草地植被結(jié)構(gòu)對坡面流水動力學(xué)特性的影響研究

徐 震,高建恩,趙春紅

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.國務(wù)院南水北調(diào)辦公室政策及技術(shù)研究中心，北京 100038)

植樹種草是控制土壤侵蝕，治理水土流失從而進行生態(tài)修復(fù)的重要水土保持措施之一[1- 2]，而植被調(diào)控坡面徑流輸沙機理也一直是研究的熱點。目前國內(nèi)外關(guān)于植被調(diào)控下的坡面侵蝕研究多集中在植被減沙貢獻(xiàn)方面[3- 6]，關(guān)于水動力學(xué)特性的研究主要集中在裸地坡面上[7- 9]，近年來一些學(xué)者從水動力學(xué)角度分析植被水沙調(diào)控機理[10- 19]，研究了不同植被、不同覆蓋度對坡面流水動力學(xué)特性及產(chǎn)沙過程的影響；趙春紅、高建恩等[20]、楊坪坪、張會蘭等[21]通過圓柱體試驗研究了坡面流水動力學(xué)特性，探索了植被莖部對坡面流水動力學(xué)特性的影響。由于黃土高原區(qū)域氣候干旱，植被為減少蒸發(fā)，多冠層細(xì)小根系發(fā)達(dá)[22]，其在短歷時高強度暴雨的沖擊下，草被覆蓋、根系作用在一定程度上會減少細(xì)溝的出現(xiàn)，降低雨滴對坡面土壤顆粒的濺蝕，深刻影響著坡面流流速、阻力等水動力學(xué)參數(shù)，植被根系和冠層如何進行水沙調(diào)控值得深入研究。本文通過對3種下墊面(草被下墊面、根系下墊面、裸坡下墊面)進行室內(nèi)人工模擬降雨試驗，研究真實草被根系和冠層對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的影響，以期為進一步深入研究植被結(jié)構(gòu)調(diào)控土壤侵蝕過程提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置和供試材料

試驗在中科院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳下噴區(qū)進行，試驗裝置如圖1所示，光滑玻璃水槽寬1m，高33cm，長8m；水槽可調(diào)節(jié)到試驗所需要的坡度，坡度分別調(diào)節(jié)為1°，3°，6°，9°和12°。

圖1 試驗裝置圖

試驗沙樣取自黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)毛烏素沙漠南緣定邊縣集鎮(zhèn)的天然黃綿沙，先在試驗槽底部鋪3cm厚的非均勻沙，邊裝填邊壓實，以增強其糙度，然后再填入供試材料——均勻沙，即通過0.25mm和0.125mm篩孔篩出的平均粒徑為0.177mm的均勻沙，厚度為12cm，裝填結(jié)束后，用特制平尺將表面刮平，表面無結(jié)皮，即為裸坡下墊面。選取黃土高原3個發(fā)生頻率較大時段的雨強30mm/h，60mm/h，90mm/h進行試驗，降雨歷時1h，降雨高度16m以保證雨滴達(dá)到終速。

圖2 各下墊面示意圖

1.2 下墊面的處理

各下墊面示意圖如圖2所示，草被下墊面處理方法：在與裸坡下墊面相同的條件下，在其上種植沙打旺(成株后覆蓋度約為40%)。根系下墊面處理方法：在同草被下墊面相同的的條件下剪去坡面上露出的草被冠層，使其表面與裸坡下墊面相同，但下部仍有根系存在。每場試驗前通過預(yù)降雨的方法控制各下墊面土壤含水率的一致性，含水率通過WET測出。

1.3 含沙量、流量和坡面流流速的測量

每3min進行采樣，采集的泥沙樣量測體積后，烘干稱重，確定含沙量；用積分桶測量體積以計算總流量。每次采樣的同時對3個控制斷面(圖1)用染色劑法進行流速測量，選取3斷面多次平均流速的均值作為坡面流表層流速，本次試驗屬層流范疇，故乘以修正系數(shù)0.67作為水流斷面的平均流速[23]，即為坡面流流速。

