不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

李建明，张长伟，王志刚，王一峰，许文盛，张冠华，蒲 坚，刘纪根

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010； 2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.中国科学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，陕西 杨凌 712100；4.中国科学院大学，北京 100049)

1 研究背景

土壤侵蚀已成为全球重要的生态环境问题，尤其遇短历时高强度降雨等极端气候下，土壤侵蚀诱发水土流失、地质灾害等威胁正常生产生活，更制约经济社会可持续发展[1]。生产建设活动促进经济快速发展的同时，也成为现阶段新增水土流失的主要来源[2]。研究表明，自“十五”规划以来，生产建设活动形成的弃土弃渣量平均每5年新增近100亿t[3-4]，压占有限土地资源的同时更影响河道行洪，诱发山洪、滑坡、泥石流等地质灾害[5-6]。针对生产建设项目造成的危害，开展了包括“生产建设项目水土流失测算共性技术” “工程开挖面与堆积体水土流失测算技术研究” “风力作用下扰动地表侵蚀预报关键技术”等方面的研究[7-8];重点探索了降雨(冲刷)[9-10]、地形(坡度、坡长)[11-12]、土壤质地[13]、下垫面物质组成(砾石质量分数、粒径)[14]等因子对工程堆积体坡面侵蚀和水文过程的影响，并出台了《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)[15]用于指导工程实践。截止目前，关于工程堆积体水土流失规律及侵蚀机理已有丰富研究，尤其是近十几年来，以构建生产建设项目土壤流失量预测模型为目标导向的研究取得了较大进展，深化了土壤侵蚀学科内涵。

开展生产建设项目土壤侵蚀机理研究，一方面为土壤侵蚀预测模型构建奠定基础，另一重要方面为防治措施布设提供科学依据。水土保持工程措施在施工期能快速有效地缓解土壤侵蚀，但生态效益低，采取植被措施有效减少侵蚀的同时并能持续发挥生态、经济和社会效益，符合生态文明建设要求[16]。植被防护坡面侵蚀已形成完整体系，研究者认为植被减少侵蚀主要通过地上部分截留和地下部分固结发挥综合效益[17-18]。然而，大部分研究针对的是未扰动边坡或堆弃时间较长的矿区排土场边坡[19-20]，对于短期内形成的工程堆积体边坡进行植被重建的研究目前仍较薄弱。

坡面径流是导致侵蚀的主要驱动力，了解并进一步掌握径流水动力特性是深入认识土壤侵蚀的基础。针对生产建设项目坡面径流水动力特征展开了一定的研究，但结果却不尽相同[21-22]。且目前大部分研究是在无植被防护条件下开展试验，而植被防护坡面不仅能够调节径流产沙过程，同时对于侵蚀动力和侵蚀阻力也有显著影响[17]。生产建设项目工程堆积体由于是人为或机械开挖后在短期内快速重新堆填形成，下垫面物质组成复杂，往往包括不同类型、含量的砾石，同时为了减少占地，形成陡坡。堆积体自身差异，加上不同植被类型的特性差异，导致植被对堆积体坡面水力和水动力参数的影响也有所不同，该方面仍缺少深入研究。

本研究通过野外模拟降雨试验，定量分析直根系(铁杆蒿)和须根系(苜蓿、狗牙根)对不同降雨条件下堆积体坡面径流流速、水力和水动力参数的影响;并以裸坡为对照，阐明植被调控堆积体坡面侵蚀动力和侵蚀阻力机制，以期从侵蚀动力角度分析植被调控堆积体坡面侵蚀过程的内在机理，深入阐明植被减水减沙效益。研究成果为后续生产建设项目工程堆积体水土流失量测算模型构建中植被因子的修订奠定基础。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

本研究在中国科学院水利部水土保持研究所陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(35°14′23.97″N，107°41′20.27″E)完成。该区域属于温带大陆性季风气候，年平均气温为9.1 ℃，降雨量为560 mm，年内降雨主要集中在春夏季并以短历时高强度为主，区内土壤属于黄土土质[19]。

