坡面草帶分布對坡溝水土流失的防控作用及其優化配置

張 霞，李 鵬，李占斌，于國強，李 聰

（1. 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室，西安 710048； 2. 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室（西安理工大學），西安 710048； 3. 中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054；4. 河南黃河水文勘測設計院，鄭州 450004）

0 引 言

深化植被空間配置方式對坡溝系統侵蝕輸沙調控機制研究，是了解流域侵蝕產沙、調控泥沙來源的基礎性關鍵問題[1-8]。坡溝系統作為流域的基本組成部分，其侵蝕過程的產生發展是土壤侵蝕動力機理研究的核心問題，同時也是流域水土流失防治的關鍵。隨著土壤侵蝕研究不斷發展，揭示坡溝系統水蝕過程的發生發展機理，闡明植被措施對坡溝系統水蝕過程的調控機理，提出合理的調控方式[2-4]，成為目前土壤侵蝕研究關注的焦點問題。

黃土高原植被侵蝕產沙調控作用研究歷史悠久，取得了許多進展。研究坡溝系統草帶位置對挾沙水流動力特性以及侵蝕產沙特性的影響，對于分析植被對坡溝系統侵蝕機理具有重要意義。以往坡面徑流流速方面的研究多是在單一裸坡條件下開展，涉及到草被覆蓋及空間配置的較少，且徑流流速多為整個坡面流段的平均特征，未能很好地反映徑流流速在坡面的時空變化過程[3-4]。同時由于侵蝕產沙領域問題以及坡面薄層水流關系的復雜性，研究手段和測量技術的限制，缺乏足夠可靠的觀測資料，關于坡溝系統泥沙來源的定量識別研究一直制約著坡溝系統侵蝕研究發展[2-8]，在一定程度上限制了植被減蝕效應的研究。關于植被調控水沙過程以及對徑流侵蝕動力作用機制的研究就更少，使得植被對土壤侵蝕的影響機制很難理解[9-21]。因此，開展黃土高原坡溝系統的植被空間配置對侵蝕動力學作用機制的研究，具有重要的科學和現實意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

根據坡溝系統地貌特征、室內試驗條件和設計原則以及具體試驗設施狀況，對黃土高原丘陵溝壑區坡溝系統進行了概化，建立的坡溝系統物理試驗模型，如圖 1所示。所建物理試驗模型基本表征黃土高原丘陵溝壑區坡溝系統的地貌特征。坡溝系統試驗模型試驗系統采用鋼板制成。其中坡度12°、長度為8 m的鋼槽代表坡面；另外坡度25°、長度為5 m的鋼槽代表溝道。整個鋼槽的水平投影面積為 11.55 m2。坡面與溝道的長度比為1.6:1.0，代表黃土高原地區坡面與溝道的實際比值[4]。

圖1 坡溝系統概化模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of generalization model of slope-gully system

本次研究對象為陜北黃土高原丘陵溝壑區，以黃土作為試驗用土壤，土壤樣品為西安郊區黃土。采用馬爾文2000激光粒度儀對其泥沙顆粒組成進行測定，土壤機械組成為黏粒12.93%、粉粒82.55%、沙粒4.52%。根據美國農業部（USDA）的土壤分類標準，最終確定試驗用土壤歸類為粉質土。

試驗開始前，首先在鋼槽底部鋪設厚度為20 cm的天然砂層，以保證試驗用土的透水性接近于天然狀態，并且確保土壤中的水分均勻滲透。為了確保試驗初始條件的一致性，試驗采用土壤夯實的辦法，并在試驗之前提前噴灑水預濕。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。隨后，將4層5 cm的試驗土壤層放置在沙層的上部，留出10 cm的空間用于覆蓋草帶。草帶與裸露的斜坡部分齊平并緊密連接，以防止降雨期間草帶滑動。試驗用草為野生馬尼拉草（Zoysiamatrella），草帶尺寸為 2 m×1 m，根系深度為20 cm。試驗開始2周前，將草帶移植到鋼槽內自然生長。

在室內人工模擬降雨試驗中，采用自行設計的向上式模擬降雨裝置產生降雨。采用濾紙法[7]測量雨滴直徑，雨滴平均直徑達到1.5 mm，雨滴直徑分布在0.4～3.0 mm之間。因此，本次試驗中的模擬降雨在雨滴尺寸和雨滴分布均與自然降雨類似。試驗中每個噴頭的降雨覆蓋面積達到3～4 m2，試驗中共使用8個噴嘴，4個位于坡面、4個位于溝道。按照文獻記載和實際物理模型計算，確定雨滴的有效降落高度為6 m[22]，以確保雨滴末速接近天然降雨末速。雨強通過噴頭尺寸和水壓精確控制，每次降雨前，需要對雨強進行率定，以控制降雨量和均勻性[22]。

