坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

2022-08-25霍云霈朱冰冰

水土保持研究 2022年5期

霍云霈, 朱冰冰

(1.陕西学前师范学院经济与管理学院, 西安 710100; 2.陕西师范大学地理科学与旅游学院, 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蚀、减缓流速、增加入渗以及提高土壤抗蚀抗冲性的作用[1-4]，植被类型与配置模式、植被结构及其功能等亦对坡面及流域尺度产水产沙具有重要影响[5-8]。研究表明，干旱半干旱地区植被在坡面上易形成斑块与裸地镶嵌或条带分布等典型格局[9-10]，进而影响地表径流的汇集和携沙能力，对水土流失产生显著影响[11]。

黄土高原曾经是中国水土流失最为严重的区域[12]，自实施退耕还林(草)等工程以来，生态恢复效果显著。然而，大面积的植被建设引起区域蒸散耗水量急剧增加，水资源短缺态势加剧，黄河流域径流量锐减[13]。因此，对水资源承载力已基本达到极限的黄土高原来说[14]，优化植被格局是未来生态建设的重点[15]。研究不同植被格局影响下的侵蚀产沙过程对于控制黄土高原水土流失、改善生态环境具有重要意义。坡面是构成山地丘陵和破碎高原最重要的景观单元，坡面流是坡面侵蚀发育的主要外营力[16]，对坡面径流水动力学特性的研究将有助于更加深入地认识坡面侵蚀产沙过程的本质。但由于该领域研究问题的复杂性，研究手段和测量技术的限制，对植被格局减沙效应的研究多限于经验统计分析，对其拦截水沙的过程以及从坡面水动力学特性及侵蚀动力过程分析植被泥沙调控机理的研究还不多。本研究通过对不同空间部位不同盖度的草被坡面进行放水冲刷试验，探讨坡面草被格局对坡面流水力特性和侵蚀产沙的影响，以期寻求坡面植被水蚀动力调控最佳指标。

1 试验设计

1.1 试验方案

本研究采用坡面放水冲刷试验，试验土槽宽0.5 m，长5 m，顶部0～1 m处为放水过渡区，其余4 m为试验坡面，坡度为20°。试验前，土槽底部填10 cm的细沙，以保证试验土层的透水状况接近于自然坡面。同时在平坦地块培育试验用草(野牛草)，待野牛草成熟后，带土20 cm移植到坡面相应位置。填土时采用分层填充的方式先全部填充20 cm，将试验用草带土20 cm移植至相应的位置，其他部分继续填土使总厚度达40 cm。每层填充前压实并打毛，控制土壤容重为1.40 g/cm3。草被铺设采用上、中、下3种布设方式，在相应位置上铺设长1.2 m，2 m，2.8 m和3.6 m的草被，分别代表30%，50%，70%和90%的植被覆盖度(图1)。试验用土粒径组成见表1。根据黄土高原地区暴雨研究成果并参考其他学者的室内冲刷试验取值[17]，冲刷流量设定为3.2 L/min和5.2 L/min，冲刷时长为20 min。在试验开始前，率定好冲刷流量。坡面产流后，在水槽出口每分钟收集一次径流泥沙样品，测量径流量和烘干的泥沙重量。在距坡顶1，2，3，4 m处设定4个断面，用染色剂法(KMnO4)测定4个断面的流速，重复3次取平均值。在坡面上等间距测量4个断面的水流宽度，取平均值，即为坡面水流宽度。根据测定的流速、水流宽度等，计算径流深、阻力系数、糙率系数、单位水流功率和剪切力等水动力学参数。

注：阴影部分表示草被。

表1 供试土样各级粒径组成

1.2 参数计算

径流深是反映水力特征的重要因子。假定水流沿坡面均匀分布，采用式(1)计算径流深(h)：

(1)

Re为水流惯性力与黏滞力的比值。Re越大，说明水流惯性力越大，水流发生紊流的可能性也就越大。

(2)

弗汝德数Fr反映了水流惯性力和重力之比，表示了过水断面上水流的动能和势能的对比关系，是判别缓流和急流的依据。若Fr大于1，表明径流的惯性力作用超过重力，径流不断加速，为急流；反之为缓流。

(3)

坡面流阻力系数是坡面流水动力学基本参数之一，反映了下垫面对流动水体的阻力的大小，是反映流体宏观整体平均特性的一个重要参数。常用达西—韦伯(Darcy-Weisbach)阻力系数f来表示。

(4)

曼宁糙率系数n也可以表示径流所受的阻力，表示壁面粗糙对液流影响的一个综合性系数，综合反映了坡面粗糙、边界的整齐程度等的变化情况。

(5)

引起坡面侵蚀的侵蚀动力多采用径流剪切力τ指标，表达式为：

τ=γRJ

(6)

径流动能F计算公式为：

(7)

Yang等[18]分析了大量的有关数据后，推出单位水流功率的概念，即单位重量的水体势能随时间减少的变化率。

(8)