2.2 试验设计

基于前期野外调查及室内模拟试验[9]，工程堆积体模型尺寸按3.46 m(投影坡长3.0 m)×2.00 m(隔为2个1.00 m宽小区，互为重复)×0.60 m(填土深度)设计，坡度按自然休止角设计为30°(图1)。装填的工程堆积体是砾石质量分数为10%的土石混合介质，其中土壤取自公路建设弃渣场，经过10 mm网筛筛分并自然风干，按照国际土壤质地分类属于粉质壤土，机械组成中砂粒∶粉粒∶黏粒(质量比)=9.90%∶66.69%∶23.41%，有机质含量为12.07%。选用直径范围为15～25 mm的机械碎石，土壤和砾石按照质量比9∶1的比例均匀混合后装填。

图1 试验小区及降雨试验装置Fig.1 Experiment plot and rainfall device

试验小区底部覆一层5 cm细沙，模拟自然渗流，随后分4层，其中底部45 cm分3层密度为1.35 g/cm3(夯实)，而表层10 cm密度为1.30 g/cm3(不夯实，模拟松散态)。用钢板分割试验小区及其边界，埋入地下20 cm，地表出露15 cm，避免外界雨水进入影响试验结果。小区底部出口设置三角堰作为径流泥沙通道及混合样品接口。

试验选用直根系(铁杆蒿Artemisiagmelinii(AG))和须根系(苜蓿Medicagosativa(MS)、狗牙根Cynodondactylon(CD))作为堆积体防护典型植被，并以裸坡(BS)为对照。试验周期为2019年3月至2020年10月，其中试验小区于2019年3月建成，随后在3组小区分别种植3种植被，种植方式为穴播，行间距为15 cm×15 cm，期间浇水养护。至2019年8月，采用拍照后软件计算3种植被小区的覆盖度均超过70%，植株高度超过20 cm，满足试验要求。试验开始前，对各小区的含水率、密度和覆盖度进行测试分析。BS、AG、MS和CD的密度分别为1.33、1.21、1.19和1.25 g/cm3，初始含水率分别为19.92%、26.11%、25.67%和26.92%，植被覆盖度分别为0、80%、76%和72%。

2.3 降雨试验

野外模拟降雨试验所用的装置为SR型侧喷式降雨机，包括两个可调整位置的降雨模拟器对喷(图1(b))。通过进水口阀门、降雨器流量计及喷头垫片尺寸来调节降雨强度及均匀度。降雨机高度为6 m，加上小区高度落差雨滴能够达到终点速度，降雨均匀系数在85%以上[23]。为避免风对降雨产生影响，在小区外围搭建钢架作为防风棚。

根据前期调查及室内模拟试验结果，降雨强度分别设计为0.8、1.2和1.8 mm/min，涵盖了研究区域大部分侵蚀性降雨类型[19]。为避免初始含水率差异，试验前一天采用0.5 mm/min的降雨强度进行预降雨。在正式降雨试验开始前，调整降雨器并在小区四周布设雨量筒率定降雨强度，至相对误差<5%。待降雨强度率定完毕后，揭开遮雨布，开始计时，本试验产流发生后降雨试验时间为30 min。开始产流后，每1 min接1个径流样和1个混合样，其中径流样采用2 L的量筒测量并计算，泥沙样用5 L的桶接取并静置10 h，待泥沙沉淀后倒去上层清水液，转移至铝盒，带至室内放进105 ℃烘箱烘干24 h后称重。在坡面上、下两部分各取一个长度为1 m的断面，用于坡面径流流速测定，选取2个测量点量测流深、流宽和水温，测定时段与径流、泥沙样接取同步，用于计算径流水力和水动力参数。采用高锰酸钾溶液测得表面最大流速，2个断面的流速均值乘以系数0.75作为小区平均断面流速[12]。径流深和径流宽用薄钢尺人工测定(并通过径流量及小区尺寸进行反算验证)。所有指标是两个分割小区测定的均值，如数据差异较大，则舍弃该组试验，重新进行试验，需要对小区进行平整并放置3 d自然沉降。为了消除各场次降雨之间堆积体表面的差异性，根据上一场次试验侵蚀量重新补充填土，将小区放置3 d后进行下一场试验。

2.4 指标计算分析

2.4.1 雷诺数(Re)

Re是判断水流紊动强度的重要指标，是水流惯性力与黏滞力的比值，无量纲。当Re<500时，水流为层流；500≤Re≤2 000时，水流为过渡流；Re>2 000时，水流为紊流，计算式为[24]

