坡度与降雨强度对狗牙根草地产流的影响

朱永杰， 毕华兴， 霍云梅， 常译方， 王晓贤， 蔡智才

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)



坡度与降雨强度对狗牙根草地产流的影响

朱永杰， 毕华兴†， 霍云梅， 常译方， 王晓贤， 蔡智才

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

摘要：通过室内人工降雨模拟试验，对不同暴雨条件下坡度和降雨强度对狗牙根草地产流的影响及整个产流过程中径流系数的动态变化规律进行研究。结果表明：1)狗牙根草地径流量和场降雨径流系数均随着坡度、降雨强度的增大而增大，径流量最大可达33.77 L/m2；其他条件不变的情况下，随着降雨强度的增大，不同坡度间的径流量以及径流系数差距逐渐缩小；2)初始产流时间随坡度和降雨强度的增加而缩短，各降雨条件下从开始产流到降雨结束，整个过程径流系数动态变化规律都是呈先快速增加，最后趋于稳定的趋势；从产流开始到径流系数达到稳定所需要时间最短的为降雨强度90 mm/h、坡度5°的降雨条件，所需时间最长的为降雨强度30 mm/h、坡度5°的降雨条件； 3)运用灰色关联度分析得到降雨强度、坡度对径流量的关联度分别为0.61和0.60，关联度较好，降雨强度对产流影响程度略大于坡度；4)回归分析得到径流量与坡度和降雨强度的线性回归方程，且相关性显著，R2达到0.89，拟合结果较好，降雨强度、坡度与径流量均呈极显著相关水平。

关键词：人工模拟降雨； 坡度； 降雨强度； 径流量； 径流系数； 狗牙根； 灰色关联度分析法

项目名称： 国家水体污染控制与治理重大专项“城市地表径流减控与面源污染削减技术研究”(2013ZX07304-001)

狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers)是南方典型的匍匐茎草被植物，由于其气候适应能力强，在南方的草坪绿地得到广泛运用与研究[1-4]。狗牙根有较为密集的根系，在边坡护坡上有很好的水土保持效益及研究[5-8]。相关研究表明：狗牙根等护坡植物具有截留降雨、削弱雨滴击溅和固结土壤、减控地表径流产生等多种水文效应[9]，不同的坡面坡度条件会对护坡植物的保水保土效果产生影响[10]；因此研究狗牙根草地在不同降雨强度和坡度条件下的产流规律对于探索狗牙根草地的保水保土作用具有一定参考价值。目前，国内外大多数针对径流的研究主要以径流的水力学特征和产流机制以及径流中污染物、养分流失为主。吴普特等[11]采用人工模拟降雨的试验方法,研究了地表坡度对坡面径流流速的影响。范昊明等[12]对不同坡形坡面径流流速时空分异特征研究发现在同坡形条件下，坡面流速随降雨强度、坡度的增加而增加。王进鑫等[13]对反坡梯田坡面状况的内在产流机制进行了研究，表明地面坡度能够提高坡面产流率，产流量与坡度坡长均呈正相关。王云琦等[14]认为坡面产流模型在现在的观测试验中应用广泛。总体来说，现有大多数研究都表明，降雨强度和坡度与坡面径流量呈正相关关系[15-16]，泥沙以及土壤养分在一定范围内均会随着坡度的增加而加剧流失[17-20]；然而，针对降雨强度和坡度对坡面径流的交互影响，尤其是纯草地覆盖条件下降雨强度和坡度对径流及动态径流系数报道相对较少。笔者以狗牙根草地(以下简称草地)为试验对象，采用人工模拟降雨试验，运用灰色关联度分析法分析坡度和降雨强度对径流的影响程度以及不同条件下的动态径流系数，并拟合回归方程，以期为以后更加深入探索在某一特定条件下狗牙根草地产流规律提供参考，同时为坡度和降雨强度对草地径流系数及径流量的定量研究以及草地对径流的动态削减作用提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验设备与材料

试验在位于首都圈森林生态系统定位站的北京林业大学鹫峰降雨大厅进行，实验系统包括人工降雨系统、坡地实验系统、实验控制系统、供水系统4部分。其中，降雨装置为下喷式，有效降雨高度12 m，雨滴终点速度接近自然降雨速度，可模拟10～300 mm/h的降雨强度，经标定，该降雨系统降雨均匀度超过85%。

