不同草帶空間分布對坡面緩流效應調控機制

賈蓮蓮, 樊 冰, 朱冰冰

(1.黃河水利委員會黃河上中游管理局, 西安710021; 2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710061)

植被具有截留降水、增加入滲、減少徑流流速，提高土壤抗蝕、抗沖性的功效。黃土高原地區，水資源十分匱乏，重建植被和恢復植被是保護和提升生態環境質量的有效措施之一[1-3]。因此，深化植被調控侵蝕和輸沙的認識，對于深刻揭示植被減沙減蝕機理，準確提出水土保持綜合治理和措施優化配置[2-3]具有重要的科學和現實意義。

在黃土高原地區，關于植被調控坡面侵蝕的研究取得了諸多成果[1-6]。以往多是在裸坡坡面下開展徑流流速變化特征的研究，而對植被調控流速的研究較少，且未能全面反映坡面各個部位的流速變化特征，僅用單一數值表征整個坡面水動力學特征的平均狀況[7-9]。但由于該問題的復雜性，受測試技術以及研究方法所限，植被調控坡面侵蝕以及水動力條件的研究仍處于初步研究階段，對調控機制的定量研究較少[10-13]。另外，在降雨條件下開展植被調控坡面侵蝕輸沙過程取得了一定的進展，但缺少可靠的長期野外觀測數據，導致對侵蝕過程的影響因素和因素間相互作用機制尚未定量化[11]，這導致植被調控坡面水蝕過程的作用機制很難摸清[13]。學者們也開展了不同植被格局對坡面侵蝕動力作用機制等方面的研究，揭示了不同植被格局可以通過影響徑流流速和含沙量來調控侵蝕動力機制，但未能闡明植被帶在坡面不同位置所發揮的減速效益的差異，因此，迫切需要開展不同草帶空間分布對坡面減速效益調控機制的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2017年4—7月進行，數據測試與分析于2018年4月完成。本研究使用1∶1萬地形圖結合高分辨快鳥影像，選取陜北韭園溝典型坡面，確定峁邊線位置，并分析梁峁坡和溝坡的地形特征，對其地貌進行概化，同時結合室內試驗條件，建立了坡面物理試驗模型，見圖1。試驗模型上坡長8 m、坡度12°，下坡長5 m、坡度25°，采用鋼板制作試驗系統模型。

試驗用黃土取自西安市郊區丘陵臺塬區。由于室內試驗所用土壤為擾動土壤，經過篩分處理后，以減弱地區間黃土性質的差異。顆粒尺寸為0.002～0.05 mm和0.05～0.1 mm的顆粒分別占91.39%和6.21%，為粉質土。草帶為馬尼拉草(Zoysiamatrella)，野生，種植密度約為40棵/m3，該草高約為2～3 cm，長勢較好。根據模型尺寸，將試驗用草帶處理為2 m×1 m，試驗前數周，讓其在模型內生長。

試驗初期，20 cm厚的天然砂層鋪設于鋼槽底部，以確保水分在土壤中均勻滲透。黃土進行夯實確保容重一致(約1.3 g/cm3)。試驗前，采用相同的噴水時間和噴水量噴淋土壤，確保土壤初始含水量一致(約21%)。然后在沙層上放置20 cm厚土壤，并為草帶預留10 cm空間，使草帶與裸坡緊密連接防止滑動。

圖1 坡面概化模型及坡面植被布設格局

模擬降雨采用向上式降雨裝置，雨滴直徑范圍為0.4～3.0 mm，平均直徑1.5 mm，雨滴大小與降雨均勻程度均與自然降雨接近[13-16]。試驗中上坡、下坡分別布設4個噴頭，每個噴頭降雨能夠覆蓋3～4 m2，雨強可調范圍在0.5～2.0 mm/min。