式中：υ为水流黏滞性系数(m2/s)；T为水温(℃)；V为过水断面径流流速(m/s)；R为水力半径(m)，R=A/χ；A为过水断面面积(m2)；χ为湿周(m)。

2.4.2 弗劳德数(Fr)

Fr是表征水流流态的参数，无量纲参数，为水流惯性力和重力的比值。其计算式为[25]

(2)

式中：h为径流深(m)；g为重力加速度(m/s2)。当Fr>1时，惯性力大于重力，水流为急流；当Fr=1时，惯性力与重力相等，水流为临界流；当Fr<1时，重力作用大于惯性力作用，水流为缓流。

2.4.3 阻力系数(f)

Darcy-weisbach阻力系数f是指径流在向下流动过程中所受到的来自水土界面的阻滞水流的摩擦力以及水流内部质点混掺和携带泥沙产生的阻滞水流运动阻力的总称，其计算式为[26]

(3)

式中J为水力坡度(m/m)，可用坡度的正弦值近似代替。

2.4.4 径流剪切力(τ)

τ是在降雨过程中坡面有径流形成时，坡面流在沿坡面方向上产生一个对坡面土壤的冲刷力，计算公式为[27]

τ=pwgRJ。

(4)

式中：τ为径流剪切力(N/m2)；pw为浑水密度(kg/m3)，由径流含沙量换算得到；R近似用水深代替，J可用坡度的正弦值近似代替。

2.4.5 径流功率(ω)

ω为单位面积上水体势能随时间的变化率，计算公式为[28]

ω=τV。

(5)

式中ω为径流功率(W/m2)。

3 结果与分析

3.1 流速特征(V)

图2为裸坡和3种植被防护堆积体坡面径流流速(V)随产流历时的变化。

图2 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面流速随产流历时变化Fig.2 Variations in runoff velocity of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

总体来看，V随产流历时的变化受降雨强度影响：BS在降雨强度0.8 mm/min时V随产流历时总体递增，而降雨强度为1.2和1.8 mm/min时在产流前期快速增加随后趋于稳定；而植被堆积体V(AG、MS、CD)在降雨强度为0.8和1.2 mm/min时随产流历时总体稳定，1.8 mm/min在产流前期快速增加随后趋于稳定。将产流过程划分为产流初期(0～10 min)和产流中后期(10～30 min)，BS中后期V的平均值是初期的1.11～1.39倍，而植被堆积体除了CD为0.95倍外其余为1.02～1.31倍，即V随降雨历时持续增大。产流全过程，BS的V变化范围为0.038～0.116 m/s，3种降雨强度下V的变化幅度为8.70%～161.47%；对应的直根系AG变化范围和幅度分别为0.025～0.063 m/s和0.56%～88.45%，须根系MS和CD变化范围分别为0.017～0.107 m/s和0.043～0.085 m/s，变化幅度分别为4.38%～130.08%和0.19%～45.72%。结果表明，BS的V变化范围和幅度均高于植被堆积体，证实了植被能有效减缓堆积体坡面V且使其趋于平稳。同时，随着降雨强度增大，V的变化幅度增大，在BS尤其显著。

在降雨强度为0.8和1.2 mm/min时，植被堆积体的V总体上小于BS，但在降雨强度达到1.8 mm/min时须根系(MS、CD)堆积体的V甚至大于BS，但直根系AG的V基本上小于BS。大小呈现为BS>须根系(MS、CD)>直根系AG。分析次降雨V的平均值表明，BS在3个降雨强度下均为0.08 m/s，直根系AG分别为0.04、0.03、0.05 m/s，而须根系MS分别为0.03、0.04、0.08 m/s,须根系CD分别为0.05、0.07、0.08 m/s。相同降雨强度条件下，直根系AG减少V的平均值的效益为38.63%～56.78%，须根系MS和CD分别为0.02%～61.38%和7.07%～40.16%。随着降雨强度增大，直根系和须根系对削减V的平均值的效益递减。多场次试验结果表明，直根系对堆积体坡面V的平均值的削减效益为50.51%，而须根系为21.32%～35.61%，直根系对调控堆积体坡面径流V较须根系高1.42～2.37倍。

