霍云霈, 朱冰冰

(1.陜西學(xué)前師范學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 西安 710100; 2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 )

生物措施是水土保持的三大措施之一，植被具有削弱降雨侵蝕、減緩流速、增加入滲以及提高土壤抗蝕抗沖性的作用[1-4]，植被類型與配置模式、植被結(jié)構(gòu)及其功能等亦對坡面及流域尺度產(chǎn)水產(chǎn)沙具有重要影響[5-8]。研究表明，干旱半干旱地區(qū)植被在坡面上易形成斑塊與裸地鑲嵌或條帶分布等典型格局[9-10]，進(jìn)而影響地表徑流的匯集和攜沙能力，對水土流失產(chǎn)生顯著影響[11]。

黃土高原曾經(jīng)是中國水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域[12]，自實施退耕還林(草)等工程以來，生態(tài)恢復(fù)效果顯著。然而，大面積的植被建設(shè)引起區(qū)域蒸散耗水量急劇增加，水資源短缺態(tài)勢加劇，黃河流域徑流量銳減[13]。因此，對水資源承載力已基本達(dá)到極限的黃土高原來說[14]，優(yōu)化植被格局是未來生態(tài)建設(shè)的重點[15]。研究不同植被格局影響下的侵蝕產(chǎn)沙過程對于控制黃土高原水土流失、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。坡面是構(gòu)成山地丘陵和破碎高原最重要的景觀單元，坡面流是坡面侵蝕發(fā)育的主要外營力[16]，對坡面徑流水動力學(xué)特性的研究將有助于更加深入地認(rèn)識坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的本質(zhì)。但由于該領(lǐng)域研究問題的復(fù)雜性，研究手段和測量技術(shù)的限制，對植被格局減沙效應(yīng)的研究多限于經(jīng)驗統(tǒng)計分析，對其攔截水沙的過程以及從坡面水動力學(xué)特性及侵蝕動力過程分析植被泥沙調(diào)控機(jī)理的研究還不多。本研究通過對不同空間部位不同蓋度的草被坡面進(jìn)行放水沖刷試驗，探討坡面草被格局對坡面流水力特性和侵蝕產(chǎn)沙的影響，以期尋求坡面植被水蝕動力調(diào)控最佳指標(biāo)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方案

本研究采用坡面放水沖刷試驗，試驗土槽寬0.5 m，長5 m，頂部0～1 m處為放水過渡區(qū)，其余4 m為試驗坡面，坡度為20°。試驗前，土槽底部填10 cm的細(xì)沙，以保證試驗土層的透水狀況接近于自然坡面。同時在平坦地塊培育試驗用草(野牛草)，待野牛草成熟后，帶土20 cm移植到坡面相應(yīng)位置。填土?xí)r采用分層填充的方式先全部填充20 cm，將試驗用草帶土20 cm移植至相應(yīng)的位置，其他部分繼續(xù)填土使總厚度達(dá)40 cm。每層填充前壓實并打毛，控制土壤容重為1.40 g/cm3。草被鋪設(shè)采用上、中、下3種布設(shè)方式，在相應(yīng)位置上鋪設(shè)長1.2 m，2 m，2.8 m和3.6 m的草被，分別代表30%，50%，70%和90%的植被覆蓋度(圖1)。試驗用土粒徑組成見表1。根據(jù)黃土高原地區(qū)暴雨研究成果并參考其他學(xué)者的室內(nèi)沖刷試驗取值[17]，沖刷流量設(shè)定為3.2 L/min和5.2 L/min，沖刷時長為20 min。在試驗開始前，率定好沖刷流量。坡面產(chǎn)流后，在水槽出口每分鐘收集一次徑流泥沙樣品，測量徑流量和烘干的泥沙重量。在距坡頂1，2，3，4 m處設(shè)定4個斷面，用染色劑法(KMnO4)測定4個斷面的流速，重復(fù)3次取平均值。在坡面上等間距測量4個斷面的水流寬度，取平均值，即為坡面水流寬度。根據(jù)測定的流速、水流寬度等，計算徑流深、阻力系數(shù)、糙率系數(shù)、單位水流功率和剪切力等水動力學(xué)參數(shù)。

注：陰影部分表示草被。

表1 供試土樣各級粒徑組成

1.2 參數(shù)計算

徑流深是反映水力特征的重要因子。假定水流沿坡面均勻分布，采用式(1)計算徑流深(h)：

(1)

Re為水流慣性力與黏滯力的比值。Re越大，說明水流慣性力越大，水流發(fā)生紊流的可能性也就越大。

(2)

