竇增寧 胡夏嵩 劉昌義 徐志聞

摘要：為研究寒旱環(huán)境下草本和灌木植物固土護坡作用，以西寧盆地作為研究區(qū)，采用野外模擬降雨試驗裝置，分別對自建試驗區(qū)草本植物垂穗披堿草和細莖冰草、灌木植物檸條錦雞兒和霸王以及裸坡開展模擬降雨試驗。試驗結(jié)果表明：在降雨強度為35mm/h、降雨歷時為90min時，裸坡坡面單位面積累計產(chǎn)流量與累計產(chǎn)沙量均相對較大，分別為4816.52ml/m2、30.10g/m2，霸王與檸條錦雞兒邊坡的分別為4082.79mL/m2、18.58g/m2與4329.01mL/m2、21.70g/m2，垂穗披堿草與細莖冰草邊坡的分別為3693.18mL/m2、13.92g/m2與3469.35mL/m2、10.20g/m2；裸坡雷諾數(shù)（平均值為132）與弗勞德數(shù)（平均值為0.11）比灌木與草本植物邊坡的大，反映了裸坡坡面水流侵蝕現(xiàn)象最嚴重；草本植物邊坡阻力系數(shù)比灌木邊坡的大，說明草本阻滯坡面徑流作用比灌木的大。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；水土保持；植物護坡；地表徑流；黃土邊坡

中圖分類號：S157.1 文獻標(biāo)志碼：A doi ：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.019

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，一些不合理的邊坡開挖和施工方法對坡面原生植物群落產(chǎn)生不同程度影響，從而造成坡體表層水土流失，甚至發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象川。邊坡防護措施通常有植物護坡、工程護坡以及植物與工程相結(jié)合等，以坡面長期穩(wěn)定、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)、防治水土流失為目的。已有研究表明，降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一，植物具有從根本上治理水土流失的作用。薦圣淇等在降雨強度為0.2～2.0mm/h的條件下對尺寸為10m×10m的檸條錦雞兒和沙棘邊坡進行試驗，結(jié)果表明檸條錦雞兒降雨截留量為28.0%、沙棘截留量為18.3%。Curran等指出植物影響坡面水文效應(yīng)主要是通過植物地上莖葉部分截留部分降雨且緩沖和分散高速下落雨滴。張俊云對尺寸為10.5m×3.5m的狗牙根邊坡進行試驗，結(jié)果得出降雨強度為20mm/h，降雨歷時為190min時，邊坡表層產(chǎn)生的徑流量占降雨量的15.9%。Peng等對三峽庫區(qū)工程堆積體邊坡進行了沖刷試驗，結(jié)果表明徑流流量由5L/min增加至2502L/min時，平均產(chǎn)沙率從0.28g/（m2·min）增至177.37g/（m2·min）。Assouline等在降雨強度為24、60mm/h的條件下對坡度為3°～14°的5個邊坡進行了降雨試驗，結(jié)果表明徑流量與產(chǎn)沙率隨降雨歷時的延長先增大后趨于穩(wěn)定。

植物護坡能有效減少地表徑流，起到防治邊坡水土流失和淺層滑坡的作用，因此開展植物護坡水文效應(yīng)的深入研究非常必要。由于自然降雨常受到降雨歷時、降雨量、地域等諸多因素的限制，因此定量評價植物在防治坡面水土流失和淺層滑坡的貢獻尚存在一定困難。采用人工模擬降雨試驗方法有助于實現(xiàn)模擬天然降雨條件下不同植物的護坡貢獻，并可根據(jù)試驗需要設(shè)置不同降雨強度，有效縮短試驗周期。

本研究采用課題組自行設(shè)計的野外模擬降雨試驗裝置，選取西寧盆地作為研究區(qū)，通過自建試驗區(qū)的方式，對生長期為3a的草本植物垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡和灌木植物霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡以及裸坡進行野外原位模擬降雨試驗，探討試驗區(qū)5種類型邊坡在相同降雨強度條件下不同降雨歷時的坡面地表徑流量和產(chǎn)沙量；在此基礎(chǔ)上，利用水動力學(xué)參數(shù)分析試驗區(qū)草本和灌木植物的護坡水文效應(yīng)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于西寧盆地，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°44′、北緯36°43′，平均海拔為2261m，屬于半干旱和高寒氣候區(qū)。夏季降水量為110.6～479.1mm、水面蒸發(fā)量為1350～3000mm、平均日照時數(shù)為634.5h、平均氣溫為13.0℃。試驗區(qū)氣候具有日照長、雨水少、蒸發(fā)量大、太陽輻射強、日夜溫差大、無霜期短和冰凍期長等特點，層狀黃土覆蓋層發(fā)育。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本項研究通過自建坡度為30°的粉土邊坡，選取適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚯腋蛋l(fā)達的草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb）和細莖冰草（Agropyron trachy-caulum（Linn.）Gaertn）、灌木植物檸條錦雞兒（Caragana Korshinskii Kom）和霸王（Zygophyllum xan-thoxylon（Bunge）Maxim）作為試驗供試種，以裸坡作為對照。試驗區(qū)5種邊坡類型如圖1所示。為保證試驗區(qū)邊坡種植的草本和灌木植物滿足覆蓋度為100%的試驗要求，采用的植物種植方案為：草本植物采用條播方式種植，行距為5cm；灌木植物采用穴播方式種植，株距為5cm、行距為5cm、穴深為3～5cm，每穴3～5粒種子。試驗區(qū)種植植物生長量指標(biāo)見表1，邊坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)與土壤顆粒級配見表2、表3（不均勻系數(shù)Cu=4.50，曲率系數(shù)Cc=0.50，d50=0.006mm）。