3.2 径流水力参数特征

3.2.1 径流流型(Re)

不同下垫面雷诺数(Re)随产流历时变化如图3所示。结果表明，无论是BS还是植被防护堆积体的Re均小于500，BS的Re变化范围为9.79～36.28，而直根系AG为4.26～16.72，须根系MS和CD分别为1.80～25.00、6.69～19.68，BS和植被防护堆积体径流均处于层流范畴(Re<40)。从总体上看，植被防护Re随产流历时呈波动递增变化，3种降雨强度条件下变化幅度分别为4.04%～142.86%、0.33%～388.48%、4.46%～49.33%；而BS的Re变化幅度分别为9.98%～244.31%、9.76%～120.16%、1.72%～180.76%。

图3 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面雷诺数Re随产流历时变化Fig.3 Variations in Reynolds Number of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

计算3种降雨强度下次降雨Re的平均值可知，降雨强度为0.8和1.2 mm/min时大小呈现为BS>CD>AG>MS，而在降雨强度为1.8 mm/min条件下为BS>MS>CD>AG。直根系AG对削减Re的平均值的效益为39.57%～67.07%，须根系MS和CD分别为19.79%～86.56%和21.88%～61.57%。随着降雨强度增大，植被削减Re的效益降低。但随降雨强度由0.8 mm/min增大至1.8 mm/min，3种植被防护堆积体Re的平均值增大1.12～6.35倍，而BS的变化幅度为-10.30%～6.35%，即降雨强度对植被防护堆积体Re的影响大于对BS的影响。

3.2.2 径流流态(Fr)

BS和植被防护堆积体坡面径流流态弗劳德数(Fr)随产流历时变化如图4所示。结果表明，在降雨强度为0.8和1.2 mm/min条件下BS的Fr>1，处于急流态；在1.8 mm/min条件下产流前期Fr<1.0，中后期处于临界流状态(Fr≈1.0)。而3种降雨强度条件下，直根系AG的Fr<1，始终处于缓流态；须根系CD的Fr总体>1，处于急流态；而MS在0.8 mm/min条件下处于急流态和缓流态间不断变化，1.2 mm/min时始终处于缓流态，1.8 mm/min时总体处于急流态。由此可知，直根系AG更有利于使堆积体坡面径流趋于平缓。且BS和植被防护堆积体坡面Fr随产流历时总体呈波动变化，BS的变化范围(0.48～2.57)较植被更显著(0.44～1.55)。

图4 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面弗劳德数Fr随产流历时变化Fig.4 Variations in Froude Number of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

3种降雨强度条件下，直根系AGFr的平均值较BS低37.40%～63.00%。须根系MS和CD仅在降雨强度为0.8和1.2 mm/min条件下比BS低40.87%～43.65%和19.96%～39.73%，但在降雨强度为1.8 mm/min时，反而较BS高28.12%和14.66%。植被调控堆积体坡面水流流态的作用受降雨强度影响，但直根系植被均能使堆积体坡面径流趋于平缓，须根系在强降雨条件下甚至可能使径流更加急促。

3.2.3 径流阻力系数(f)

裸坡和植被防护堆积体坡面径流阻力系数(f)随产流历时的变化如图5所示。BS在产流初期f波动增加(降雨强度0.8 mm/min)或波动递减(降雨强度1.2和1.8 mm/min)变化，随后维持在较小范围内(0.96～1.31)，降雨强度对BS的f影响较小。但不同植被类型的f随产流历时的变化不仅与BS有差异，同时3种植被类型之间也有差异：直根系AG的f随产流历时增加显著波动，其中降雨强度1.2和1.8 mm/min条件下总体呈波动减小，即直根系对堆积体坡面径流阻滞作用随降雨历时延长而减小；须根系CD在产流初期f减小随后也趋于相对稳定且逐步接近BS，表明CD对径流阻滞作用随降雨强度增大而减小；而MS在降雨强度0.8和1.2 mm/min时f随产流历时总体递减，但在1.8 mm/min时总体较稳定。结果表明，直根系AG对堆积体坡面径流的阻滞作用显著大于须根系(MS和CD)，降雨强度对植被堆积体f影响显著小于BS。

图5 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面径流阻力系数f随产流历时变化Fig.5 Variations in resistance coefficient of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

