坡面草带分布对坡沟水土流失的防控作用及其优化配置

2019-05-21李占斌于国强

农业工程学报 2019年7期

张霞，李鹏，李占斌，于国强，李聪

（1. 旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室，西安 710048； 2. 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室（西安理工大学），西安 710048； 3. 中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054；4. 河南黄河水文勘测设计院，郑州 450004）

0 引言

深化植被空间配置方式对坡沟系统侵蚀输沙调控机制研究，是了解流域侵蚀产沙、调控泥沙来源的基础性关键问题[1-8]。坡沟系统作为流域的基本组成部分，其侵蚀过程的产生发展是土壤侵蚀动力机理研究的核心问题，同时也是流域水土流失防治的关键。随着土壤侵蚀研究不断发展，揭示坡沟系统水蚀过程的发生发展机理，阐明植被措施对坡沟系统水蚀过程的调控机理，提出合理的调控方式[2-4]，成为目前土壤侵蚀研究关注的焦点问题。

黄土高原植被侵蚀产沙调控作用研究历史悠久，取得了许多进展。研究坡沟系统草带位置对挟沙水流动力特性以及侵蚀产沙特性的影响，对于分析植被对坡沟系统侵蚀机理具有重要意义。以往坡面径流流速方面的研究多是在单一裸坡条件下开展，涉及到草被覆盖及空间配置的较少，且径流流速多为整个坡面流段的平均特征，未能很好地反映径流流速在坡面的时空变化过程[3-4]。同时由于侵蚀产沙领域问题以及坡面薄层水流关系的复杂性，研究手段和测量技术的限制，缺乏足够可靠的观测资料，关于坡沟系统泥沙来源的定量识别研究一直制约着坡沟系统侵蚀研究发展[2-8]，在一定程度上限制了植被减蚀效应的研究。关于植被调控水沙过程以及对径流侵蚀动力作用机制的研究就更少，使得植被对土壤侵蚀的影响机制很难理解[9-21]。因此，开展黄土高原坡沟系统的植被空间配置对侵蚀动力学作用机制的研究，具有重要的科学和现实意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

根据坡沟系统地貌特征、室内试验条件和设计原则以及具体试验设施状况，对黄土高原丘陵沟壑区坡沟系统进行了概化，建立的坡沟系统物理试验模型，如图 1所示。所建物理试验模型基本表征黄土高原丘陵沟壑区坡沟系统的地貌特征。坡沟系统试验模型试验系统采用钢板制成。其中坡度12°、长度为8 m的钢槽代表坡面；另外坡度25°、长度为5 m的钢槽代表沟道。整个钢槽的水平投影面积为 11.55 m2。坡面与沟道的长度比为1.6:1.0，代表黄土高原地区坡面与沟道的实际比值[4]。

图1 坡沟系统概化模型示意图Fig.1 Schematic diagram of generalization model of slope-gully system

本次研究对象为陕北黄土高原丘陵沟壑区，以黄土作为试验用土壤，土壤样品为西安郊区黄土。采用马尔文2000激光粒度仪对其泥沙颗粒组成进行测定，土壤机械组成为黏粒12.93%、粉粒82.55%、沙粒4.52%。根据美国农业部（USDA）的土壤分类标准，最终确定试验用土壤归类为粉质土。

试验开始前，首先在钢槽底部铺设厚度为20 cm的天然砂层，以保证试验用土的透水性接近于天然状态，并且确保土壤中的水分均匀渗透。为了确保试验初始条件的一致性，试验采用土壤夯实的办法，并在试验之前提前喷洒水预湿。土壤容重控制在 1.3 g/cm3左右，初始土壤含水量控制在21%左右。随后，将4层5 cm的试验土壤层放置在沙层的上部，留出10 cm的空间用于覆盖草带。草带与裸露的斜坡部分齐平并紧密连接，以防止降雨期间草带滑动。试验用草为野生马尼拉草（Zoysiamatrella），草带尺寸为 2 m×1 m，根系深度为20 cm。试验开始2周前，将草带移植到钢槽内自然生长。

