徐 震,高建恩,趙春紅

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)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(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.國(guó)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(shù)種草是控制土壤侵蝕，治理水土流失從而進(jìn)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(jī)理也一直是研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)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(dòng)力學(xué)特性的研究主要集中在裸地坡面上[7- 9]，近年來(lái)一些學(xué)者從水動(dòng)力學(xué)角度分析植被水沙調(diào)控機(jī)理[10- 19]，研究了不同植被、不同覆蓋度對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)沙過(guò)程的影響；趙春紅、高建恩等[20]、楊坪坪、張會(huì)蘭等[21]通過(guò)圓柱體試驗(yàn)研究了坡面流水動(dòng)力學(xué)特性，探索了植被莖部對(duì)坡面流水動(dòng)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(shí)高強(qiáng)度暴雨的沖擊下，草被覆蓋、根系作用在一定程度上會(huì)減少細(xì)溝的出現(xiàn)，降低雨滴對(duì)坡面土壤顆粒的濺蝕，深刻影響著坡面流流速、阻力等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，植被根系和冠層如何進(jìn)行水沙調(diào)控值得深入研究。本文通過(guò)對(duì)3種下墊面(草被下墊面、根系下墊面、裸坡下墊面)進(jìn)行室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究真實(shí)草被根系和冠層對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，以期為進(jìn)一步深入研究植被結(jié)構(gòu)調(diào)控土壤侵蝕過(guò)程提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和供試材料

試驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳下噴區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示，光滑玻璃水槽寬1m，高33cm，長(zhǎng)8m；水槽可調(diào)節(jié)到試驗(yàn)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(yàn)裝置圖

試驗(yàn)沙樣取自黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)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(yàn)槽底部鋪3cm厚的非均勻沙，邊裝填邊壓實(shí)，以增強(qiáng)其糙度，然后再填入供試材料——均勻沙，即通過(guò)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(wú)結(jié)皮，即為裸坡下墊面。選取黃土高原3個(gè)發(fā)生頻率較大時(shí)段的雨強(qiáng)30mm/h，60mm/h，90mm/h進(jìn)行試驗(yàn)，降雨歷時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)前通過(guò)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(guò)WET測(cè)出。

1.3 含沙量、流量和坡面流流速的測(cè)量

每3min進(jìn)行采樣，采集的泥沙樣量測(cè)體積后，烘干稱重，確定含沙量；用積分桶測(cè)量體積以計(jì)算總流量。每次采樣的同時(shí)對(duì)3個(gè)控制斷面(圖1)用染色劑法進(jìn)行流速測(cè)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(yàn)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(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的調(diào)控，假定草被對(duì)坡面流水動(dòng)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(duì)坡面流水動(dòng)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(shì)流速通常采用染色劑高錳酸鉀失蹤法進(jìn)行測(cè)定，而平均流速可通過(guò)坡面流所處的流型進(jìn)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(guò)渡流時(shí)，α取0.67，當(dāng)為紊流時(shí)，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(gè)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(huì)對(duì)實(shí)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(cè)量，因此水深作為因變量可由各時(shí)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(wú)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(dòng)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(duì)兩組研究對(duì)象的診斷結(jié)果對(duì)比，CT掃描組中研究對(duì)象能夠進(jìn)行確診的總共有13例，跟臨床結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的確診概率為65%；磁共振組中研究對(duì)象能夠進(jìn)行確診的總共有18例，跟臨床結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的確診概率為90%。通過(guò)對(duì)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(jì)學(xué)的意義（P＜0.05）。

(5)

(6)

