草地植被结构对坡面流水动力学特性的影响研究

徐 震,高建恩,赵春红

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；4.国务院南水北调办公室政策及技术研究中心，北京 100038)

植树种草是控制土壤侵蚀，治理水土流失从而进行生态修复的重要水土保持措施之一[1- 2]，而植被调控坡面径流输沙机理也一直是研究的热点。目前国内外关于植被调控下的坡面侵蚀研究多集中在植被减沙贡献方面[3- 6]，关于水动力学特性的研究主要集中在裸地坡面上[7- 9]，近年来一些学者从水动力学角度分析植被水沙调控机理[10- 19]，研究了不同植被、不同覆盖度对坡面流水动力学特性及产沙过程的影响；赵春红、高建恩等[20]、杨坪坪、张会兰等[21]通过圆柱体试验研究了坡面流水动力学特性，探索了植被茎部对坡面流水动力学特性的影响。由于黄土高原区域气候干旱，植被为减少蒸发，多冠层细小根系发达[22]，其在短历时高强度暴雨的冲击下，草被覆盖、根系作用在一定程度上会减少细沟的出现，降低雨滴对坡面土壤颗粒的溅蚀，深刻影响着坡面流流速、阻力等水动力学参数，植被根系和冠层如何进行水沙调控值得深入研究。本文通过对3种下垫面(草被下垫面、根系下垫面、裸坡下垫面)进行室内人工模拟降雨试验，研究真实草被根系和冠层对坡面流水动力学参数的影响，以期为进一步深入研究植被结构调控土壤侵蚀过程提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置和供试材料

试验在中科院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅下喷区进行，试验装置如图1所示，光滑玻璃水槽宽1m，高33cm，长8m；水槽可调节到试验所需要的坡度，坡度分别调节为1°，3°，6°，9°和12°。

图1 试验装置图

试验沙样取自黄土高原水蚀风蚀交错区毛乌素沙漠南缘定边县集镇的天然黄绵沙，先在试验槽底部铺3cm厚的非均匀沙，边装填边压实，以增强其糙度，然后再填入供试材料——均匀沙，即通过0.25mm和0.125mm筛孔筛出的平均粒径为0.177mm的均匀沙，厚度为12cm，装填结束后，用特制平尺将表面刮平，表面无结皮，即为裸坡下垫面。选取黄土高原3个发生频率较大时段的雨强30mm/h，60mm/h，90mm/h进行试验，降雨历时1h，降雨高度16m以保证雨滴达到终速。

图2 各下垫面示意图

1.2 下垫面的处理

各下垫面示意图如图2所示，草被下垫面处理方法：在与裸坡下垫面相同的条件下，在其上种植沙打旺(成株后覆盖度约为40%)。根系下垫面处理方法：在同草被下垫面相同的的条件下剪去坡面上露出的草被冠层，使其表面与裸坡下垫面相同，但下部仍有根系存在。每场试验前通过预降雨的方法控制各下垫面土壤含水率的一致性，含水率通过WET测出。

1.3 含沙量、流量和坡面流流速的测量

每3min进行采样，采集的泥沙样量测体积后，烘干称重，确定含沙量；用积分桶测量体积以计算总流量。每次采样的同时对3个控制断面(图1)用染色剂法进行流速测量，选取3断面多次平均流速的均值作为坡面流表层流速，本次试验属层流范畴，故乘以修正系数0.67作为水流断面的平均流速[23]，即为坡面流流速。

1.4 研究方法

本次研究中，为了定量分析草被根系与冠层对坡面流水动力学参数的调控，假定草被对坡面流水动力学参数的调控仅为冠层与根系的作用之和。因此，冠层对坡面流水动力学参数的调控作用为草被的作用减去根系的作用。

1.5 数据分析方法

1.5.1 流速V

坡面流流速分为表层流速VS和平均流速V，表层优势流速通常采用染色剂高锰酸钾失踪法进行测定，而平均流速可通过坡面流所处的流型进行修正。

V=αVs

(1)

式中，α—修正系数，当水流流型为层流和过渡流时，α取0.67，当为紊流时，α取0.8。

1.5.2 平均水深h

从水力学角度讲，水深是几何因子，水力半径是水力因子。一般水深都是自变量，只有在河床演变方面，水深和床面变形在一个尺度，可作为因变量。由于坡面降雨径流属薄层水流，床面变形(坡面泥沙的冲刷，淤积)和下垫面因素(草被的截留，根系固结土壤颗粒)均会对实际水深造成一定的影响，在草被下垫面条件下水深亦不易于测量，因此水深作为因变量可由各时段典型断面的平均表层流速和流量反算得出：

(2)

