不同草帶空間分布對(duì)坡面緩流效應(yīng)調(diào)控機(jī)制

賈蓮蓮, 樊 冰, 朱冰冰

(1.黃河水利委員會(huì)黃河上中游管理局, 西安710021; 2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710061)

植被具有截留降水、增加入滲、減少?gòu)搅髁魉?，提高土壤抗蝕、抗沖性的功效。黃土高原地區(qū)，水資源十分匱乏，重建植被和恢復(fù)植被是保護(hù)和提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效措施之一[1-3]。因此，深化植被調(diào)控侵蝕和輸沙的認(rèn)識(shí)，對(duì)于深刻揭示植被減沙減蝕機(jī)理，準(zhǔn)確提出水土保持綜合治理和措施優(yōu)化配置[2-3]具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

在黃土高原地區(qū)，關(guān)于植被調(diào)控坡面侵蝕的研究取得了諸多成果[1-6]。以往多是在裸坡坡面下開(kāi)展徑流流速變化特征的研究，而對(duì)植被調(diào)控流速的研究較少，且未能全面反映坡面各個(gè)部位的流速變化特征，僅用單一數(shù)值表征整個(gè)坡面水動(dòng)力學(xué)特征的平均狀況[7-9]。但由于該問(wèn)題的復(fù)雜性，受測(cè)試技術(shù)以及研究方法所限，植被調(diào)控坡面侵蝕以及水動(dòng)力條件的研究仍處于初步研究階段，對(duì)調(diào)控機(jī)制的定量研究較少[10-13]。另外，在降雨條件下開(kāi)展植被調(diào)控坡面侵蝕輸沙過(guò)程取得了一定的進(jìn)展，但缺少可靠的長(zhǎng)期野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)侵蝕過(guò)程的影響因素和因素間相互作用機(jī)制尚未定量化[11]，這導(dǎo)致植被調(diào)控坡面水蝕過(guò)程的作用機(jī)制很難摸清[13]。學(xué)者們也開(kāi)展了不同植被格局對(duì)坡面侵蝕動(dòng)力作用機(jī)制等方面的研究，揭示了不同植被格局可以通過(guò)影響徑流流速和含沙量來(lái)調(diào)控侵蝕動(dòng)力機(jī)制，但未能闡明植被帶在坡面不同位置所發(fā)揮的減速效益的差異，因此，迫切需要開(kāi)展不同草帶空間分布對(duì)坡面減速效益調(diào)控機(jī)制的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2017年4—7月進(jìn)行，數(shù)據(jù)測(cè)試與分析于2018年4月完成。本研究使用1∶1萬(wàn)地形圖結(jié)合高分辨快鳥(niǎo)影像，選取陜北韭園溝典型坡面，確定峁邊線位置，并分析梁峁坡和溝坡的地形特征，對(duì)其地貌進(jìn)行概化，同時(shí)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)條件，建立了坡面物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jiàn)圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕掀麻L(zhǎng)8 m、坡度12°，下坡長(zhǎng)5 m、坡度25°，采用鋼板制作試驗(yàn)系統(tǒng)模型。

試驗(yàn)用黃土取自西安市郊區(qū)丘陵臺(tái)塬區(qū)。由于室內(nèi)試驗(yàn)所用土壤為擾動(dòng)土壤，經(jīng)過(guò)篩分處理后，以減弱地區(qū)間黃土性質(zhì)的差異。顆粒尺寸為0.002～0.05 mm和0.05～0.1 mm的顆粒分別占91.39%和6.21%，為粉質(zhì)土。草帶為馬尼拉草(Zoysiamatrella)，野生，種植密度約為40棵/m3，該草高約為2～3 cm，長(zhǎng)勢(shì)較好。根據(jù)模型尺寸，將試驗(yàn)用草帶處理為2 m×1 m，試驗(yàn)前數(shù)周，讓其在模型內(nèi)生長(zhǎng)。