降雨均匀度标定的具体方法为：正式降雨前，在试验雨区按照10 cm×10 cm间距摆放100个雨量筒，将降雨强度调至试验所需要的降雨强度，降雨一定时间后，分别测定各个雨量筒的雨量值。据此计算降雨均匀度，如此反复调试，直到降雨均匀度超过85%。

本试验所采用的土槽规格为1 m(宽)×2 m(长)×0.30 m(深)，中间用隔板分隔成2个大小一样宽度为0.50 m的土槽，底部留有直径5 mm的小孔，以便土壤水自由下渗。土槽坡度在0～30°范围内自由可调。

试验用土取自江苏省无锡市耕作土，无锡处于江苏南部，太湖流域，受成土母质的影响，土壤类型以水稻土为主，为南方典型黏壤土，土壤质地为黏重，土壤密度为1.40 g/cm3。通过Microtrac公司生产激光粒径分析仪(S3500)得到其粒径组成(表1)。

表1　供试土壤机械组成

1.2试验方法与测定

试验时，先将土样在自然状态下风干过10 mm土筛，除去其他杂质备用。试验用草为狗牙根，试验时将狗牙根草皮尽量除去所带的土，草皮厚度约1～2 cm，平铺在填好的土壤上，在土槽上生长稳定后备用。生长后的草皮能够较为真实的模拟自然草地。参考前人研究[21-22]，本试验共设3种降雨强度(30、60、90 mm/h)、3个坡度(5°、10°、20°)共9组试验。试验模拟试验区为江苏地区，该区夏季位于南亚高压频繁活动区域内，6—7月为梅雨季节，梅雨季节该区暴雨及大暴雨频发，为了解该区狗牙根草地在大暴雨条件下的产流过程，根据降雨等级划分，将降雨量确定为90 mm。每组试验有2个分槽，可以获得2组平行数据，对2组平行数据进行差异性分析，在差异性不显著的情况下取二者均值，以保证试验的准确性。填土前，用环刀法测定土壤密度，根据测定的土壤密度和土层厚度(20 cm)计算填土量，分4层填土并压实。填土前在底部铺10 cm厚的细沙，以保证透水性良好。为了排除土壤初始含水率对试验的影响，试验采用6 050X3K1B-MiniTrase Kit土壤水分测定仪每天不间断监测土壤水分，以期每次试验前土壤含水率基本相同。植被覆盖度采用方格法测定[23]，本实验采用90%的植被盖度。

降雨开始后用秒表计时，记录开始产生径流时间，开始产流后的前20 min每2 min取1次径流泥沙样，20～60 min每5 min取1次径流泥沙样，1 h后每10 min取1次径流泥沙样。

1.3灰色关联度分析法

降雨强度和坡度对草地产流均存在不同程度的影响，为了区分2个因子对产流的影响程度，以定量描述这2个因子对降雨产流的影响，在此借用灰色关联度分析法[24-25]对降雨强度、坡度2个因子进行灰色关联度分析。主要步骤如下。

1)数据标准化处理。以各个降雨条件下测得的径流量的值为参考数列，X0={x0(1)，x0(2)，…，x0(k)}(k=1，2，3，…，m)，对应条件下的雨量作为X1，降雨强度作为X2，坡度作为X3。由于各个因子量纲不同，因此需将各数列进行量纲归一化处理，即用每一个数列第一个数xi(1)去除其他数xi(k)。然后通过求各因子与参考数列的差值序列。

2)计算比较数列与参考数列的关联系数

ξ(k)=

式中：ξ(k)为i因子中第k个值的关联系数，|X0(k)-Xi(k)|为i因子与参考数列径流{X0}的绝对差；min|X0(k)-Xi(k)|为两级最小差；max|X0(k)-Xi(k)|为两级最大差；ρ为分辨系数，一般取0.5。ri为第i个因子的关联度。关联度越大，表明对参考数列的影响也越大。