鲁克新等[19]以次暴雨洪水的径流深和洪峰流量模数的乘积作为次暴雨侵蚀产沙的侵蚀动力指标即径流侵蚀功率，并应用于不同空间尺度坡面，发现径流侵蚀功率与侵蚀模数存在极显著的相关关系。径流侵蚀功率PP的计算公式为：

(9)

式中：h为断面平均水流深度(m)；Q为径流量(m3)；U为断面平均流速(m/min)；B为径流宽度(m)；t为冲刷时间(min)；Re为径流雷诺数；υ为水运动黏性系数，取7.0×10-5m2/s；Fr为弗汝德数；g为重力加速度(9.8m/s2)；f为阻力系数；R为水力半径(m)；J为水力能坡，采用地面地形坡度α的正弦值(sinα)；n为曼宁糙率系数；τ为径流剪切力(Pa)；γ为径流的容重，为9 800 N/m3；F为水流动能(J)；V为平均水流流速(m/s)，P为单位水流功率(N·m/s)；PP为径流侵蚀功率〔m4/(s·km2)〕；F′为作用力(N)；A′为与洪峰流量对应的径流小区出口断面的过水面积(m2)；A为坡面面积(km2)。

2 结果与分析

2.1 坡面侵蚀产沙量变化特征

不同冲刷流量和植被覆盖位置下的坡面侵蚀产沙量见表2。

表2 各格局坡面侵蚀产沙量

草被格局对坡面侵蚀影响显著，y与植被覆盖度x呈显著负相关(p<0.01)(图2)，产沙量随植被覆盖度的增大而减小，不同草被覆盖度下的减沙效益呈对数增加趋势(图3)。当覆盖度达到90%时，坡面侵蚀产沙量仅5～6 kg，不同冲刷流量下的减沙效益达到70%～90%。图3中两条曲线的斜率可以说明不同覆盖度下减沙效益的变化幅度。曲线的斜率均随着覆盖度的增加而逐渐减小，这说明，当坡面上具有一定的植被后，每增加单位植被所带来的减沙效益会逐渐降低。在本试验中，当覆盖度达到30%以后，每增加20%的草被覆盖，其所产生的减沙效益增幅逐渐变小。当覆盖度增加到70%时，斜率达到最大，而后逐渐降低，这说明存在一个临界覆盖度，超过此临界盖度，即使再增加植被，其相对减沙效益也不会相应增加。本试验中，临界植被盖度为50%～70%，当覆盖度从0增长到50%时，植被的减沙效益显著提高，当盖度增加到70%时，植被保持水土的作用几乎不随覆盖度的增加而显著提高。这与吴蕾等[20]通过文献分析得出的结论基本一致。

此外，植被的水土流失调控效应也受降雨量和降雨强度的影响，大雨和暴雨时植被的减沙效益较高[21]。本研究中，相同的覆盖度的植被在较大冲刷流量下表现出较好的减沙效果。图4显示，不同覆盖位置下的坡面侵蚀产沙量一般表现为草被位于中下部时产沙量小于草被位于上部，这是因为草被位于中下部时，兼具缓流拦沙和滞流消能的作用[22]，既能拦截植被上部裸坡产生的泥沙量，又能通过减缓径流流速削弱侵蚀动力。

图2 草被覆盖度对坡面产沙量的影响

图3 不同草被覆盖度下的减沙效益

图4 不同草被覆盖部位产沙量

2.2 坡面流动力学特征分析

2.2.1 坡面流流速随着植被覆盖度的增加，平均径流流速呈直线下降趋势(图5)，植被覆盖度越大，径流流速越缓，相比于裸坡，不同覆盖下坡面径流流速分别降低29.4%～82.4%(3.2 L/min)和24.2%～79% (5.2 L/min)。在相同覆盖度情况下，冲刷流量越大，径流流速越快。3.2 L/min冲刷流量下，不同覆盖度断面平均径流流速平均值为6.29 cm/s ～24.74 cm/s，相对于裸坡下降了30.7%～82.4%，5.2 L/min流量下径流流速平均值相对于裸坡下降了16.7%～78.3%，可以看出流量大时，草被延缓流速的作用相对减弱(16.7%<30.7%)。从图5两条直线差值随着植被覆盖度的增加而呈现微小增幅也说明，植被对于大流量下的径流流速控制是有限的，这与植被在小流量下拦截径流效果较为显著的结论基本一致[23]。