試驗(yàn)初期，20 cm厚的天然砂層鋪設(shè)于鋼槽底部，以確保水分在土壤中均勻滲透。黃土進(jìn)行夯實(shí)確保容重一致(約1.3 g/cm3)。試驗(yàn)前，采用相同的噴水時(shí)間和噴水量噴淋土壤，確保土壤初始含水量一致(約21%)。然后在沙層上放置20 cm厚土壤，并為草帶預(yù)留10 cm空間，使草帶與裸坡緊密連接防止滑動(dòng)。

圖1 坡面概化模型及坡面植被布設(shè)格局

模擬降雨采用向上式降雨裝置，雨滴直徑范圍為0.4～3.0 mm，平均直徑1.5 mm，雨滴大小與降雨均勻程度均與自然降雨接近[13-16]。試驗(yàn)中上坡、下坡分別布設(shè)4個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭降雨能夠覆蓋3～4 m2，雨強(qiáng)可調(diào)范圍在0.5～2.0 mm/min。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)侵蝕性降雨的相關(guān)理論，試驗(yàn)雨強(qiáng)為1.5 mm/min[10-11]；根據(jù)徑流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，確定徑流歷時(shí)為30 min，每次試驗(yàn)降雨量約為45 mm。每次試驗(yàn)間隔24 h，每組降雨試驗(yàn)重復(fù)兩次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，重復(fù)結(jié)果表明，產(chǎn)沙和徑流均值未發(fā)生顯著差異。試驗(yàn)過(guò)程中，徑流泥沙樣品收集頻率1 min，測(cè)量徑流量；水沙樣品靜置24 h后分離泥沙，高溫烘干后稱重。針對(duì)較為干旱環(huán)境和條件下的黃土高原地區(qū)植物實(shí)際生長(zhǎng)情況[17]，選擇25%較低覆蓋度作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)。研究共涉及5種草帶格局(圖1)，均布設(shè)在坡面上坡位置：裸坡(格局A)、上坡下部(格局B)、上坡中下部(格局C)、上坡中上部(格局D)、上坡上部(格局E)。將坡面均分為13個(gè)1 m×1 m的坡段，采用染料示蹤法測(cè)量各個(gè)水力斷面(各個(gè)坡段出口位置)流速。

1.3 指標(biāo)計(jì)算

1.3.1 雷諾數(shù) 雷諾數(shù)Re為水流慣性力與粘滯力的比值。本試驗(yàn)以500為臨界，過(guò)渡流狀態(tài)Re≈500，紊流狀態(tài)Re>500，層流狀態(tài)Re<500[12]，計(jì)算式為：

(1)

式中:R代表過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃?m);U代表平均流速(m/s);v代表徑流運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，v=0.01775/(1+0.033 7T+0.000 221T2);T代表水溫(℃)。

由于試驗(yàn)過(guò)程中，坡面水流是薄層水流，此時(shí)水力半徑R可以采用坡面平均水深h，用反算法計(jì)算：

(2)

式中:t代表時(shí)間(min);q代表單寬流量[m3/(m·min)];Q代表t時(shí)間內(nèi)總徑流量(m3);b代表過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?m);U代表平均流速(m/s)。

1.3.2 平均流速 徑流流速是研究徑流侵蝕的重要參數(shù)[9]。坡面徑流平均流速(V)計(jì)算式為：

V=aU

(3)

式中:U代表徑流表面平均流速(m/s);α代表修正系數(shù),與徑流流態(tài)密切相關(guān),層流、紊流和過(guò)渡流是0.67,0.80,0.70。