在室内人工模拟降雨试验中，采用自行设计的向上式模拟降雨装置产生降雨。采用滤纸法[7]测量雨滴直径，雨滴平均直径达到1.5 mm，雨滴直径分布在0.4～3.0 mm之间。因此，本次试验中的模拟降雨在雨滴尺寸和雨滴分布均与自然降雨类似。试验中每个喷头的降雨覆盖面积达到3～4 m2，试验中共使用8个喷嘴，4个位于坡面、4个位于沟道。按照文献记载和实际物理模型计算，确定雨滴的有效降落高度为6 m[22]，以确保雨滴末速接近天然降雨末速。雨强通过喷头尺寸和水压精确控制，每次降雨前，需要对雨强进行率定，以控制降雨量和均匀性[22]。

1.2 试验方法

根据现有的研究结果和研究区实际降雨雨强情况，试验采用的降雨雨强为90 mm/h，相当于黄土高原地区中雨的降雨强度[22-23]。本次试验采用人工模拟间歇性降雨，每种草带位置下共进行 2场连续降雨试验，每次降雨间隔时间为 24 h。每次间歇性降雨试验共进行两次重复试验，以减少随机性误差。统计结果表明，在试验控制条件下，两次重复试验中的径流量和产沙量均值并未出现显著差异。在试验控制条件下，根据实际观察，产流经过30 min后径流基本达到稳定状态，因此径流历时定义为30 min。试验人员每1 min用存储桶收集一次径流和泥沙样品，并对径流量进行测量。径流中的泥沙经过24 h静置后进行分离，并在105 ℃高温下烘干8 h，随后称质量，计算产沙量。

根据水土保持功能优化植被覆盖度的研究成果，考虑到黄土高原储水和干燥的实际情况，最终确定植被覆盖度为25%[24]。总共考虑在坡沟系统中布设5种草带的空间配置（图2）：坡面上部（位置E）、坡面中上部（位置D）、坡面中下部（位置C）、坡面下部（位置B）、和裸坡位置（位置 A）。本研究中，整个坡沟系统被均分成13个坡段，每个坡段的尺寸均为1 m×1 m。

图2 降雨试验坡面植被布设位置示意图Fig.2 Schematic of grass strip pattern layout position on slope in rainfall experiments

本研究中，整个坡沟系统被均分成13个坡段，每个坡段的尺寸均为1 m×1 m。每个断面径流流速（径流表面流速）采用KMnO4染料示踪法确定，以监测试验过程中的水动力条件。本研究采用径流雷诺数（Re）来判定径流流动状态。径流雷诺数（Re=hV/T）由径流深 h、径流平均流速V和对应的动力黏性系数T求得；其中动力黏性系数 T与温度有关，取值参考文献中的参数[25]；试验中坡面径流为薄层水流，径流深h与水力半径R值近似，可以用坡面平均水深值h代替，平均水深h采用反算法推求。随后，基于径流雷诺数Re判定径流流动状态，按照不同径流流动状态的流速修正系数（层流：0.67，过渡流：0.7，紊流：0.80）对径流表面流速进行修正，获取径流平均流速[25]。

1.3 地表微地貌测量及侵蚀产沙体积计算

本研究采用三维激光扫描仪（Trimble FX scanner）对降雨前后的微地貌进行数字化，影像中的每一个像素点代表实际空间中的一个3D点。扫描仪水平方向测量精度为1 mm，垂直测量精度为0.02 mm。扫描仪所获取的空间点云数据的提取和处理由该仪器自带的扫描软件（Trimble Real Works office）完成。通过该套装软件可以建立试验中坡沟系统表面的数字高程模型（DEM）[26]。在每次试验中，可以获取两次降雨前后3个1 m×13 m的下垫面地形的DEM数据。在此将初始DEM数据定义为“Rain 0”，第1次降雨后的DEM数据定义为“Rain 1”，以此类推。