1.4 研究方法

本次研究中，為了定量分析草被根系與冠層對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的調(diào)控，假定草被對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的調(diào)控僅為冠層與根系的作用之和。因此，冠層對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的調(diào)控作用為草被的作用減去根系的作用。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1 流速V

坡面流流速分為表層流速VS和平均流速V，表層優(yōu)勢流速通常采用染色劑高錳酸鉀失蹤法進行測定，而平均流速可通過坡面流所處的流型進行修正。

V=αVs

(1)

式中，α—修正系數(shù)，當(dāng)水流流型為層流和過渡流時，α取0.67，當(dāng)為紊流時，α取0.8。

1.5.2 平均水深h

從水力學(xué)角度講，水深是幾何因子，水力半徑是水力因子。一般水深都是自變量，只有在河床演變方面，水深和床面變形在一個尺度，可作為因變量。由于坡面降雨徑流屬薄層水流，床面變形(坡面泥沙的沖刷，淤積)和下墊面因素(草被的截留，根系固結(jié)土壤顆粒)均會對實際水深造成一定的影響，在草被下墊面條件下水深亦不易于測量，因此水深作為因變量可由各時段典型斷面的平均表層流速和流量反算得出：

(2)

1.5.3 雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr

雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr是判定坡面水流流型流態(tài)的重要依據(jù)，均無量綱。雷諾數(shù)反映了水流的慣性力與粘滯力的比值，而弗勞德數(shù)表征水流慣性力與重力的比值。其表達(dá)式分別為：

Re=Vsh/ν

(3)

(4)

式中，ν—水流動力粘滯系數(shù)，m2·s-1；ν=0.01775/(1+0.0337T+0.000221T2)，其中T為水溫，℃。

1.5.4 Darcy阻力系數(shù)f和曼寧糙率系數(shù)n

對兩組研究對象的診斷結(jié)果對比，CT掃描組中研究對象能夠進行確診的總共有13例，跟臨床結(jié)果進行對比的確診概率為65%；磁共振組中研究對象能夠進行確診的總共有18例，跟臨床結(jié)果進行對比的確診概率為90%。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩組之間的診斷結(jié)果的數(shù)值比較具有統(tǒng)計學(xué)的意義（P＜0.05）。

(5)

(6)

2 草被根系和冠層對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的影響

2.1 草被根系和冠層對坡面流流速的影響

草被可通過冠層截流減小徑流量，莖稈阻礙增加徑流阻力，根系固結(jié)泥沙顆粒減小徑流挾沙從而減小徑流能量等作用減緩坡面徑流流速，根系下墊面條件下僅通過根系固結(jié)泥沙作用減緩流速。不同下墊面坡面流流速隨坡度變化如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)雨強為30mm/h時，裸坡和根系的流速相近，均明顯大于草被下墊面的坡面流流速，草被冠層在減緩坡面流流速時起到主要貢獻(xiàn)作用；當(dāng)雨強增至60mm/h時，根系對坡面徑流流速的減緩作用開始逐漸增強；當(dāng)雨強增至90mm/h時，根系和草被下墊面的流速相近，裸坡下墊面條件下的流速明顯大于二者，草冠可平均減小坡面流流速6%，草根可平均減小坡面流流速69%?？傮w上，隨著雨強的增大，根系逐漸取代冠層而成為減小坡面流流速的主要貢獻(xiàn)者，在30mm/h、60mm/h、90mm/h雨強下，草冠草根共同作用平均減小流速效益分別為65.3%、75.7%、74.9%。

圖3 不同下墊面坡面流流速隨坡度變化

通過對45組試驗資料進行多元回歸分析，得出了不同下墊面條件下坡面流流速與單寬流量、坡降、雨強間的相關(guān)關(guān)系，見表1，可以看出雨滴擾動對坡面流流速的影響遠(yuǎn)小于流量和坡降影響，在牧草和根系下墊面下，坡降對坡面流流速發(fā)揮主要作用，流量次之；在裸坡下墊面下，流量對坡面流流速起到主要作用，坡降次之。