图6为不同冲刷流量下30%覆盖度植被位于坡面不同部位时断面流速及坡面平均流速变化。裸坡下，流速沿断面逐渐增大，且流量越大，平均流速越大。草地坡面的径流流速明显减小，且有草断面的平均径流流速均小于无草断面，30%盖度时草地坡面径流平均流速比裸坡时少40%～50%。对于不同部位植被的径流流速，小流量时植被位于坡面上部对径流流速的削减作用要强于植被位于坡面中部和下部，而对于大流量时，植被对径流流速的削减作用依次是：草下部>草中部>草上部。出现这种现象的主要原因是，冲刷流量较小(3.2 L/min)时，径流通过位于坡面上部植被的作用，在水流流速最慢的时候对径流进行了拦截，增加了入渗，减缓了流速，起到了较强的减流的作用。而当冲刷流量较大(5.2 L/min)时，径流量较大，植被形成的阻力有限，位于坡面上方的植被，仅能拦截坡顶流速较缓的径流，位于坡中部的植被不仅对坡上有拦截径流、减缓流速的作用，对坡下也有减缓流速、减小冲刷的作用，位于坡下部的植被，对全坡面的径流都有拦截和减缓流速的作用。潘成忠等[24]的研究也表明草被植被对下部坡面径流流速的削减作用要强于上部坡面。

图5 不同植被覆盖度下坡面流速变化

2.2.2 坡面流阻力系数根据测量数据计算了不同草被覆盖度下的坡面径流的阻力系数f和曼宁糙率系数n(表3)。在试验的坡度和流量范围内，坡面径流阻力系数f和糙率系数n分别变化于0.20～54.16，0.004～0.076，且草被覆盖的坡面的阻力系数f明显大于裸坡，不同盖度草地坡面的阻力系数和糙率系数分别是裸地坡面的7～280倍和5～22倍。阻力系数f和曼宁糙率系数n分别随覆盖度的增加呈指数递增，这主要是因为坡面流速随着草被盖度的增大而减小，在坡面流量、坡度基本相同条件下，水深与流速成反比，流速小则水深大，此时的坡面的阻力系数就大。从阻力系数f与覆盖度(x)的回归系数可以看出大流量时阻力系数f随覆盖度的增加幅度小于小流量的变幅，而且阻力系数f随随流量的增加呈下降趋势，说明草被对坡面流的阻滞作用随着流量的增加呈下降趋势，再一次验证了在大流量条件下，植被减缓坡面径流流速的作用有限的结论。

图6 不同冲刷流量下30%植被盖度时流速对比

表3 不同覆盖度下坡面流平均阻力系数(f )和糙率系数(n)

2.2.3 坡面径流剪切力在试验的坡度范围内，径流剪切力随着流量的增加而增大，这是因为水流剪切力是径流水深的函数，而径流水深又是单宽流量的函数，所以，水流剪切力随着流量的增加而增大。在相同的冲刷流量下，水流剪切力随着植被覆盖度的增加呈指数增大的趋势(表4)，这是因为草被对径流的分散阻止作用，增大了地表径流的阻力系数，同时，草被的拦截使不断顺坡来的坡面流改变原来的运动方向，降低了径流流速，有草坡段流宽增大，无草坡段流宽减小，径流深增大所致。

表4 不同覆盖度下坡面平均径流剪切力(τ)

2.2.4 单位水流功率和径流动能单位水流功率P和径流动能F与植被覆盖度显著相关，二者均随植被覆盖度的增加呈指数减小趋势，这是因为P和F都是流速和径流深的函数[25]，随着植被覆盖度的增加，对径流的阻滞作用逐渐增强，V降低，P和F明显减小；P和F随着放水流量的增大而增加，因为放水流量越大，径流单宽流量越大，水流流速就越大，进而P和F越大，但P和F与放水流量相关性并不显著(图7—8)。

图7 不同流量下坡面单位水流功率

2.2.5 坡面侵蚀产沙量与其影响因子关系分析对侵蚀产沙量与各因子进行偏相关分析，表5显示，侵蚀产沙量受植被覆盖度的影响最大，相关系数为0.871；在各坡面流动力学因子中，F和V与坡面侵蚀产沙量最为相关，相关系数分别达到0.758，0.744，并达到极显著水平；其次是Fr，n和τ，Re影响最小，关联度仅为0.293。由于影响坡面侵蚀产沙量的众多因素又互相影响，因此，为了剔除因素之间的互相影响，对相关性达显著水平的覆盖度，Fr，n，τ，F，V和P等因素与侵蚀产沙量y进行逐步回归分析，得到回归方程：y=6.150×F-32.88×C-361.989×P+47.702。式中：y为侵蚀产沙量(kg);F为径流动能(J);C为植被覆盖度(%);P为单位水流功率〔(N·m)/s〕。

上式表明，侵蚀产沙量与径流动能F呈正相关，与植被覆盖C和单位水流功率P呈负相关，植被覆盖、径流动能F和单位水流功率P共同决定坡面侵蚀产沙。从物理学角度讲，坡面径流侵蚀土壤的过程是做功消耗能量的过程，F和P均是能量的代表，是V和J综合作用的结果。不少研究把P作为预测坡面侵蚀产沙量的重要因子。Moor和Burch[26]发现当土壤颗粒为分散状时，P能够相当精确地预测坡面流和细沟流的输沙率。单位水流功率理论综合反映了坡面下垫面的差异对水蚀过程的影响，可以用于计算坡面径流产沙量。