2 草被根系和冠層對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

2.1 草被根系和冠層對(duì)坡面流流速的影響

草被可通過(guò)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(guò)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(qiáng)為30mm/h時(shí)，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(shí)起到主要貢獻(xiàn)作用；當(dāng)雨強(qiáng)增至60mm/h時(shí)，根系對(duì)坡面徑流流速的減緩作用開(kāi)始逐漸增強(qiáng)；當(dāng)雨強(qiáng)增至90mm/h時(shí)，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%。總體上，隨著雨強(qiáng)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(qiáng)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(guò)對(duì)45組試驗(yàn)資料進(jìn)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(qiáng)間的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表1，可以看出雨滴擾動(dòng)對(duì)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(duì)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(duì)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(yùn)用于坡面非均勻流時(shí)，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(duì)于本次試驗(yàn)，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(shí)需要修正。

2.2 草被根系和冠層對(duì)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(huì)對(duì)實(shí)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(cè)量，因此水深作為因變量可由各時(shí)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(shì)，其與坡度的對(duì)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(qiáng)為30mm/h和60mm/h時(shí)，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(qiáng)增至90mm/h時(shí)，根系取代冠層在增加坡面徑流水深時(shí)起到主要作用?？偟膩?lái)看，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(qiáng)(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(qiáng)(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(qiáng)、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(duì)坡面流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的影響

對(duì)于坡面徑流，流型指坡面流的流動(dòng)型態(tài)，即層流、過(guò)度流及紊流，常用雷諾數(shù)反映；流態(tài)是流動(dòng)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(qiáng)、下墊面條件下坡面流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)見(jiàn)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(qiáng)的增加而增大，草被根系作用使之增加。當(dāng)坡度為3°～9°時(shí)，在雨強(qiáng)為30mm/h時(shí)，冠層在減緩水流流態(tài)時(shí)起到主要貢獻(xiàn)作用，當(dāng)雨強(qiáng)增至90mm/h時(shí)，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。總體來(lái)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(duì)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(yàn)條件下的坡面徑流流動(dòng)型態(tài)可初步判定為層流，然而在降雨試驗(yàn)觀測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)徑流出現(xiàn)了大量的紊動(dòng)，這與雨滴的擊濺，植被的擾動(dòng)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(qiáng)、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(qiáng)、坡度下草被根系與冠層對(duì)坡面流阻力系數(shù)的影響

2.4 草被根系和冠層對(duì)坡面流阻力系數(shù)的影響

不同坡度、雨強(qiáng)、下墊面條件下坡面流阻力系數(shù)見(jiàn)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(duì)于3°～12°坡面，在雨強(qiáng)為30mm/h和60mm/h時(shí)，草被冠層可顯著增加坡面流阻力系數(shù)，當(dāng)雨強(qiáng)增至90mm/h時(shí)，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(shí)，在雨強(qiáng)為30mm/h和60mm/h時(shí)，冠層對(duì)水流的增阻起到顯著的貢獻(xiàn)作用，當(dāng)雨強(qiáng)增至90mm/h時(shí)，根系對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)坡面流糙率、阻力的影響較草根更為顯著。但在大雨強(qiáng)、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(méi)有作用?？偟膩?lái)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(qiáng)較小時(shí)，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(qiáng)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(qiáng)、下墊面條件下坡面流阻力系數(shù)

3 結(jié)論

(1)本次試驗(yàn)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(diǎn)，沙樣取自黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)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(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，對(duì)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(shí)意義。在未來(lái)的黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，可通過(guò)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(guò)改變坡面流流態(tài)，減小流速，增加坡面阻力減少?gòu)搅髑治g。當(dāng)坡面接近水平時(shí)(S=1°)，草被根系對(duì)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(duì)于傾斜坡面(S=3°、6°、9°、12°)，雨強(qiáng)較小時(shí)(i=30mm/h、60mm/h)，草被冠層對(duì)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(qiáng)增至90mm/h時(shí)，草被根系逐漸取代冠層成為主要貢獻(xiàn)者。

(3)試驗(yàn)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(qiáng)較小時(shí)(i=30mm/h、60mm/h)，根系和冠層對(duì)弗勞德數(shù)的減小作用基本相同，約41%左右，當(dāng)雨強(qiáng)增至90mm/h時(shí)，根系發(fā)揮主要作用。