统计表明，BS在3种降雨强度下次降雨f的平均值分别是1.33、1.17、1.86，相同条件下，直根系AGf的平均值比BS增大135.17%～317.18%，而须根系MS和CD较BS分别增大181.13%、234.70%、-33.69%和14.85%、13.39%、-7.89%。在降雨强度为0.8和1.2 mm/min时直根系和须根系均能提高堆积体坡面径流阻力，但随降雨强度增大，直根系仍可有效阻滞径流，但须根系甚至会加速径流。3种植被对提高堆积体坡面f的作用总体呈现为AG>MS>CD。这可能与3种植被地表茎叶的生长性状相关，其中AG茎粗、叶片离地面有一定距离，而MS直立生长叶片贴近地面，但CD由于茎细，叶片多匍匐在堆积体表层，故堆积体表层茎叶分布差异可能是导致3种植被对堆积体坡面径流阻力差异的主要原因。

3.3 径流水动力特性

3.3.1 径流剪切力(τ)

径流剪切力(τ)反映径流对下垫面表层的冲刷力，BS和3种植被堆积体τ随产流历时的变化如图6所示。BS的τ在降雨初期波动递增，且随后在一定范围内波动变化，而植被堆积体τ总体随产流历时有小范围增加。总体看来，3种降雨强度下须根系MS和CD(变化范围为0.32～1.53 N/m2)τ小于BS(0.67～1.86 N/m2)和直根系AG(0.57～1.77 N/m2)，但AG在0.8 mm/min条件下的τ甚至大于BS，随降雨强度增大到1.2和1.8 mm/min后，τ又小于BS。结果表明，须根系比直根系对削减τ的效果更显著，且随降雨强度增大，BS和植被堆积体τ总体呈递增趋势。即降雨强度越大，径流对坡面的剥蚀能力增强，但有植被防护条件下，径流的剥蚀及搬运能力均减弱，同时产流过程中侵蚀颗粒会出现沉积现象。随降雨强度由0.8 mm/min增大至1.8 mm/min，BS次降雨τ的平均值分别是0.96、1.37 、1.68 N/m2，随降雨强度增大1.50～2.25倍，平均τ增大1.43～1.75倍；相同条件下AG增大1.09～1.48倍，MS和CD分别增大2.09～2.43倍和1.32～1.52倍。与BS相比，直根系AG对τ的平均值的削弱效益为-15.46%～12.01%，须根系MS和CD分别为18.52%～44.24%和7.29%～19.58%。在小降雨强度条件下，直根系AG的平均τ甚至超过BS，可能与植被生物学特性及其与堆积体坡面贴合的作用有关。

图6 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面径流剪切力τ随产流历时变化Fig.6 Variations in flow shear stress of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

3.3.2 径流功率(ω)

径流功率(ω)是单位面积上水体势能随时间的变化率，4种不同下垫面ω随产流历时的变化如图7所示。BS和植被堆积体ω均随产流历时呈递增变化，其中BS在3种降雨强度下的变化范围为0.06～0.22 W/m2，变化幅度为1.73%～228.07%，而直根系AG变化范围为0.03～0.10 W/m2，变化幅度为4.11%～144.04%，须根系MS和CD的变化范围分别为0.01～0.15 W/m2和0.04～0.12 W/m2，变化幅度分别为0.45%～391.32%和4.16%～49.56%。植被防护堆积体ω随降雨强度增大而递增的趋势比BS更明显，即降雨强度对植被防护堆积体ω的调控效果比BS显著。相比于BS，直根系和须根系均能有效削减堆积体坡面ω，在降雨强度为1.8 mm/min时，须根系对堆积体坡面ω的调控作用(平均削减效益为20.84%～25.00%)小于直根系(40.60%)，但在降雨强度为0.8和1.2 mm/min时直根系和须根系对削减ω的作用还受降雨强度影响。3种降雨强度下BS的次降雨ω的平均值分别为0.13、0.11、0.14 W/m2，相同降雨条件下直根系AG对ω的削减效益达到40.60%～67.98%，须根系MS和CD分别为20.84%～86.93%和25.00%～65.38%。研究表明，随着降雨强度增大，直根系和须根系对调控堆积体坡面ω的效果均减小。