2.2 試驗方法

課題組自行設(shè)計的野外模擬降雨試驗裝置主要由降雨控制裝置、降雨裝置、集雨槽3部分組成（見圖2）。降雨控制裝置主要通過水壓表和泄壓閥調(diào)節(jié)水壓，以調(diào)節(jié)降雨強度，降雨供水水源采用管道接入的水源；降雨裝置由均勻布設(shè)在坡面頂部的9個降雨噴頭組成，可通過旋轉(zhuǎn)噴頭頂部旋鈕調(diào)節(jié)雨滴直徑；集雨槽主要用于試驗過程中對坡面地表徑流的收集。在邊坡四周及中間位置共布設(shè)5個雨量筒作為測點，采用均勻系數(shù)計算公式得到本試驗降雨均勻系數(shù)為0.92，可以滿足野外試驗要求。均勻系數(shù)計算公式為式中；k為均勻系數(shù)；xi為第i個測點的雨量，mm；x為各測點平均雨量，mm；n為測點數(shù)。

根據(jù)Gvnn等的研究，當(dāng)降雨高度為2.2～5.0m時，雨滴終點速度為4.03～4.46m/s，在該降雨高度范圍內(nèi)雨滴終點速度變化不大。故本試驗坡面降雨高度取2.4～3.4m，可滿足野外試驗?zāi)M降雨所需的終點速度。

根據(jù)試驗區(qū)所在的西寧盆地的次平均降雨量和最大暴雨強度，取試驗降雨強度35mm/h、降雨歷時90min，自降雨開始每5min用集水瓶收集～次產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量，并及時密封、編號，帶回實驗室測量，其中：集水瓶中的徑流量采用電子天平直接稱量，產(chǎn)沙量采用室內(nèi)烘干法測量。待降雨過程中坡面產(chǎn)流穩(wěn)定時，采用染色法測定坡面流速，同時采用Abrahams方法對實測的水流表層流速進行修正（層流修正系數(shù)為0.67，過渡流為0.7，紊流為0.8）。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面地表產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量特征分析

試驗區(qū)5種類型邊坡單位面積產(chǎn)流量與降雨歷時關(guān)系曲線見圖3。由圖3可知，5種類型邊坡在降雨初期0～25min時坡面產(chǎn)流量均呈增大趨勢，但變化幅度不同。在降雨歷時60～90min時，5種類型邊坡坡面產(chǎn)流量增大趨勢相對減緩，裸坡坡面單位面積產(chǎn)流量為331.60～341.32mL/m2，灌木植物霸王邊坡與檸條錦雞兒邊坡分別為259.85～271.01、317.13～286.44mL/m2，草本植物垂穗披堿草邊坡與細莖冰草邊坡分別為244.21～261.27、240.61～279.37mL/m2。

圖4為試驗區(qū)5種類型邊坡單位面積產(chǎn)沙量與降雨歷時的關(guān)系曲線，由圖4可知，降雨歷時60～90min時5種類型邊坡單位面積產(chǎn)沙量增加趨勢相對減緩，但減幅不同，裸坡單位面積產(chǎn)沙量相對較大，為1.98～2.01g/m2；灌木植物檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡次之，分別為1.31～1.54、1.09～1.04g/m2；草本植物垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡最小，分別為0.58～1.11、0.53～0.81g/m2。

3.2 坡面累計產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量特征分析

試驗區(qū)5種類型邊坡單位面積累計產(chǎn)流量隨降雨歷時變化曲線如圖5所示。由圖5可知，降雨歷時為90min時5種類型邊坡單位面積累計產(chǎn)流量由大到小依次為裸坡、檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡、垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡，分別為4816.52、4329.01、4082.79、3693.18、3469.35mL/m2。試驗區(qū)5種類型邊坡單位面積累計產(chǎn)沙量隨降雨歷時變化曲線如圖6所示。由圖6可知，降雨歷時為90min時5種類型邊坡單位面積累計產(chǎn)沙量由大到小依次為裸坡、檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡、垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡，分別為30.10、21.70、18.58、13.92、10.20g/m2。同樣條件下植物邊坡較裸坡能相對有效減緩坡面徑流的形成，主要原因在于灌木植物冠幅與草本植物分蘗數(shù)較大，降水一部分存留在莖葉上，另一部分則通過根系滲入地下；而裸坡無植被，降水直接擊打坡面，徑流在坡面迅速形成，產(chǎn)流量較植物邊坡顯著增大。