1.2 試驗方法

根據現有的研究結果和研究區實際降雨雨強情況，試驗采用的降雨雨強為90 mm/h，相當于黃土高原地區中雨的降雨強度[22-23]。本次試驗采用人工模擬間歇性降雨，每種草帶位置下共進行 2場連續降雨試驗，每次降雨間隔時間為 24 h。每次間歇性降雨試驗共進行兩次重復試驗，以減少隨機性誤差。統計結果表明，在試驗控制條件下，兩次重復試驗中的徑流量和產沙量均值并未出現顯著差異。在試驗控制條件下，根據實際觀察，產流經過30 min后徑流基本達到穩定狀態，因此徑流歷時定義為30 min。試驗人員每1 min用存儲桶收集一次徑流和泥沙樣品，并對徑流量進行測量。徑流中的泥沙經過24 h靜置后進行分離，并在105 ℃高溫下烘干8 h，隨后稱質量，計算產沙量。

根據水土保持功能優化植被覆蓋度的研究成果，考慮到黃土高原儲水和干燥的實際情況，最終確定植被覆蓋度為25%[24]?？偣部紤]在坡溝系統中布設5種草帶的空間配置（圖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，整個坡溝系統被均分成13個坡段，每個坡段的尺寸均為1 m×1 m。

圖2 降雨試驗坡面植被布設位置示意圖Fig.2 Schematic of grass strip pattern layout position on slope in rainfall experiments

本研究中，整個坡溝系統被均分成13個坡段，每個坡段的尺寸均為1 m×1 m。每個斷面徑流流速（徑流表面流速）采用KMnO4染料示蹤法確定，以監測試驗過程中的水動力條件。本研究采用徑流雷諾數（Re）來判定徑流流動狀態。徑流雷諾數（Re=hV/T）由徑流深 h、徑流平均流速V和對應的動力黏性系數T求得；其中動力黏性系數 T與溫度有關，取值參考文獻中的參數[25]；試驗中坡面徑流為薄層水流，徑流深h與水力半徑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。隨后，基于徑流雷諾數Re判定徑流流動狀態，按照不同徑流流動狀態的流速修正系數（層流：0.67，過渡流：0.7，紊流：0.80）對徑流表面流速進行修正，獲取徑流平均流速[25]。

1.3 地表微地貌測量及侵蝕產沙體積計算

本研究采用三維激光掃描儀（Trimble FX scanner）對降雨前后的微地貌進行數字化，影像中的每一個像素點代表實際空間中的一個3D點。掃描儀水平方向測量精度為1 mm，垂直測量精度為0.02 mm。掃描儀所獲取的空間點云數據的提取和處理由該儀器自帶的掃描軟件（Trimble Real Works office）完成。通過該套裝軟件可以建立試驗中坡溝系統表面的數字高程模型（DEM）[26]。在每次試驗中，可以獲取兩次降雨前后3個1 m×13 m的下墊面地形的DEM數據。在此將初始DEM數據定義為“Rain 0”，第1次降雨后的DEM數據定義為“Rain 1”，以此類推。

研究采用初始狀態下墊面高程數據分別減去第 1次和第2次降雨后的下墊面高程數據（Rain 0-Rain 1、Rain 0-Rain 2），用以反映2次降雨后的侵蝕產沙量結果。由于植被覆蓋會影響DEM觀測結果，因此在數據處理中去除了草帶部位的噪點數據。本研究采用10 mm×10 mm間距對原始DEM點云數據進行了差值處理，計算了各個草帶位置下侵蝕產沙物質總體積，其數學表達式如下

式中VE為侵蝕產沙物質總體積，L；Hi為DEM點云數據點高程，mm；S為面積（10 mm×10 mm）。

計算得出的各個草帶覆蓋位置下侵蝕體積指標與系統出口測量的產沙量相比，其誤差在6%～14%之間，表明地表微地貌測量結果是準確的。

2 結果與分析

2.1 坡溝系統不同草帶位置的蓄水減沙效益

本研究計算了有草帶條件下對應位置的蓄水效益和減沙效益，其數學表達式如下

式中RW代表各個草帶位置的蓄水效益，%；WA代表草帶位置A下的徑流量，L；Wx代表草帶位置B、C、D、E下的徑流量，L；RS代表各個草帶位置的蓄水效益，%；SA代表草帶位置A下的侵蝕產沙量，kg；Sx代表草帶位置 B、C、D、E下的侵蝕產沙量，kg。計算結果如表 1所示[27-28]。