1.5.3 雷诺数Re和弗劳德数Fr

雷诺数Re和弗劳德数Fr是判定坡面水流流型流态的重要依据，均无量纲。雷诺数反映了水流的惯性力与粘滞力的比值，而弗劳德数表征水流惯性力与重力的比值。其表达式分别为：

Re=Vsh/ν

(3)

(4)

式中，ν—水流动力粘滞系数，m2·s-1；ν=0.01775/(1+0.0337T+0.000221T2)，其中T为水温，℃。

1.5.4 Darcy阻力系数f和曼宁糙率系数n

对两组研究对象的诊断结果对比，CT扫描组中研究对象能够进行确诊的总共有13例，跟临床结果进行对比的确诊概率为65%；磁共振组中研究对象能够进行确诊的总共有18例，跟临床结果进行对比的确诊概率为90%。通过对比发现，两组之间的诊断结果的数值比较具有统计学的意义（P＜0.05）。

(5)

(6)

2 草被根系和冠层对坡面流水动力学参数的影响

2.1 草被根系和冠层对坡面流流速的影响

草被可通过冠层截流减小径流量，茎秆阻碍增加径流阻力，根系固结泥沙颗粒减小径流挟沙从而减小径流能量等作用减缓坡面径流流速，根系下垫面条件下仅通过根系固结泥沙作用减缓流速。不同下垫面坡面流流速随坡度变化如图3所示，从图3可以看出，当雨强为30mm/h时，裸坡和根系的流速相近，均明显大于草被下垫面的坡面流流速，草被冠层在减缓坡面流流速时起到主要贡献作用；当雨强增至60mm/h时，根系对坡面径流流速的减缓作用开始逐渐增强；当雨强增至90mm/h时，根系和草被下垫面的流速相近，裸坡下垫面条件下的流速明显大于二者，草冠可平均减小坡面流流速6%，草根可平均减小坡面流流速69%。总体上，随着雨强的增大，根系逐渐取代冠层而成为减小坡面流流速的主要贡献者，在30mm/h、60mm/h、90mm/h雨强下，草冠草根共同作用平均减小流速效益分别为65.3%、75.7%、74.9%。

图3 不同下垫面坡面流流速随坡度变化

通过对45组试验资料进行多元回归分析，得出了不同下垫面条件下坡面流流速与单宽流量、坡降、雨强间的相关关系，见表1，可以看出雨滴扰动对坡面流流速的影响远小于流量和坡降影响，在牧草和根系下垫面下，坡降对坡面流流速发挥主要作用，流量次之；在裸坡下垫面下，流量对坡面流流速起到主要作用，坡降次之。

表1 不同下垫面坡面流流速公式

在水力学的明渠均匀流中，谢才公式在高水深条件下其公式为：

(7)

将其运用于坡面非均匀流时，水力半径R可近似等于水深h，公式可推导如下：

(8)

可以看出流速与单宽流量的0.4次方成正比，与坡降的0.3次方成正比，对于本次试验，在裸坡条件下，坡面流流速与单宽流量的0.5次方成正比，与坡降的0.3次方成正比，在牧草、根系下垫面条件下，坡面流流速与单宽流量的0.25次方成正比，坡降因子的幂均大于0.3，因此，明渠均匀流的谢才公式在应用于坡面非均匀流时需要修正。

2.2 草被根系和冠层对坡面流平均水深的影响

由于坡面降雨径流属薄层水流，床面变形(坡面泥沙的冲刷，淤积)和下垫面因素(草被的截留，根系固结土壤颗粒)均会对实际水深造成一定的影响，在草被下垫面条件下水深亦不易于测量，因此水深作为因变量可由各时段典型断面的平均流速和流量反算得出。

不同下垫面坡面流水深随坡度变化如图4所示，从图4可以看出，坡面流平均水深随坡度的增加呈减小趋势，其与坡度的对数呈较好的线性相关关系。在坡度为3°～12°下，当雨强为30mm/h和60mm/h时，草被下垫面的水深明显高于其它两种下垫面的水深，草被冠层在增加坡面径流水深中起到主要作用，当雨强增至90mm/h时，根系取代冠层在增加坡面径流水深时起到主要作用。总的来看，草冠草根共同作用可使坡面流水深平均增加2.13～2.29倍，在小雨强(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，在大雨强(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。