弗汝德數(shù)Fr反映了水流慣性力和重力之比，表示了過水?dāng)嗝嫔纤鞯膭幽芎蛣菽艿膶Ρ汝P(guān)系，是判別緩流和急流的依據(jù)。若Fr大于1，表明徑流的慣性力作用超過重力，徑流不斷加速，為急流；反之為緩流。

(3)

坡面流阻力系數(shù)是坡面流水動力學(xué)基本參數(shù)之一，反映了下墊面對流動水體的阻力的大小，是反映流體宏觀整體平均特性的一個重要參數(shù)。常用達(dá)西—韋伯(Darcy-Weisbach)阻力系數(shù)f來表示。

(4)

曼寧糙率系數(shù)n也可以表示徑流所受的阻力，表示壁面粗糙對液流影響的一個綜合性系數(shù)，綜合反映了坡面粗糙、邊界的整齊程度等的變化情況。

(5)

引起坡面侵蝕的侵蝕動力多采用徑流剪切力τ指標(biāo)，表達(dá)式為：

τ=γRJ

(6)

徑流動能F計算公式為：

(7)

Yang等[18]分析了大量的有關(guān)數(shù)據(jù)后，推出單位水流功率的概念，即單位重量的水體勢能隨時間減少的變化率。

(8)

魯克新等[19]以次暴雨洪水的徑流深和洪峰流量模數(shù)的乘積作為次暴雨侵蝕產(chǎn)沙的侵蝕動力指標(biāo)即徑流侵蝕功率，并應(yīng)用于不同空間尺度坡面，發(fā)現(xiàn)徑流侵蝕功率與侵蝕模數(shù)存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。徑流侵蝕功率PP的計算公式為：

(9)

式中：h為斷面平均水流深度(m)；Q為徑流量(m3)；U為斷面平均流速(m/min)；B為徑流寬度(m)；t為沖刷時間(min)；Re為徑流雷諾數(shù)；υ為水運動黏性系數(shù)，取7.0×10-5m2/s；Fr為弗汝德數(shù)；g為重力加速度(9.8m/s2)；f為阻力系數(shù)；R為水力半徑(m)；J為水力能坡，采用地面地形坡度α的正弦值(sinα)；n為曼寧糙率系數(shù)；τ為徑流剪切力(Pa)；γ為徑流的容重，為9 800 N/m3；F為水流動能(J)；V為平均水流流速(m/s)，P為單位水流功率(N·m/s)；PP為徑流侵蝕功率〔m4/(s·km2)〕；F′為作用力(N)；A′為與洪峰流量對應(yīng)的徑流小區(qū)出口斷面的過水面積(m2)；A為坡面面積(km2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面侵蝕產(chǎn)沙量變化特征

不同沖刷流量和植被覆蓋位置下的坡面侵蝕產(chǎn)沙量見表2。

表2 各格局坡面侵蝕產(chǎn)沙量

草被格局對坡面侵蝕影響顯著，y與植被覆蓋度x呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)(圖2)，產(chǎn)沙量隨植被覆蓋度的增大而減小，不同草被覆蓋度下的減沙效益呈對數(shù)增加趨勢(圖3)。當(dāng)覆蓋度達(dá)到90%時，坡面侵蝕產(chǎn)沙量僅5～6 kg，不同沖刷流量下的減沙效益達(dá)到70%～90%。圖3中兩條曲線的斜率可以說明不同覆蓋度下減沙效益的變化幅度。曲線的斜率均隨著覆蓋度的增加而逐漸減小，這說明，當(dāng)坡面上具有一定的植被后，每增加單位植被所帶來的減沙效益會逐漸降低。在本試驗中，當(dāng)覆蓋度達(dá)到30%以后，每增加20%的草被覆蓋，其所產(chǎn)生的減沙效益增幅逐漸變小。當(dāng)覆蓋度增加到70%時，斜率達(dá)到最大，而后逐漸降低，這說明存在一個臨界覆蓋度，超過此臨界蓋度，即使再增加植被，其相對減沙效益也不會相應(yīng)增加。本試驗中，臨界植被蓋度為50%～70%，當(dāng)覆蓋度從0增長到50%時，植被的減沙效益顯著提高，當(dāng)蓋度增加到70%時，植被保持水土的作用幾乎不隨覆蓋度的增加而顯著提高。這與吳蕾等[20]通過文獻(xiàn)分析得出的結(jié)論基本一致。