表1 不同草帶位置下兩次模擬降雨的蓄水減沙效益計算結果Table 1 Results of water storage and sediment reduction functions under different grass strip positions in both simulated rainfall events

可以看出，草帶布設于位置 C時，具有試驗條件下最優的蓄水和減沙效益，說明布設于坡面中下部位置的草帶可以發揮出很好的水土保持功效。另外，當植被布設于坡面上部和中上部時（位置D和E），土壤侵蝕相比裸坡而言更為嚴重，與先前 Jin等[29]提出的雨強在65 mm/h條件下得出的結論一致。綜合分析可知，當草帶布設于坡面下部60%位置處，可以減少徑流量7.35%，減少產沙量 62.93%，草帶更具有直接攔沙的水土保持功效[27-28]。

2.2 坡溝系統植被配置的侵蝕產沙與徑流流速關系

將坡溝系統劃分為13個坡段，從坡面至溝道依次為坡段1、坡段2……坡段13，其中坡面包括8個坡段（坡段1-坡段8）；溝道包括5個坡段（坡段9-坡段13）。每個坡段尺寸為1 m×1 m。本研究計算了第二次降雨后，各個坡段的侵蝕物質體積，即單位面積產沙體積。徑流流速是坡溝系統水動力過程的主導因素，影響著土壤侵蝕和泥沙輸移的過程[30-31]。第 2次降雨后，各位置不同坡段的產沙物質體積和徑流流速如圖3所示。

在降雨過程中，不同草帶位置的侵蝕產沙體積均存在一定的波動（圖 3a），沿程變化均表現出相似的波動趨勢，溝道范圍內的侵蝕產沙體積明顯高于坡面。不同草帶位置的產沙總量按照以下順序遞增：位置C＜位置B＜位置 A＜位置 D＜位置 E，即減沙效益：位置 C＞位置 B＞位置D＞位置E。

對于位置A、B和C而言，侵蝕輸沙過程整體起伏與波動程度要小于D、E時的情況。各個坡段的徑流流速影響著對應坡段的侵蝕產沙水平。坡面范圍內，位置A、B和C條件下的侵蝕產沙的特征相似，整體都處于較低水平。這是由于草帶布設于坡面徑流加速位置，有效抑制了徑流流速在加速空間的快速增長；使得位置B、C條件下的徑流流速較低（圖 3b），侵蝕能力減弱；使得坡面各個坡段的侵蝕產沙量均低于裸坡，處于較低水平。溝道范圍內，由于位置C條件下草帶對徑流流速的調控作用更加有效，徑流流速波動幅度最小，產沙量一直處于試驗范圍內最低水平。位置B條件下的草帶并未布設于最佳位置，其對徑流流速的調控作用弱于位置C，不能有效抑制溝道范圍內的流速和輸沙過程；且溝道范圍內的徑流經過草帶過濾，含沙量相比裸坡要低，使得徑流挾沙力增大，導致溝道范圍的產沙量大于裸坡（圖3）。

圖3 不同草帶位置下坡溝系統侵蝕物質體積和徑流流速沿程變化Fig.3 Variation of eroded volume and runoff velocity along slope-gully system under different grass strips positions

位置D和E條件下，侵蝕產沙的整體起伏與侵蝕發育程度也明顯高于其他情況。一方面由于草帶位于坡面相對靠上的部位，草帶以下的裸坡區域直接與坡溝系統出口相連，提供了足夠的徑流加速空間，使得徑流流速快速增長，徑流動能始終處于較高水平，徑流剪切力增大，增強了徑流侵蝕能力；同時草帶以下更多的裸露區域提供了更多的泥沙來源，也導致侵蝕產沙體積快速增長。另一方面，當徑流被草帶過濾后，徑流含沙量降低，輸沙能力相對增強，導致徑流含沙量和輸沙能力的差距繼續增大，與裸坡相比產生更大的徑流剝蝕率。因此，在雙重因素的作用下，位置D和E下的侵蝕產沙量始終最大。