1.4径流系数

径流系数为某一时段径流量与相应降雨量之比。

φ=Q/Qs。

式中：φ为径流系数；Q为该时段径流总量，L；Qs为该时段降雨总量，L。

采用Microsoft Excel以及SPSS19.0进行数据统计，并进行回归分析。

2结果与分析

2.1场降雨草地径流量及径流系数总体特征

场降雨草地径流测定结果见图1。可以看出，坡度和降雨强度对草地径流量的影响效果明显。其他条件不变的情况下，随着降雨强度的增大，不同坡度间的径流量以及径流系数差距逐渐缩小，30 mm/h降雨强度时，5°坡面与20°坡面径流量相差10.18 L/m2，60 mm/h降雨强度时相差8.89 L/m2，90 mm/h降雨强度时相差4.32 L/m2。这说明在一定范围内，在较大降雨强度条件下会使坡度对狗牙根草地径流量的影响程度减弱，同时，相同降雨强度下随着坡度的增大，草地径流量和场降雨径流系数均增大。相同坡度不同降雨强度条件下，草地径流量和场降雨径流系数也随着降雨强度的增加而增大。这主要是因为坡度和降雨强度的增加，都会使入渗到土壤中的雨水减少，从而使产流增加。

图1　不同降雨条件下的径流量Fig.1　Runoff volume under different rainfall conditions

2.2坡度和降雨强度对草地径流系数的影响

不同降雨强度和坡度条件下的草地产流径流系数动态变化规律见图2。可以看出，3种降雨条件下不同坡度草地的径流系数变化规律基本一致：从开始产流后径流系数以较快的速度在增大，开始产流10～30 min后趋于稳定，并一直持续到降雨结束，且稳定在某一径流系数值上下波动。

初始产流时间随着降雨强度的增大而明显缩短。同时，在相同降雨强度时，初始产流时间也随着坡度的增加而有所提前，但其变动幅度要小于不同降雨强度条件下初始产流时间的变动幅度。

如图2所示：开始产流后的5 min，各降雨强度和坡度条件下的径流系数普遍较小，最小的是降雨强度30 mm/h、坡度5°条件下，仅为0.03；在降雨强度90 mm/h、坡度5°时最大，为0.31，2个极值相差较大，其他均在0.10～0.30之间。这主要是由于产流初始阶段，在不同坡度和降雨强度条件下土壤入渗速率不同，使得初始的径流系数相差较大。

产流10 min时，降雨强度30 mm/h，坡度5°、10°和20°的径流系数分别为0.16、0.32、0.33，较初始值增加433.33%、60.00%、200.00%，平均增加231.11%。降雨强度60 mm/h的分别为0.39、0.36、0.31，较初始值增加30.00%、63.63%、80.00%，平均增加57.88%。降雨强度90 mm/h的分别为0.47、0.45、0.31，较初始值增加51.61%、87.50%、135.29%，平均增加91.47%。说明在产流后10 min内，草地动态径流系数增加明显，比初始值增加0.50倍以上，30 mm/h降雨强度条件下增加量最多，增加最为迅速。

从稳定后的径流系数(图2)来看，试验条件下相同盖度狗牙根草地稳定后的动态径流系数是随着降雨强度和坡度的增加而增大的。降雨强度30 mm/h，坡度5°、10°和20°的稳定径流系数分别为0.41、0.45、0.50；降雨强度60 mm/h的依次为0.46、0.48、0.54；降雨强度90 mm/h的依次为0.46、0.50、0.55。开始产流后到产流趋于稳定所需要的时间随降雨强度和坡度的增加而缩短；在降雨强度或坡度一定时，同一种类型草地相同盖度在产流稳定后的动态径流系数值接近，相差<0.05。

图2　不同降雨强度、坡度组合条件下的草地径流系数Fig.2　Variation of runoff coefficient on grassland in different combinations of rainfall intensity and slope gradient

2.3降雨量、降雨强度和坡度对草地产流的交互作用

各因子对径流量的关联系数及关联度见表2。降雨强度、坡度对草地径流量的影响关联度分别为0.61、0.60。从计算关联度来看，坡度、降雨强度对径流的影响很接近，坡度对径流量的关联系数最大达到0.91，而降雨强度对径流量的关联系数最大也达到0.84，关联性都相对较强，说明对径流量的影响较大。

表2　各因子对径流量的关联系数及关联度

2.4降雨强度、坡度与草地径流量的回归分析

为了更好地描述降雨强度、坡度对径流量的影响，经过线性回归分析，得到坡度和降雨强度与草地坡面产流的回归关系(表3)。

表3　回归分析

注：**表示P<0.01显著水平；*表示P<0.05显著水平。 Note：**represents the significance level ofP<0.01.*represents the significance level ofP<0.05.