2 結(jié)果與分析

2.1 草帶格局對(duì)徑流侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響

由于第1次降雨和第2次降雨所呈現(xiàn)規(guī)律基本相似，在此僅列出第2次降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在第2次降雨中，每種草帶格局的徑流量在產(chǎn)流初期(0—10 min)急劇增長(zhǎng)，其波動(dòng)過(guò)程較劇烈(圖2和表1)。徑流產(chǎn)生10 min后，徑流的波動(dòng)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明草帶在一定程度上能夠抑制徑流波動(dòng)，但效果不明顯。另一方面，各種植被布設(shè)格局的產(chǎn)沙量均值差異顯著(p<0.05)，一些格局變異系數(shù)Cv較高，表明某些格局草帶可以減少侵蝕量，草帶具有直接攔沙的功能，之前研究也印證了此點(diǎn)[10-13]。格局D，E條件下，產(chǎn)沙量較大、產(chǎn)沙過(guò)程劇烈；格局C的產(chǎn)沙曲線為平穩(wěn)，產(chǎn)沙量最低，表明該格局的草帶可以有效攔截泥沙。

圖2 第2次降雨不同草帶格局條件下徑流產(chǎn)沙變化

表1 第2次降雨條件下不同草帶格局的徑流產(chǎn)沙特征

植被調(diào)控徑流量和產(chǎn)沙量峰值強(qiáng)弱的效果與草帶的布設(shè)格局密切相關(guān)，并且不同布設(shè)格局之間的產(chǎn)沙與徑流存在顯著差異?？偟膩?lái)說(shuō)，將草帶布設(shè)于坡面下部相比上部具有更好的削弱徑流、產(chǎn)沙峰值的作用。當(dāng)植被布設(shè)于上坡下部和中下部(格局B，C)，草帶對(duì)泥沙具有更高的攔截效率。相反，將植被布設(shè)于上坡上部(格局D，E)，草帶以下存在較多的裸坡，產(chǎn)沙量和徑流量較大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，將植被種植于上坡最底部(格局B)，減少侵蝕的作用達(dá)到最優(yōu)，這與坡面的來(lái)水來(lái)沙條件有關(guān)，還與坡面變坡結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2 草帶空間分布對(duì)徑流流速的影響

徑流被草帶攔截后進(jìn)入下坡，流速與草帶布設(shè)格局密切相關(guān)。圖3顯示了徑流流入下坡時(shí)(第9斷面)的徑流平均流速，與裸坡相比，草帶鋪設(shè)上坡中下部(格局C)時(shí)，徑流流速減少46%，達(dá)到試驗(yàn)條件下最小值；此時(shí)草帶減速效益達(dá)到最優(yōu)，徑流對(duì)下坡的侵蝕強(qiáng)度也達(dá)到試驗(yàn)的最低水平。相反，格局D，E條件下，徑流進(jìn)入下坡的流速均高于裸坡(圖3)，達(dá)到試驗(yàn)峰值，徑流對(duì)下坡的侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裸坡。

圖4展示了2場(chǎng)降雨過(guò)程中，各個(gè)格局徑流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下(徑流歷時(shí)15 min)時(shí)，下坡第1斷面格局處徑流流速沿程變化?？梢钥闯?，各格局條件下皆存在一個(gè)徑流流速突然增加、且數(shù)值很大的區(qū)域，稱之為動(dòng)力恢復(fù)空間。裸坡時(shí)，水流匯集于上坡水力斷面4～5時(shí)，徑流開(kāi)始加速，且流速很大，表明上坡存在著徑流流速的動(dòng)力恢復(fù)空間。隨著水流繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，徑流流速持續(xù)增加，當(dāng)水流進(jìn)入下坡后，由于坡度增大，徑流更為集中，流速進(jìn)一步增加。還可以看出，其他草帶格局下，流速沿程變化趨勢(shì)基本一致，在動(dòng)力恢復(fù)空間內(nèi)流速快速增加；第2次降雨過(guò)程中的流速大于第1次降雨，且下坡范圍內(nèi)的流速大于上坡。

圖3 下坡第1斷面徑流流速

3 討 論

以格局A條件下沿程流速作為基準(zhǔn)，其他格局各對(duì)應(yīng)斷面的流速與其相比，計(jì)算其他格局的減速效益，其計(jì)算式為：

(4)

式中:RVi代表不同植被下不同水力斷面的減速效益(%);VAi代表格局A下各個(gè)水力斷面的徑流流速(m/s);Vxi代表其他格局不同水力斷面的徑流流速(m/s)。