2.3 不同草帶位置下植被水土保持功效

本研究選取水土保持功效較好的位置B和C，繪制了坡面與溝道各個坡段減蝕量沿程變化曲線。由于 2次降雨的減蝕量沿程變化曲線形式一致，僅列出了第2次降雨后的曲線（圖4）。其減蝕量計算表達式如下

式中Si代表各個坡段減蝕量，L；SAi代表位置A條件下各個坡段侵蝕產沙量，L；Sxi代表位置B和C條件下對應坡段的產沙量，L。空心圓點代表此坡段的減蝕量為負值，表明該坡段并未減少泥沙，反而加劇侵蝕。

圖4 第2次降雨后位置B和C條件下坡面與溝道減蝕量Fig.4 Sediment reduction of slope and gully under position B&C in second rainfall

從圖4可以看出，2種植被空間配置方式下的減蝕量沿程變化趨勢大致相似。皆是在坡面范圍內遞增，進入溝道后出現不同程度的下降，出現負值，即沒有減少泥沙；然后減蝕量曲線回升，達到峰值；隨后在系統出口坡段下降。整體而言，2種位置下，各個坡段減蝕量基本為正值，很少有侵蝕加劇的坡段。

如圖4a所示，位置B條件下的坡面范圍內的減蝕量皆為正值，其減蝕總量達到28.17 L，試驗范圍內達到峰值，草帶在坡面的減蝕效果良好。表明草帶布設于坡面最下部，植被的緩流攔沙的水土保持功效的調控范圍可以覆蓋整個坡面，植被可以在坡面范圍內充分地發揮出緩流攔沙的水土保持功效，使得植被對坡面侵蝕的調控效果達到最優。溝道范圍內，植被的調控侵蝕產沙的作用有所減弱，溝道范圍內60%的區域（坡段9、10和13）侵蝕加劇，侵蝕產沙總量增加 28.69 L，減蝕總量僅為20.86 L，說明草帶在溝道的減蝕效果較差。

如圖4b所示，位置C條件下的坡面范圍內的75%區域內的減蝕量為正值，侵蝕加劇的范圍減少 25%，僅在坡段2和坡段3為負值，但絕對值較小，侵蝕產沙量增加很小，減蝕總量達到20.17 L，草帶在坡面的減蝕效果稍弱于位置B。位置C條件下，在草帶緩流和攔沙的雙重功效的作用下，有效控制了坡面范圍內草帶上方的侵蝕產沙，能夠減少草帶上方75%坡面面積（坡段1至6）產生的部分泥沙，減蝕量達到17.84 L，草帶較好的起到了緩流攔沙的水土保持功效，該功效調控侵蝕范圍為坡面上部 75%的區域。溝道范圍內，植被的調控侵蝕產沙的效果繼續增強，盡管溝道范圍內 40%的面積（坡段 9和 10）減蝕量出現負值，即加劇侵蝕，但侵蝕產沙總量僅增加9.77 L，減蝕總量達到45.07 L，試驗范圍內溝道產沙量為最低，減蝕效果最優。

綜上所述，盡管 2種位置的草帶布設都會在不同程度上緩解徑流的侵蝕，產沙量在試驗范圍內達到最低；但由于草帶位置不同，使得草帶能發揮的水土保持功效和作用范圍有所不同。草帶位于坡面下部依靠緩流攔沙功效有效調控坡面范圍內的侵蝕產沙，可以有效降低該范圍內的侵蝕強度；但由于不能有效抑制溝道范圍內的徑流流速的增長，因此未能在此范圍內充分發揮滯流消能功效，以至于產沙量較裸坡略有增長。草帶位于坡面中下部，同時發揮出較好的緩流攔沙和滯流消能的雙重水土保持功效。依靠緩流攔沙的功效有效調控草帶以上坡面范圍內的侵蝕產沙過程，可以有效減緩該范圍內的侵蝕強度。同時，依靠滯流消能的功效能夠有效地抑制和減緩溝道范圍內徑流流速和“洪峰流量”的增長和發展，從而有效地削弱了徑流的侵蝕能量，大幅度減緩坡面下部和溝道范圍內的侵蝕程度，使得坡面下部和溝道的產沙量大幅度減少。

2.4 坡溝系統草帶位置優化配置解析

如前所述，位置 C空間配置方式，即草帶位置距離坡頂4 m，或者位于坡面下部60%位置處，具有較好的減蝕效果，在試驗范圍內達到最佳。但“4 m位置”指標較為絕對，“坡面下部60%位置”指標為單一數值。因此，為了避免上述 2種指標的弊端，采用草帶位置相對、區域的參數，確定植被最優布設區域。