研究采用初始状态下垫面高程数据分别减去第 1次和第2次降雨后的下垫面高程数据（Rain 0-Rain 1、Rain 0-Rain 2），用以反映2次降雨后的侵蚀产沙量结果。由于植被覆盖会影响DEM观测结果，因此在数据处理中去除了草带部位的噪点数据。本研究采用10 mm×10 mm间距对原始DEM点云数据进行了差值处理，计算了各个草带位置下侵蚀产沙物质总体积，其数学表达式如下

式中VE为侵蚀产沙物质总体积，L；Hi为DEM点云数据点高程，mm；S为面积（10 mm×10 mm）。

计算得出的各个草带覆盖位置下侵蚀体积指标与系统出口测量的产沙量相比，其误差在6%～14%之间，表明地表微地貌测量结果是准确的。

2 结果与分析

2.1 坡沟系统不同草带位置的蓄水减沙效益

本研究计算了有草带条件下对应位置的蓄水效益和减沙效益，其数学表达式如下

式中RW代表各个草带位置的蓄水效益，%；WA代表草带位置A下的径流量，L；Wx代表草带位置B、C、D、E下的径流量，L；RS代表各个草带位置的蓄水效益，%；SA代表草带位置A下的侵蚀产沙量，kg；Sx代表草带位置 B、C、D、E下的侵蚀产沙量，kg。计算结果如表 1所示[27-28]。

表1 不同草带位置下两次模拟降雨的蓄水减沙效益计算结果Table 1 Results of water storage and sediment reduction functions under different grass strip positions in both simulated rainfall events

可以看出，草带布设于位置 C时，具有试验条件下最优的蓄水和减沙效益，说明布设于坡面中下部位置的草带可以发挥出很好的水土保持功效。另外，当植被布设于坡面上部和中上部时（位置D和E），土壤侵蚀相比裸坡而言更为严重，与先前 Jin等[29]提出的雨强在65 mm/h条件下得出的结论一致。综合分析可知，当草带布设于坡面下部60%位置处，可以减少径流量7.35%，减少产沙量 62.93%，草带更具有直接拦沙的水土保持功效[27-28]。

2.2 坡沟系统植被配置的侵蚀产沙与径流流速关系

将坡沟系统划分为13个坡段，从坡面至沟道依次为坡段1、坡段2……坡段13，其中坡面包括8个坡段（坡段1-坡段8）；沟道包括5个坡段（坡段9-坡段13）。每个坡段尺寸为1 m×1 m。本研究计算了第二次降雨后，各个坡段的侵蚀物质体积，即单位面积产沙体积。径流流速是坡沟系统水动力过程的主导因素，影响着土壤侵蚀和泥沙输移的过程[30-31]。第 2次降雨后，各位置不同坡段的产沙物质体积和径流流速如图3所示。

在降雨过程中，不同草带位置的侵蚀产沙体积均存在一定的波动（图 3a），沿程变化均表现出相似的波动趋势，沟道范围内的侵蚀产沙体积明显高于坡面。不同草带位置的产沙总量按照以下顺序递增：位置C＜位置B＜位置 A＜位置 D＜位置 E，即减沙效益：位置 C＞位置 B＞位置D＞位置E。

对于位置A、B和C而言，侵蚀输沙过程整体起伏与波动程度要小于D、E时的情况。各个坡段的径流流速影响着对应坡段的侵蚀产沙水平。坡面范围内，位置A、B和C条件下的侵蚀产沙的特征相似，整体都处于较低水平。这是由于草带布设于坡面径流加速位置，有效抑制了径流流速在加速空间的快速增长；使得位置B、C条件下的径流流速较低（图 3b），侵蚀能力减弱；使得坡面各个坡段的侵蚀产沙量均低于裸坡，处于较低水平。沟道范围内，由于位置C条件下草带对径流流速的调控作用更加有效，径流流速波动幅度最小，产沙量一直处于试验范围内最低水平。位置B条件下的草带并未布设于最佳位置，其对径流流速的调控作用弱于位置C，不能有效抑制沟道范围内的流速和输沙过程；且沟道范围内的径流经过草带过滤，含沙量相比裸坡要低，使得径流挟沙力增大，导致沟道范围的产沙量大于裸坡（图3）。