图7 不同降雨强度及植被类型下堆积体坡面径流功率ω随产流历时变化Fig.7 Variations in stream power of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

3.4 产流产沙特性与径流水力及水动力差异性分析

计算3种降雨强度条件下不同堆积体下垫面径流产沙、水力和水动力参数的总平均值，见表1。结果表明，相较于BS，直根系AG能够减少堆积体平均侵蚀速率的效益为92.88%，须根系(MS和CD)削减侵蚀速率的效益为88.92%，直根系和须根系对于V削减效益分别为50.00%和31.25%。对于径流水力参数，直根系对Re、Fr的平均值的削减效益分别为54.10%和53.24%，须根系分别为46.14%和22.66%；而直根系能够提高f的效益为239.31%，须根系为64.83%。直根系对削减水动力参数中的τ(1.49%)效果小于须根系(20.90%)，但对ω的调控作用(53.85%)略大于须根系(50.00%)。基于植被对堆积体坡面径流流速、水力参数和水动力参数的调控作用分析，从侵蚀动力角度揭示了植被防护堆积体坡面侵蚀的内在机理。

表1 多次降雨条件下裸坡和植被堆积体径流产沙、水动力特性参数均值Table 1 Average values of runoff velocity, soil loss rate and hydrodynamic parameters of different spoil heaps undermultiple rainfall conditions

差异性分析结果(表1)表明，BS与植被堆积体平均侵蚀速率呈显著差异(P<0.05)，而直根系和须根系之间差异不显著(P>0.05)。平均流速V、Re、Fr、f、τ和ω值也表明BS与植被坡面均呈显著差异(P<0.05)，而3种植被中直根系AG和须根系CD的径流水力和水动力参数也均呈显著差异(P<0.05)，但AG与MS在Re和ω这2个参数上差异不显著(P>0.05)。差异性分析结果也进一步证实了植被对调控堆积体坡面水文过程和侵蚀动力过程具有显著效果。

基于相关性分析及已有研究表明，径流水动力参数(τ、ω)可较好地刻画侵蚀动力过程。研究多场次降雨试验侵蚀速率与τ和ω的线性关系表明，BS的侵蚀速率与τ和ω线性相关不显著(P>0.05)，但植被堆积体可以利用τ或者ω来刻画侵蚀速率，且ω(AG、MS和CD的线性方程的决定系数R2分别是0.78、0.53、0.91)对侵蚀速率的表征较τ(R2分别是0.30、0.25、0.86)更显著。多场次降雨试验均值分析结果表明植被堆积体平均侵蚀速率与τ和ω的平均值均呈显著线性相关(R2为0.63～0.96)，而裸坡堆积体平均侵蚀速率仅与τ呈显著线性相关(0.95)。

4 结 论

本研究采用野外模拟降雨试验，分析直根系(铁杆蒿AG)和须根系(苜蓿MS和狗牙根CD)对短期形成工程堆积体坡面径流流速、水力和水动力参数的影响，同时从侵蚀动力角度阐释植被防护堆积体坡面水文和侵蚀内在机制。得出以下主要结论：

(1)通过栽植直根系或须根系植被均能在短期内实现减少堆积体土壤侵蚀效果，直根系对于堆积体坡面侵蚀速率和流速的调控效益高于须根系。其中直根系能够减少平均侵蚀速率为92.88%，须根系减少侵蚀效益为88.92%。两种根系结构植被均能有效减缓堆积体坡面流速大小，且能使流速趋于平稳，直根系对堆积体坡面平均流速的削减效益为50.51%，而须根系为21.32%～35.61%。

(2)从径流水力角度出发，裸坡和植被堆积体的径流流型均为层流(Re<40)，裸坡堆积体水流处于急流(Fr>1)或临界流状态(Fr=1)，直根系防护下水流均处于缓流态(Fr<1)，须根系调控下堆积体坡面水流受降雨强度影响在缓流态和急流态间变化。直根系对堆积体坡面径流的阻滞作用(135.17%～317.18%)显著大于须根系(-33.69%～181.13%)。

(3)从径流水动力角度考虑，植被防护堆积体侵蚀速率与τ、ω均呈显著的线性相关(R2为0.63～0.96)。植被能够通过调控堆积体坡面径流水力和水动力过程进而达到有效减少堆积体坡面侵蚀。