分別選取草帶上邊緣距離坡頂的距離與草帶下邊緣距離溝底距離的比值作為植被相對位置指標 M，草帶中心位置距離坡頂的距離與距離溝底距離的比值作為植被相對位置指標N。圖5繪制了不同位置條件下，2種植被相對位置指標與侵蝕產沙量對應關系，并進行函數擬合。

其植被相對位置參數與侵蝕產沙量的關系皆滿足二次冪函數關系，其擬合函數的表達式分別為

式（5）中y為產沙量；x為植被相對位置指標M，判定系數R2=0.746 6。式（6）中y為產沙量；x為植被相對位置指標N，判定系數R2=0.736 5。2個植被相對位置指標的擬合函數的判定系數R2均在74%以上，表明結果的準確性以及植被相對位置指標選取的合理性。

圖5 植被相對位置與侵蝕產沙總量回歸結果Fig.5 Regression results for relative position of grass strip and erosion sediment yield

從圖5可以看出，2個相對位置指標的函數擬合形態一致，皆滿足二次冪函數關系，即隨著植被相對位置的增加，產沙量下降至最低值，又有所增加。植被相對位置指標較小，即植被布設位置相對靠上時，坡溝系統產沙量較大，植被調控侵蝕產沙的作用還未發揮甚至會加劇侵蝕。隨著植被相對位置的增加，即草帶布設位置向下移動（位置C），產沙量減小，植被的減蝕效果逐漸增強。隨著草帶布設位置繼續向下移動，產沙量繼續減小至最小值，此時植被的減蝕效果達到最佳。當草帶下邊緣接近于峁邊線（位置B），產沙量從谷值逐漸開始“回升”，產沙量逐漸增加，此時植被的減蝕效果逐漸減弱。

因此，將位置C至位置B之間的范圍定義為植被調控侵蝕最優布設區域。即指標M在0.571～1.2之間，或指標N在0.625～1.167之間，定為植被調控侵蝕最優布設區域。同時需要注意的是，該區域范圍的確定需要通過不斷的試驗和實際觀測加以修正和完善。

在 25%低覆蓋度情況下，隨著草帶位置從坡頂向峁邊線移動，產沙量會出現先減小至最低值，然后增加的趨勢。因此，在坡溝系統侵蝕產沙過程中存在著一個植被調控侵蝕最優布設區域。在此區域內布設草帶，可以發揮出植被緩流攔沙和滯流消能的雙重水土保持功效，有效地抑制和減緩徑流流速在加速空間內的快速增長，調控范圍涉及坡面和溝道的各個坡段，以達到良好的減蝕效果。相反，遠離該區域布設植被，不能充分發揮調控侵蝕的作用，調控范圍和強度也十分有限，甚至還會加劇侵蝕。

3 結 論

通過室內模擬降雨試驗，結合三維激光掃描和微地貌分析技術，辨析不同植被配置方式下的水土保持功效以及動力調控途徑的差異，確定低覆蓋度下調控侵蝕的最優植被空間配置方式，揭示植被布設位置對坡溝系統侵蝕輸沙的調控作用機理。主要結論如下：

1）從水沙減少的角度考慮，不同位置的草帶布設相比蓄水減沙的水土保持功效而言更具有直接攔沙的水土保持功效。從水蝕動力的角度考慮，草帶同時兼具緩流攔沙和滯流消能的水土保持功效，且這兩種功效調控侵蝕的動力調控途徑與草帶布設位置密切相關。

2）草帶位于坡面中下部，同時具備了較好雙重水土保持功效。依靠緩流攔沙功效可以有效減緩坡面范圍內的侵蝕強度；依靠滯流消能功效能夠有效地抑制和減緩溝道范圍內徑流流速和“洪峰流量”的快速增長和發展，減緩坡面下部和溝道范圍內的侵蝕程度，使得侵蝕產沙量大幅度減少。

3）植被在坡溝系統中的位置指標參數與侵蝕產沙量之間滿足二次冪函數關系。草帶上邊緣距離坡頂的距離與草帶下邊緣距離溝底距離的比值在0.571～1.200之間，或草帶中心位置距離坡頂的距離與距離溝底距離的比值在0.625～1.167之間，為植被最佳的植被空間配置方式。