图3 不同草带位置下坡沟系统侵蚀物质体积和径流流速沿程变化Fig.3 Variation of eroded volume and runoff velocity along slope-gully system under different grass strips positions

位置D和E条件下，侵蚀产沙的整体起伏与侵蚀发育程度也明显高于其他情况。一方面由于草带位于坡面相对靠上的部位，草带以下的裸坡区域直接与坡沟系统出口相连，提供了足够的径流加速空间，使得径流流速快速增长，径流动能始终处于较高水平，径流剪切力增大，增强了径流侵蚀能力；同时草带以下更多的裸露区域提供了更多的泥沙来源，也导致侵蚀产沙体积快速增长。另一方面，当径流被草带过滤后，径流含沙量降低，输沙能力相对增强，导致径流含沙量和输沙能力的差距继续增大，与裸坡相比产生更大的径流剥蚀率。因此，在双重因素的作用下，位置D和E下的侵蚀产沙量始终最大。

2.3 不同草带位置下植被水土保持功效

本研究选取水土保持功效较好的位置B和C，绘制了坡面与沟道各个坡段减蚀量沿程变化曲线。由于 2次降雨的减蚀量沿程变化曲线形式一致，仅列出了第2次降雨后的曲线（图4）。其减蚀量计算表达式如下

式中Si代表各个坡段减蚀量，L；SAi代表位置A条件下各个坡段侵蚀产沙量，L；Sxi代表位置B和C条件下对应坡段的产沙量，L。空心圆点代表此坡段的减蚀量为负值，表明该坡段并未减少泥沙，反而加剧侵蚀。

图4 第2次降雨后位置B和C条件下坡面与沟道减蚀量Fig.4 Sediment reduction of slope and gully under position B&C in second rainfall

从图4可以看出，2种植被空间配置方式下的减蚀量沿程变化趋势大致相似。皆是在坡面范围内递增，进入沟道后出现不同程度的下降，出现负值，即没有减少泥沙；然后减蚀量曲线回升，达到峰值；随后在系统出口坡段下降。整体而言，2种位置下，各个坡段减蚀量基本为正值，很少有侵蚀加剧的坡段。

如图4a所示，位置B条件下的坡面范围内的减蚀量皆为正值，其减蚀总量达到28.17 L，试验范围内达到峰值，草带在坡面的减蚀效果良好。表明草带布设于坡面最下部，植被的缓流拦沙的水土保持功效的调控范围可以覆盖整个坡面，植被可以在坡面范围内充分地发挥出缓流拦沙的水土保持功效，使得植被对坡面侵蚀的调控效果达到最优。沟道范围内，植被的调控侵蚀产沙的作用有所减弱，沟道范围内60%的区域（坡段9、10和13）侵蚀加剧，侵蚀产沙总量增加 28.69 L，减蚀总量仅为20.86 L，说明草带在沟道的减蚀效果较差。

如图4b所示，位置C条件下的坡面范围内的75%区域内的减蚀量为正值，侵蚀加剧的范围减少 25%，仅在坡段2和坡段3为负值，但绝对值较小，侵蚀产沙量增加很小，减蚀总量达到20.17 L，草带在坡面的减蚀效果稍弱于位置B。位置C条件下，在草带缓流和拦沙的双重功效的作用下，有效控制了坡面范围内草带上方的侵蚀产沙，能够减少草带上方75%坡面面积（坡段1至6）产生的部分泥沙，减蚀量达到17.84 L，草带较好的起到了缓流拦沙的水土保持功效，该功效调控侵蚀范围为坡面上部 75%的区域。沟道范围内，植被的调控侵蚀产沙的效果继续增强，尽管沟道范围内 40%的面积（坡段 9和 10）减蚀量出现负值，即加剧侵蚀，但侵蚀产沙总量仅增加9.77 L，减蚀总量达到45.07 L，试验范围内沟道产沙量为最低，减蚀效果最优。

