵蚀规律。降雨（径流）作用于土壤表面发生侵蚀，坡度、坡长和植被覆盖等是加剧或减少侵蚀的因子，因此，特别要研究裸露地表的土壤侵蚀规律，建立基本侵蚀模型。

对于在径流小区进行人工降雨试验，过去和现在都有多家研究单位实施过。由于黄土高原地区降雨、土壤、植被等因子的差异，一个地方的研究结果不适用于其他地方，要建立不同地点的小区侵蚀模型，不能照搬其他地方的研究成果，必须开展符合当地自然条件的研究。同时，以往缺乏对小区内产流产沙现象的观测，因此模型黄土高原建设的第一步必须开展径流小区人工降雨试验。本试验阶段包括不同类型的径流小区和完整坡面试验。

其次进行微集水区（微流域）人工降雨试验，研究多因子，及多因子复合作用下的土壤侵蚀规律。由于模型黄土高原研究的目的是建立以小流域为单元的不同类型的模型群，而从径流小区试验到小流域试验的空间跨度较大，为了使研究顺利实施，仍然采用循序渐进的方法，选择下垫面较小流域下垫面相对简单的微集水区（微流域）做过渡性试验。本试验阶段最大的特点是增加了沟道汇流过程的观测研究。

第三步开展小流域人工降雨试验，进一步研究多因子复合影响的土壤侵蚀规律。

3、由于小流域下垫面情况复杂，坡度、坡长、坡向、植物覆盖等因子的空间变化较大，且上游的因子变化，影响下游侵蚀状况，因此，需要将小流域划分成若干个分析单元，采用相应的数学工具，建立各单元的状态方程，进行模拟分析。

 

（黄河上中游管理局 模型黄土高原技术负责人  李敏）