由圖5，6可以看出，2次降雨過(guò)程中各個(gè)草帶條件下的減速效益依次為：格局E<格局D<格局B<格局C。就格局B，C而言，草帶位于上坡靠下的格局，正好位于裸坡條件下流速快速增加的部位(斷面4,5)，因此有效抑制了流速在該空間中的恢復(fù)(圖5)；此時(shí)草帶發(fā)揮出緩流效果。2次降雨中，格局B，C情況下70%的坡面減速效益值為正，均值可達(dá)50%以上，且草帶格局C的減速效益明顯優(yōu)于格局B(圖5)。

圖4 坡面徑流流速變化

圖5 第2次降雨下草帶格局B和格局C條件下的減速效益

對(duì)于格局D，E而言，植被鋪設(shè)于上坡靠上的部位，草帶下方會(huì)有更多的裸坡與系統(tǒng)出口相連，為徑流的動(dòng)力恢復(fù)提供了更長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離(圖6)，使流速大于草帶鋪設(shè)于上坡中下部和下部時(shí)的情況。格局D，E的動(dòng)力恢復(fù)空間增大，從下坡延伸至上坡，流速快速增長(zhǎng)，徑流侵蝕強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。圖6顯示，格局D，E的減速效益在2次降雨中基本為負(fù)且數(shù)值較大，說(shuō)明流速在動(dòng)力恢復(fù)空間內(nèi)增加趨勢(shì)更為明顯(圖6)。

圖6 第2次降雨草帶格局D和格局E條件下的減速效益

綜合以上分析可知，上坡中上部和中部種植草帶，植被減緩流速的范圍和作用強(qiáng)度均較小，甚至產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，增加了徑流侵蝕強(qiáng)度。植被帶格局越靠近坡頂，徑流流速的恢復(fù)格局也相應(yīng)提前，動(dòng)力恢復(fù)空間長(zhǎng)度開(kāi)始增大，導(dǎo)致徑流流速和侵蝕強(qiáng)度快速增加。說(shuō)明在低植被覆蓋度條件下，植被種植于上坡靠上的部位會(huì)出現(xiàn)較裸坡更加強(qiáng)烈的侵蝕，這顯然與常規(guī)所描述的現(xiàn)象相矛盾。這與Jin[18]提出的低覆蓋度坡面在65 mm/h雨強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生比裸坡更為嚴(yán)重的土壤侵蝕這一結(jié)論一致。究其原因，也許與影響坡面動(dòng)力恢復(fù)的水蝕動(dòng)力過(guò)程有關(guān)。植被種植格局靠上，可為動(dòng)力恢復(fù)提供較大的范圍，當(dāng)徑流流入下坡，水流更為集中，流速較裸坡顯著增加。另外，由于草帶的過(guò)濾使水流變清，導(dǎo)致徑流攜運(yùn)泥沙能力增強(qiáng)；含沙量與徑流攜運(yùn)泥沙能力之差會(huì)持續(xù)增加，產(chǎn)生了較大的徑流剝蝕率[19]。

草帶布設(shè)于上坡中下部，調(diào)控徑流流速的范圍基本覆蓋了整個(gè)坡面，徑流流速得以減緩，徑流侵蝕強(qiáng)度也得以大大降低。當(dāng)草帶布設(shè)于上峁邊線附近(格局B)，徑流從草帶流出后，徑流含沙量降低，水流更為集中，泥沙運(yùn)移能力增加，徑流對(duì)下坡的侵蝕強(qiáng)度增加。因此，將植被布設(shè)于上坡最底部時(shí)，與布設(shè)于坡面中下部相比，挾沙力和徑流流速均有所增加，此時(shí)草帶種植于此并未明顯減弱侵蝕[20]。