图4 不同下垫面坡面流水深随坡度变化

图5 不同雨强、坡度下草被根系与冠层减缓流态效益比

2.3 草被根系和冠层对坡面流雷诺数和弗劳德数的影响

对于坡面径流，流型指坡面流的流动型态，即层流、过度流及紊流，常用雷诺数反映；流态是流动的状态，即缓流、临界流与急流，常用弗劳德数反映。不同坡度、雨强、下垫面条件下坡面流雷诺数和弗劳德数见表2，从表2可以看出，弗劳德数随坡度的增加而增大，草被根系和冠层的作用均使之减小，而雷诺数随雨强的增加而增大，草被根系作用使之增加。当坡度为3°～9°时，在雨强为30mm/h时，冠层在减缓水流流态时起到主要贡献作用，当雨强增至90mm/h时，根系逐渐取代冠层而成为减缓水流流态的主要贡献者，如图5所示。总体来看，草被冠层多减小坡面流雷诺数，而根系多增加坡面流雷诺数，二者对坡面流雷诺数的影响最大变幅达40%以上。草被冠层减小坡面流弗劳德数最大值达2.2，根系减小坡面流弗劳德数最大值达6.5。

依据明渠及天然河道临界雷诺数的标准[24]，本试验条件下的坡面径流流动型态可初步判定为层流，然而在降雨试验观测过程中发现径流出现了大量的紊动，这与雨滴的击溅，植被的扰动等有直接关系，因此明渠及天然河道临界雷诺数的判别标准不适用于坡面流流型判定。草被下垫面坡面流流态基本均为缓流；根系下垫面坡面流流态在1°～3°间由缓流转为急流，裸坡下垫面坡面流流态均为急流。

表2 不同坡度、雨强、下垫面条件下坡面流雷诺数和弗劳德数

图6 不同雨强、坡度下草被根系与冠层对坡面流阻力系数的影响

2.4 草被根系和冠层对坡面流阻力系数的影响

不同坡度、雨强、下垫面条件下坡面流阻力系数见表3，从表3可以看出，草被根系和冠层可显著增大坡面流阻力。对于3°～12°坡面，在雨强为30mm/h和60mm/h时，草被冠层可显著增加坡面流阻力系数，当雨强增至90mm/h时，草被根系逐渐取代冠层成为增加阻力系数的主要贡献者。曼宁糙率系数在草被作用条件下变化于0.0403～0.1190之间，在根系作用条件下变化于0.0079～0.0586之间，在裸坡条件下变化于0.0041～0.0136之间；Darcy阻力系数在草被作用条件下变化于1.33～8.90之间，在根系作用条件下变化于0.07～2.14之间，在裸坡条件下变化于0.02～0.21之间。当坡度为3～12°时，在雨强为30mm/h和60mm/h时，冠层对水流的增阻起到显著的贡献作用，当雨强增至90mm/h时，根系对水流增阻的贡献作用有所增加，并逐渐起到主要贡献作用，如图6所示。

草冠对坡面流增糙的贡献最大达0.108，增加坡面流阻力最大值达8.8；而草根对坡面流增糙的贡献最大仅为0.052，增加坡面流阻力最大值仅为2.2，因此草冠对坡面流糙率、阻力的影响较草根更为显著。但在大雨强、陡坡情况下(90mm/h、12°)，草被根系的增糙、增阻作用非常明显，冠层基本没有作用。总的来看，草冠草根共同作用可使坡面流阻力平均增加27.9～52.3倍，在雨强较小时，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，在大雨强下，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、雨强、下垫面条件下坡面流阻力系数

3 结论

(1)本次试验采用沙打旺植被，其具有防风固沙，抗旱抗寒等诸多优点，沙样取自黄土高原水蚀风蚀交错区毛乌素沙漠南缘定边县集镇的天然黄绵沙，研究了植被结构对坡面流水动力学参数的影响，对治理日益沙化且干旱缺水的黄土高原水土流失具有现实意义。在未来的黄土高原植被恢复与生态环境建设中，可通过优化植被结构配置，缓解黄土高原水土流失现状。

(2)草被根系、冠层通过改变坡面流流态，减小流速，增加坡面阻力减少径流侵蚀。当坡面接近水平时(S=1°)，草被根系对减小坡面流流速和减缓坡面流流态均发挥着显著的贡献作用；对于倾斜坡面(S=3°、6°、9°、12°)，雨强较小时(i=30mm/h、60mm/h)，草被冠层对减小径流流速和减缓坡面流流态，增加径流水深和增大径流阻力起主要贡献作用，当雨强增至90mm/h时，草被根系逐渐取代冠层成为主要贡献者。

(3)试验条件下草被下垫面坡面流流态基本为缓流，根系下垫面坡面流流态在1°～3°间由缓流转为急流，裸坡下垫面坡面流流态均为急流。雨强较小时(i=30mm/h、60mm/h)，根系和冠层对弗劳德数的减小作用基本相同，约41%左右，当雨强增至90mm/h时，根系发挥主要作用。