由表3可得，降雨强度与降雨径流量之间不是单纯的线性关系，经过拟合的坡度和降雨强度与草地径流量的关系式为：

Mw=6.780×10-4I2-1.2×10-5I+

0.516S+20.230;

R2=0.89，F=32。

式中：Mw为产流量，L/m2；I为降雨强度，mm/h；S为坡度，(°)。

可以看出：方程相关性较高，关系式达到显著水平，在一定试验条件下可以很好地预测已知坡度和降雨强度狗牙根草地的径流量；同时从表中可以看到，2个因子的系数与径流量之间也呈极显著性相关，说明因变量与变量之间具有较好的相关性。

3结论

1)草地径流量和场降雨径流系数随着坡度、降雨强度的增大而增大。其他条件不变的情况下，随着降雨强度的增大，不同坡度间的径流量、径流系数的差距逐渐缩小。

2)30、60和90 mm/h 3种降雨强度下不同坡度草地产流后的径流系数变化规律均呈先快速增加，一定时间后趋于稳定的变化规律；初始产流时间随着降雨强度和坡度的增大而明显缩短；在产流后10 min内，草地动态径流系数增加明显，比初始值增加0.50倍以上，30 mm/h降雨强度条件下增加量最多，增加最为迅速；在降雨强度或坡度一定时，同一种类型草地相同盖度在产流稳定后的动态径流系数值接近。

3)降雨强度对径流量的影响程度大于坡度，径流量与坡度和降雨强度的相关性显著，但降雨强度与径流量不是简单的线性关系。

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(责任编辑：宋如华郭雪芳)

Effects of slope and rainfall intensity on runoff ofCynodondactylonlawn

Zhu Yongjie， Bi Huaxing， HuoYunmei， Chang Yifang， Wang Xiaoxian， Cai Zhicai

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Abstract:By the ways of rainfall simulation, we studied the effects of different slope gradients and rainfall intensities on runoff and runoff coefficient of Cynodon dactylon lawn, and the dynamic laws of runoff coefficient during the whole runoff process .The results showed that: 1) runoff and runoff coefficient of the C. dactylon lawn increased with the increasing slope gradient and rainfall intensity, and the biggest runoff volume (33.77 L/m2) appeared under the condition of rainfall density 90 mm/h and slope degree 20°. If keeping other conditions unchanged, the differences in runoff volume and coefficient at different slope gradients would decrease. 2) The initial runoff time was shortened with the increase of slope gradient and rainfall intensity; the initial runoff time occurred 60 min after rainfall at the density of 30 mm/h, while it was 30 min after rainfall at 60 mm/h and shortened to 20 min after rainfall at 90 mm/h. From the onset of runoff producing to the end of rainfall, the change of runoff coefficient followed a pattern of increasing rapidly at first and tending to be stable afterwards, which means that it increased at least 50% at first. Compared with other rainfall conditions, the coefficient at the 30 mm/h rainfall density increased fastest, then tended to be steady after a certain period in the whole process; the coefficient increased as the slope degree and rainfall density increased, with a small difference within 0.05 when the slope degree or rainfall density were kept unchanged. 3) Based on grey correlation analysis, we come to the conclusion that the correlation degrees of rainfall intensity and slope gradient with runoff were 0.61 and 0.60 respectively, indicating that the rainfall intensity has more effect on runoff than slope gradient. The maximum correlation degree between rainfall intensity and the runoff was 0.84, while that between slope gradient and runoff was 0.91. 4) A linear equation between runoff, slope gradient and rainfall intensity was fitted by regression analysis, with the R2value 0.89, suggesting a good fitting. The significant level of slope gradient and rainfall intensity with the total runoff volume was less than 0.01.

Keywords:rainfall simulation; slope; rainfall intensity; runoff; runoff coefficient; cynodon dactylon; grey correlation analysis

通信作者†简介： 毕华兴(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持，林业生态工程。E-mail：bhx@bjfu.edu.cn

作者简介：第一 朱永杰(1990—)，男，硕士研究生。主要研究方向：林业生态工程。E-mail：455710351@qq.com.

收稿日期：2015-02-24修回日期： 2015-11-03

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0020-06