此外，植被的水土流失調(diào)控效應(yīng)也受降雨量和降雨強(qiáng)度的影響，大雨和暴雨時植被的減沙效益較高[21]。本研究中，相同的覆蓋度的植被在較大沖刷流量下表現(xiàn)出較好的減沙效果。圖4顯示，不同覆蓋位置下的坡面侵蝕產(chǎn)沙量一般表現(xiàn)為草被位于中下部時產(chǎn)沙量小于草被位于上部，這是因為草被位于中下部時，兼具緩流攔沙和滯流消能的作用[22]，既能攔截植被上部裸坡產(chǎn)生的泥沙量，又能通過減緩徑流流速削弱侵蝕動力。

圖2 草被覆蓋度對坡面產(chǎn)沙量的影響

圖3 不同草被覆蓋度下的減沙效益

圖4 不同草被覆蓋部位產(chǎn)沙量

2.2 坡面流動力學(xué)特征分析

2.2.1 坡面流流速 隨著植被覆蓋度的增加，平均徑流流速呈直線下降趨勢(圖5)，植被覆蓋度越大，徑流流速越緩，相比于裸坡，不同覆蓋下坡面徑流流速分別降低29.4%～82.4%(3.2 L/min)和24.2%～79% (5.2 L/min)。在相同覆蓋度情況下，沖刷流量越大，徑流流速越快。3.2 L/min沖刷流量下，不同覆蓋度斷面平均徑流流速平均值為6.29 cm/s ～24.74 cm/s，相對于裸坡下降了30.7%～82.4%，5.2 L/min流量下徑流流速平均值相對于裸坡下降了16.7%～78.3%，可以看出流量大時，草被延緩流速的作用相對減弱(16.7%<30.7%)。從圖5兩條直線差值隨著植被覆蓋度的增加而呈現(xiàn)微小增幅也說明，植被對于大流量下的徑流流速控制是有限的，這與植被在小流量下攔截徑流效果較為顯著的結(jié)論基本一致[23]。

圖6為不同沖刷流量下30%覆蓋度植被位于坡面不同部位時斷面流速及坡面平均流速變化。裸坡下，流速沿斷面逐漸增大，且流量越大，平均流速越大。草地坡面的徑流流速明顯減小，且有草斷面的平均徑流流速均小于無草斷面，30%蓋度時草地坡面徑流平均流速比裸坡時少40%～50%。對于不同部位植被的徑流流速，小流量時植被位于坡面上部對徑流流速的削減作用要強(qiáng)于植被位于坡面中部和下部，而對于大流量時，植被對徑流流速的削減作用依次是：草下部>草中部>草上部。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，沖刷流量較小(3.2 L/min)時，徑流通過位于坡面上部植被的作用，在水流流速最慢的時候?qū)搅鬟M(jìn)行了攔截，增加了入滲，減緩了流速，起到了較強(qiáng)的減流的作用。而當(dāng)沖刷流量較大(5.2 L/min)時，徑流量較大，植被形成的阻力有限，位于坡面上方的植被，僅能攔截坡頂流速較緩的徑流，位于坡中部的植被不僅對坡上有攔截徑流、減緩流速的作用，對坡下也有減緩流速、減小沖刷的作用，位于坡下部的植被，對全坡面的徑流都有攔截和減緩流速的作用。潘成忠等[24]的研究也表明草被植被對下部坡面徑流流速的削減作用要強(qiáng)于上部坡面。

圖5 不同植被覆蓋度下坡面流速變化

2.2.2 坡面流阻力系數(shù) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算了不同草被覆蓋度下的坡面徑流的阻力系數(shù)f和曼寧糙率系數(shù)n(表3)。在試驗的坡度和流量范圍內(nèi)，坡面徑流阻力系數(shù)f和糙率系數(shù)n分別變化于0.20～54.16，0.004～0.076，且草被覆蓋的坡面的阻力系數(shù)f明顯大于裸坡，不同蓋度草地坡面的阻力系數(shù)和糙率系數(shù)分別是裸地坡面的7～280倍和5～22倍。阻力系數(shù)f和曼寧糙率系數(shù)n分別隨覆蓋度的增加呈指數(shù)遞增，這主要是因為坡面流速隨著草被蓋度的增大而減小，在坡面流量、坡度基本相同條件下，水深與流速成反比，流速小則水深大，此時的坡面的阻力系數(shù)就大。從阻力系數(shù)f與覆蓋度(x)的回歸系數(shù)可以看出大流量時阻力系數(shù)f隨覆蓋度的增加幅度小于小流量的變幅，而且阻力系數(shù)f隨隨流量的增加呈下降趨勢，說明草被對坡面流的阻滯作用隨著流量的增加呈下降趨勢，再一次驗證了在大流量條件下，植被減緩坡面徑流流速的作用有限的結(jié)論。