表1 不同下墊面坡面流流速公式

在水力學(xué)的明渠均勻流中，謝才公式在高水深條件下其公式為：

(7)

將其運用于坡面非均勻流時，水力半徑R可近似等于水深h，公式可推導(dǎo)如下：

(8)

可以看出流速與單寬流量的0.4次方成正比，與坡降的0.3次方成正比，對于本次試驗，在裸坡條件下，坡面流流速與單寬流量的0.5次方成正比，與坡降的0.3次方成正比，在牧草、根系下墊面條件下，坡面流流速與單寬流量的0.25次方成正比，坡降因子的冪均大于0.3，因此，明渠均勻流的謝才公式在應(yīng)用于坡面非均勻流時需要修正。

2.2 草被根系和冠層對坡面流平均水深的影響

由于坡面降雨徑流屬薄層水流，床面變形(坡面泥沙的沖刷，淤積)和下墊面因素(草被的截留，根系固結(jié)土壤顆粒)均會對實際水深造成一定的影響，在草被下墊面條件下水深亦不易于測量，因此水深作為因變量可由各時段典型斷面的平均流速和流量反算得出。

不同下墊面坡面流水深隨坡度變化如圖4所示，從圖4可以看出，坡面流平均水深隨坡度的增加呈減小趨勢，其與坡度的對數(shù)呈較好的線性相關(guān)關(guān)系。在坡度為3°～12°下，當(dāng)雨強為30mm/h和60mm/h時，草被下墊面的水深明顯高于其它兩種下墊面的水深，草被冠層在增加坡面徑流水深中起到主要作用，當(dāng)雨強增至90mm/h時，根系取代冠層在增加坡面徑流水深時起到主要作用?？偟膩砜?，草冠草根共同作用可使坡面流水深平均增加2.13～2.29倍，在小雨強(30mm/h、60mm/h)下，草冠平均增加坡面流水深1.46倍，草根平均增加坡面流水深0.72倍，在大雨強(90mm/h)下，草冠平均增加坡面流水深0.50倍，草根平均增加坡面流水深1.78倍。

圖4 不同下墊面坡面流水深隨坡度變化

圖5 不同雨強、坡度下草被根系與冠層減緩流態(tài)效益比

2.3 草被根系和冠層對坡面流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的影響

對于坡面徑流，流型指坡面流的流動型態(tài)，即層流、過度流及紊流，常用雷諾數(shù)反映；流態(tài)是流動的狀態(tài)，即緩流、臨界流與急流，常用弗勞德數(shù)反映。不同坡度、雨強、下墊面條件下坡面流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)見表2，從表2可以看出，弗勞德數(shù)隨坡度的增加而增大，草被根系和冠層的作用均使之減小，而雷諾數(shù)隨雨強的增加而增大，草被根系作用使之增加。當(dāng)坡度為3°～9°時，在雨強為30mm/h時，冠層在減緩水流流態(tài)時起到主要貢獻(xiàn)作用，當(dāng)雨強增至90mm/h時，根系逐漸取代冠層而成為減緩水流流態(tài)的主要貢獻(xiàn)者，如圖5所示?？傮w來看，草被冠層多減小坡面流雷諾數(shù)，而根系多增加坡面流雷諾數(shù)，二者對坡面流雷諾數(shù)的影響最大變幅達(dá)40%以上。草被冠層減小坡面流弗勞德數(shù)最大值達(dá)2.2，根系減小坡面流弗勞德數(shù)最大值達(dá)6.5。

依據(jù)明渠及天然河道臨界雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)[24]，本試驗條件下的坡面徑流流動型態(tài)可初步判定為層流，然而在降雨試驗觀測過程中發(fā)現(xiàn)徑流出現(xiàn)了大量的紊動，這與雨滴的擊濺，植被的擾動等有直接關(guān)系，因此明渠及天然河道臨界雷諾數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)不適用于坡面流流型判定。草被下墊面坡面流流態(tài)基本均為緩流；根系下墊面坡面流流態(tài)在1°～3°間由緩流轉(zhuǎn)為急流，裸坡下墊面坡面流流態(tài)均為急流。