從圖3看出，隨著草帶布設(shè)格局的逐漸上移，動(dòng)力恢復(fù)空間逐漸增加，徑流流速呈先減小后增加的趨勢(shì)，格局C時(shí)流速最小，格局D，E時(shí)的流速反而超過(guò)裸坡時(shí)的情況。表明動(dòng)力恢復(fù)空間達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，流速會(huì)超過(guò)其他草帶格局和裸坡的情況，因此動(dòng)力恢復(fù)空間的長(zhǎng)度存在臨界值[20]。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，將13 m坡面出口至草帶底部7 m的距離稱為動(dòng)力恢復(fù)空間的臨界值，即為整個(gè)坡面長(zhǎng)度的54%。徑流的加速長(zhǎng)度低于該臨界值時(shí)，在此區(qū)域內(nèi)種植的植被可以有效抑制徑流流速的恢復(fù)，降低徑流流速和徑流侵蝕強(qiáng)度。而在此區(qū)域以外布設(shè)植被(格局D，E)，則會(huì)增加更多的動(dòng)力恢復(fù)空間，徑流流速在此區(qū)域內(nèi)快速增長(zhǎng)，已經(jīng)高于裸坡，達(dá)到試驗(yàn)范圍內(nèi)峰值。因此，動(dòng)力恢復(fù)距離具有臨界現(xiàn)象，動(dòng)力恢復(fù)距離超過(guò)坡面長(zhǎng)度的54%，徑流流速明顯增加，草帶調(diào)控徑流作用較弱，甚至加劇侵蝕；動(dòng)力恢復(fù)距離小于坡面長(zhǎng)度的54%，徑流流速顯著降低，草帶調(diào)控徑流作用增強(qiáng)，侵蝕強(qiáng)度減弱，這與之前的研究所獲得的結(jié)論相似[10]。以往結(jié)果表明，當(dāng)草帶位于下坡位時(shí)，其減沙效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上坡位和中坡位[10]。但隨著坡面徑流進(jìn)入溝坡和溝道后，由于峁坡坡面徑流含沙量減小，清水下溝反而使得進(jìn)入溝坡的徑流剝蝕力增大，溝坡部分侵蝕增強(qiáng)，即坡面徑流通過(guò)溝坡時(shí)會(huì)引起侵蝕產(chǎn)沙量增加[20]，這些都與此次所得出的結(jié)論相互印證。因此，研究不同梁峁坡植被空間分布對(duì)溝坡侵蝕的影響和調(diào)控有助于理解植被對(duì)土壤侵蝕輸沙過(guò)程、水動(dòng)力過(guò)程調(diào)控作用的理解。

4 結(jié) 論

(1) 坡面全長(zhǎng)13 m，上坡長(zhǎng)為8 m，將草帶種植于上坡下部60%時(shí)能夠充分發(fā)揮緩流效應(yīng)，調(diào)控侵蝕范圍很廣，可以控制坡面70%范圍內(nèi)的徑流流速，降低流速50%以上，有效地抑制了流速的恢復(fù)增長(zhǎng)，對(duì)于減緩徑流流速起到了積極作用，降低了徑流侵蝕強(qiáng)度。

(2) 草帶種植于坡面相對(duì)靠上的格局，如坡面中上部和中上部時(shí)，增加了草帶以下的裸露區(qū)域，產(chǎn)生了更多的動(dòng)力恢復(fù)空間，該空間從坡底一直延伸至上坡，流速快速增加，增加幅度達(dá)1倍左右，徑流攜運(yùn)泥沙能力與含沙量與的差異持續(xù)增加，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的徑流剝蝕能力。

(3) 坡面長(zhǎng)度的54%為動(dòng)力恢復(fù)空間臨界值，在恢復(fù)空間范圍內(nèi)，植被調(diào)控流速的效果顯著，可以有效抑制水動(dòng)力參數(shù)的恢復(fù)和增長(zhǎng)，降低徑流侵蝕強(qiáng)度。超過(guò)恢復(fù)空間范圍，草帶調(diào)控流速作用減弱，甚至使徑流流速加快，導(dǎo)致動(dòng)力恢復(fù)空間內(nèi)流速快速增加，徑流侵蝕強(qiáng)度增大。