宋維峰等對坡度為10°、15°的裸坡和刺槐邊坡進行模擬降雨試驗，得出裸坡比刺槐邊坡徑流量高15%～48%、含沙量高55.5%～133.0%；李華坦等在降雨強度為35mm/h、坡度為30°的條件下，通過試驗?zāi)M裸坡與覆蓋度為100%的草本植物垂穗披堿草、細莖冰草邊坡在降雨歷時為1h的坡面徑流量，得出徑流量由大到小依次為裸坡、細莖冰草邊坡、垂穗披堿草邊坡，分別為26.8、1.10、0.65L。本研究與上述學(xué)者的研究結(jié)論基本一致。

3.3 邊坡坡面流水動力學(xué)參數(shù)對比

本研究根據(jù)坡面流水動力學(xué)參數(shù)雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr）、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f），分別對5種類型邊坡產(chǎn)流能力進行計算對比分析，進一步評價草本和灌木植物的護坡水文效應(yīng)。

試驗區(qū)5種類型邊坡降雨歷時與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在降雨歷時為60～90min時，5種類型邊坡Re均小于500且變化不大，流態(tài)為層流。裸坡坡面Re顯著大于植物邊坡的，說明植被可減小水流的Re。試驗區(qū)5種類型邊坡降雨歷時與弗勞德數(shù)的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，坡面徑流穩(wěn)定后Fr均小于1，水流流態(tài)為緩流，但裸坡比其他4種有植被的邊坡Fr顯著偏大，主要原因是坡面糙率不同，植被能在有效消減徑流能量和分散徑流的同時增大坡面糙率，從而增大坡面流阻力，減緩流速，使Fr減小_

楊春霞等利用裸坡、低草被覆蓋和高草被覆蓋的15°邊坡進行流量為5L/min的模擬徑流沖刷試驗，結(jié)果表明：3種邊坡的雷諾數(shù)大小順序為裸坡>低草被覆蓋邊坡>高草被覆蓋邊坡。本研究結(jié)果表明，同樣降雨條件下的裸坡Re與Fr均顯著大于灌木植物邊坡和草本植物邊坡的，表現(xiàn)出植被能有效延緩坡面流速、減小產(chǎn)流產(chǎn)沙量，與上述學(xué)者的研究結(jié)論一致。

降雨過程中邊坡植物造成的阻力直接影響邊坡產(chǎn)匯流方式，從而影響土壤侵蝕過程。阻力系數(shù)f反映坡面流所受的阻力大小，f愈大，則水流克服坡面阻力所消耗的能量就愈大。圖9為試驗區(qū)5種類型邊坡阻力系數(shù)與降雨歷時關(guān)系曲線，由圖9可知，裸坡坡面阻力系數(shù)比植被邊坡的小，裸坡、霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡平均阻力系數(shù)分別為0.206、0.229、0.278，草本植物垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡的則分別為0.284、0.299，由此可以看出草本植物邊坡比灌木植物邊坡阻力系數(shù)大一些。

肖培青等分別對坡長5m、寬m3、高0.6m的裸坡、紫花首蓿邊坡和紫穗槐邊坡進行模擬降雨試驗，結(jié)果表明裸坡阻力系數(shù)顯著小于紫穗槐邊坡和紫花首蓿邊坡的，與本研究結(jié)論一致。綜合上述研究可知，草本植物邊坡相對于灌木植物邊坡具有顯著減緩坡面流速、增大邊坡阻力系數(shù)的作用。

4 結(jié)論

（1）試驗區(qū)裸坡、霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡、垂穗披堿草邊坡、細莖冰草邊坡隨降雨歷時的增加，坡面單位面積產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)先急劇增大后增大減緩的變化趨勢。

（2）通過分析試驗區(qū)5種類型邊坡單位面積累計產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量可知，相同降雨強度下裸坡受到雨水沖蝕作用最大，灌木植物邊坡次之，草本植物邊坡最小，表現(xiàn)出草本和灌木植物在減小坡面土壤侵蝕方面起到較為顯著的作用。

（3）本研究通過雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr），Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f）對比分析了試驗區(qū)5種類型邊坡坡面流態(tài)，結(jié)果表明：在同樣降雨強度下，草本植物邊坡Re、Fr均顯著小于灌木邊坡與裸坡的，而f則大于灌木邊坡與裸坡的。