表2 不同坡度、雨強、下墊面條件下坡面流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)

圖6 不同雨強、坡度下草被根系與冠層對坡面流阻力系數(shù)的影響

2.4 草被根系和冠層對坡面流阻力系數(shù)的影響

不同坡度、雨強、下墊面條件下坡面流阻力系數(shù)見表3，從表3可以看出，草被根系和冠層可顯著增大坡面流阻力。對于3°～12°坡面，在雨強為30mm/h和60mm/h時，草被冠層可顯著增加坡面流阻力系數(shù)，當(dāng)雨強增至90mm/h時，草被根系逐漸取代冠層成為增加阻力系數(shù)的主要貢獻(xiàn)者。曼寧糙率系數(shù)在草被作用條件下變化于0.0403～0.1190之間，在根系作用條件下變化于0.0079～0.0586之間，在裸坡條件下變化于0.0041～0.0136之間；Darcy阻力系數(shù)在草被作用條件下變化于1.33～8.90之間，在根系作用條件下變化于0.07～2.14之間，在裸坡條件下變化于0.02～0.21之間。當(dāng)坡度為3～12°時，在雨強為30mm/h和60mm/h時，冠層對水流的增阻起到顯著的貢獻(xiàn)作用，當(dāng)雨強增至90mm/h時，根系對水流增阻的貢獻(xiàn)作用有所增加，并逐漸起到主要貢獻(xiàn)作用，如圖6所示。

草冠對坡面流增糙的貢獻(xiàn)最大達(dá)0.108，增加坡面流阻力最大值達(dá)8.8；而草根對坡面流增糙的貢獻(xiàn)最大僅為0.052，增加坡面流阻力最大值僅為2.2，因此草冠對坡面流糙率、阻力的影響較草根更為顯著。但在大雨強、陡坡情況下(90mm/h、12°)，草被根系的增糙、增阻作用非常明顯，冠層基本沒有作用。總的來看，草冠草根共同作用可使坡面流阻力平均增加27.9～52.3倍，在雨強較小時，草冠可平均增加坡面流阻力34.1倍，草根可平均增加坡面流阻力4.6倍，在大雨強下，草冠可平均增加坡面流阻力20.4倍，草根可平均增加坡面流阻力32.0倍。

表3 不同坡度、雨強、下墊面條件下坡面流阻力系數(shù)

3 結(jié)論

(1)本次試驗采用沙打旺植被，其具有防風(fēng)固沙，抗旱抗寒等諸多優(yōu)點，沙樣取自黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)毛烏素沙漠南緣定邊縣集鎮(zhèn)的天然黃綿沙，研究了植被結(jié)構(gòu)對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的影響，對治理日益沙化且干旱缺水的黃土高原水土流失具有現(xiàn)實意義。在未來的黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，可通過優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)配置，緩解黃土高原水土流失現(xiàn)狀。

(2)草被根系、冠層通過改變坡面流流態(tài)，減小流速，增加坡面阻力減少徑流侵蝕。當(dāng)坡面接近水平時(S=1°)，草被根系對減小坡面流流速和減緩坡面流流態(tài)均發(fā)揮著顯著的貢獻(xiàn)作用；對于傾斜坡面(S=3°、6°、9°、12°)，雨強較小時(i=30mm/h、60mm/h)，草被冠層對減小徑流流速和減緩坡面流流態(tài)，增加徑流水深和增大徑流阻力起主要貢獻(xiàn)作用，當(dāng)雨強增至90mm/h時，草被根系逐漸取代冠層成為主要貢獻(xiàn)者。

(3)試驗條件下草被下墊面坡面流流態(tài)基本為緩流，根系下墊面坡面流流態(tài)在1°～3°間由緩流轉(zhuǎn)為急流，裸坡下墊面坡面流流態(tài)均為急流。雨強較小時(i=30mm/h、60mm/h)，根系和冠層對弗勞德數(shù)的減小作用基本相同，約41%左右，當(dāng)雨強增至90mm/h時，根系發(fā)揮主要作用。