综上所述，尽管 2种位置的草带布设都会在不同程度上缓解径流的侵蚀，产沙量在试验范围内达到最低；但由于草带位置不同，使得草带能发挥的水土保持功效和作用范围有所不同。草带位于坡面下部依靠缓流拦沙功效有效调控坡面范围内的侵蚀产沙，可以有效降低该范围内的侵蚀强度；但由于不能有效抑制沟道范围内的径流流速的增长，因此未能在此范围内充分发挥滞流消能功效，以至于产沙量较裸坡略有增长。草带位于坡面中下部，同时发挥出较好的缓流拦沙和滞流消能的双重水土保持功效。依靠缓流拦沙的功效有效调控草带以上坡面范围内的侵蚀产沙过程，可以有效减缓该范围内的侵蚀强度。同时，依靠滞流消能的功效能够有效地抑制和减缓沟道范围内径流流速和“洪峰流量”的增长和发展，从而有效地削弱了径流的侵蚀能量，大幅度减缓坡面下部和沟道范围内的侵蚀程度，使得坡面下部和沟道的产沙量大幅度减少。

2.4 坡沟系统草带位置优化配置解析

如前所述，位置 C空间配置方式，即草带位置距离坡顶4 m，或者位于坡面下部60%位置处，具有较好的减蚀效果，在试验范围内达到最佳。但“4 m位置”指标较为绝对，“坡面下部60%位置”指标为单一数值。因此，为了避免上述 2种指标的弊端，采用草带位置相对、区域的参数，确定植被最优布设区域。

分别选取草带上边缘距离坡顶的距离与草带下边缘距离沟底距离的比值作为植被相对位置指标 M，草带中心位置距离坡顶的距离与距离沟底距离的比值作为植被相对位置指标N。图5绘制了不同位置条件下，2种植被相对位置指标与侵蚀产沙量对应关系，并进行函数拟合。

其植被相对位置参数与侵蚀产沙量的关系皆满足二次幂函数关系，其拟合函数的表达式分别为

式（5）中y为产沙量；x为植被相对位置指标M，判定系数R2=0.746 6。式（6）中y为产沙量；x为植被相对位置指标N，判定系数R2=0.736 5。2个植被相对位置指标的拟合函数的判定系数R2均在74%以上，表明结果的准确性以及植被相对位置指标选取的合理性。

图5 植被相对位置与侵蚀产沙总量回归结果Fig.5 Regression results for relative position of grass strip and erosion sediment yield

从图5可以看出，2个相对位置指标的函数拟合形态一致，皆满足二次幂函数关系，即随着植被相对位置的增加，产沙量下降至最低值，又有所增加。植被相对位置指标较小，即植被布设位置相对靠上时，坡沟系统产沙量较大，植被调控侵蚀产沙的作用还未发挥甚至会加剧侵蚀。随着植被相对位置的增加，即草带布设位置向下移动（位置C），产沙量减小，植被的减蚀效果逐渐增强。随着草带布设位置继续向下移动，产沙量继续减小至最小值，此时植被的减蚀效果达到最佳。当草带下边缘接近于峁边线（位置B），产沙量从谷值逐渐开始“回升”，产沙量逐渐增加，此时植被的减蚀效果逐渐减弱。

因此，将位置C至位置B之间的范围定义为植被调控侵蚀最优布设区域。即指标M在0.571～1.2之间，或指标N在0.625～1.167之间，定为植被调控侵蚀最优布设区域。同时需要注意的是，该区域范围的确定需要通过不断的试验和实际观测加以修正和完善。

在 25%低覆盖度情况下，随着草带位置从坡顶向峁边线移动，产沙量会出现先减小至最低值，然后增加的趋势。因此，在坡沟系统侵蚀产沙过程中存在着一个植被调控侵蚀最优布设区域。在此区域内布设草带，可以发挥出植被缓流拦沙和滞流消能的双重水土保持功效，有效地抑制和减缓径流流速在加速空间内的快速增长，调控范围涉及坡面和沟道的各个坡段，以达到良好的减蚀效果。相反，远离该区域布设植被，不能充分发挥调控侵蚀的作用，调控范围和强度也十分有限，甚至还会加剧侵蚀。