圖6 不同沖刷流量下30%植被蓋度時流速對比

表3 不同覆蓋度下坡面流平均阻力系數(shù)(f )和糙率系數(shù)(n)

2.2.3 坡面徑流剪切力 在試驗的坡度范圍內(nèi)，徑流剪切力隨著流量的增加而增大，這是因為水流剪切力是徑流水深的函數(shù)，而徑流水深又是單寬流量的函數(shù)，所以，水流剪切力隨著流量的增加而增大。在相同的沖刷流量下，水流剪切力隨著植被覆蓋度的增加呈指數(shù)增大的趨勢(表4)，這是因為草被對徑流的分散阻止作用，增大了地表徑流的阻力系數(shù)，同時，草被的攔截使不斷順坡來的坡面流改變原來的運動方向，降低了徑流流速，有草坡段流寬增大，無草坡段流寬減小，徑流深增大所致。

表4 不同覆蓋度下坡面平均徑流剪切力(τ)

2.2.4 單位水流功率和徑流動能 單位水流功率P和徑流動能F與植被覆蓋度顯著相關(guān)，二者均隨植被覆蓋度的增加呈指數(shù)減小趨勢，這是因為P和F都是流速和徑流深的函數(shù)[25]，隨著植被覆蓋度的增加，對徑流的阻滯作用逐漸增強(qiáng)，V降低，P和F明顯減??；P和F隨著放水流量的增大而增加，因為放水流量越大，徑流單寬流量越大，水流流速就越大，進(jìn)而P和F越大，但P和F與放水流量相關(guān)性并不顯著(圖7—8)。

圖7 不同流量下坡面單位水流功率

2.2.5 坡面侵蝕產(chǎn)沙量與其影響因子關(guān)系分析 對侵蝕產(chǎn)沙量與各因子進(jìn)行偏相關(guān)分析，表5顯示，侵蝕產(chǎn)沙量受植被覆蓋度的影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.871；在各坡面流動力學(xué)因子中，F(xiàn)和V與坡面侵蝕產(chǎn)沙量最為相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.758，0.744，并達(dá)到極顯著水平；其次是Fr，n和τ，Re影響最小，關(guān)聯(lián)度僅為0.293。由于影響坡面侵蝕產(chǎn)沙量的眾多因素又互相影響，因此，為了剔除因素之間的互相影響，對相關(guān)性達(dá)顯著水平的覆蓋度，F(xiàn)r，n，τ，F(xiàn)，V和P等因素與侵蝕產(chǎn)沙量y進(jìn)行逐步回歸分析，得到回歸方程：y=6.150×F-32.88×C-361.989×P+47.702。式中：y為侵蝕產(chǎn)沙量(kg);F為徑流動能(J);C為植被覆蓋度(%);P為單位水流功率〔(N·m)/s〕。

上式表明，侵蝕產(chǎn)沙量與徑流動能F呈正相關(guān)，與植被覆蓋C和單位水流功率P呈負(fù)相關(guān)，植被覆蓋、徑流動能F和單位水流功率P共同決定坡面侵蝕產(chǎn)沙。從物理學(xué)角度講，坡面徑流侵蝕土壤的過程是做功消耗能量的過程，F(xiàn)和P均是能量的代表，是V和J綜合作用的結(jié)果。不少研究把P作為預(yù)測坡面侵蝕產(chǎn)沙量的重要因子。Moor和Burch[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤顆粒為分散狀時，P能夠相當(dāng)精確地預(yù)測坡面流和細(xì)溝流的輸沙率。單位水流功率理論綜合反映了坡面下墊面的差異對水蝕過程的影響，可以用于計算坡面徑流產(chǎn)沙量。

圖8 不同流量下坡面徑流動能F

表5 侵蝕產(chǎn)沙量與各影響因素相關(guān)分析

3 結(jié) 論

(1) 植被能夠有效攔截泥沙，且對小流量徑流攔截效果更為顯著；不同坡面覆蓋位置引起的侵蝕產(chǎn)沙表現(xiàn)為草被位于中下部時產(chǎn)沙量小于草被位于上部，是因為草被位于中下部時，兼具緩流攔沙和滯流消能的作用。

(2)V，τ，P和F隨植被覆蓋度的增大而減小，阻力系數(shù)f隨覆蓋度的增大而增大，草被覆蓋位置對坡面水力學(xué)參數(shù)的影響不存在顯著差異。

(3) 坡面侵蝕產(chǎn)沙量與植被覆蓋度，F(xiàn)，V，F(xiàn)r，f，n，τ等因子密切相關(guān)，坡面侵蝕產(chǎn)沙可以用植被覆蓋度、單位水流功率和徑流動能的聯(lián)合公式表示。