1.2 試驗方法

根據侵蝕性降雨的相關理論，試驗雨強為1.5 mm/min[10-11]；根據徑流達到穩定狀態的時間，確定徑流歷時為30 min，每次試驗降雨量約為45 mm。每次試驗間隔24 h，每組降雨試驗重復兩次，試驗結果取平均值，重復結果表明，產沙和徑流均值未發生顯著差異。試驗過程中，徑流泥沙樣品收集頻率1 min，測量徑流量；水沙樣品靜置24 h后分離泥沙，高溫烘干后稱重。針對較為干旱環境和條件下的黃土高原地區植物實際生長情況[17]，選擇25%較低覆蓋度作為試驗設計。研究共涉及5種草帶格局(圖1)，均布設在坡面上坡位置：裸坡(格局A)、上坡下部(格局B)、上坡中下部(格局C)、上坡中上部(格局D)、上坡上部(格局E)。將坡面均分為13個1 m×1 m的坡段，采用染料示蹤法測量各個水力斷面(各個坡段出口位置)流速。

1.3 指標計算

1.3.1 雷諾數 雷諾數Re為水流慣性力與粘滯力的比值。本試驗以500為臨界，過渡流狀態Re≈500，紊流狀態Re>500，層流狀態Re<500[12]，計算式為：

(1)

式中:R代表過水斷面水力半徑(m);U代表平均流速(m/s);v代表徑流運動黏性系數，v=0.01775/(1+0.033 7T+0.000 221T2);T代表水溫(℃)。

由于試驗過程中，坡面水流是薄層水流，此時水力半徑R可以采用坡面平均水深h，用反算法計算：

(2)

式中:t代表時間(min);q代表單寬流量[m3/(m·min)];Q代表t時間內總徑流量(m3);b代表過水斷面寬度(m);U代表平均流速(m/s)。

1.3.2 平均流速 徑流流速是研究徑流侵蝕的重要參數[9]。坡面徑流平均流速(V)計算式為：

V=aU

(3)

式中:U代表徑流表面平均流速(m/s);α代表修正系數,與徑流流態密切相關,層流、紊流和過渡流是0.67,0.80,0.70。

2 結果與分析

2.1 草帶格局對徑流侵蝕產沙過程的影響

由于第1次降雨和第2次降雨所呈現規律基本相似，在此僅列出第2次降雨試驗數據進行分析。在第2次降雨中，每種草帶格局的徑流量在產流初期(0—10 min)急劇增長，其波動過程較劇烈(圖2和表1)。徑流產生10 min后，徑流的波動趨于穩定，說明草帶在一定程度上能夠抑制徑流波動，但效果不明顯。另一方面，各種植被布設格局的產沙量均值差異顯著(p<0.05)，一些格局變異系數Cv較高，表明某些格局草帶可以減少侵蝕量，草帶具有直接攔沙的功能，之前研究也印證了此點[10-13]。格局D，E條件下，產沙量較大、產沙過程劇烈；格局C的產沙曲線為平穩，產沙量最低，表明該格局的草帶可以有效攔截泥沙。

圖2 第2次降雨不同草帶格局條件下徑流產沙變化

表1 第2次降雨條件下不同草帶格局的徑流產沙特征

植被調控徑流量和產沙量峰值強弱的效果與草帶的布設格局密切相關，并且不同布設格局之間的產沙與徑流存在顯著差異。總的來說，將草帶布設于坡面下部相比上部具有更好的削弱徑流、產沙峰值的作用。當植被布設于上坡下部和中下部(格局B，C)，草帶對泥沙具有更高的攔截效率。相反，將植被布設于上坡上部(格局D，E)，草帶以下存在較多的裸坡，產沙量和徑流量較大。同時也發現，將植被種植于上坡最底部(格局B)，減少侵蝕的作用達到最優，這與坡面的來水來沙條件有關，還與坡面變坡結構有關。

2.2 草帶空間分布對徑流流速的影響

徑流被草帶攔截后進入下坡，流速與草帶布設格局密切相關。圖3顯示了徑流流入下坡時(第9斷面)的徑流平均流速，與裸坡相比，草帶鋪設上坡中下部(格局C)時，徑流流速減少46%，達到試驗條件下最小值；此時草帶減速效益達到最優，徑流對下坡的侵蝕強度也達到試驗的最低水平。相反，格局D，E條件下，徑流進入下坡的流速均高于裸坡(圖3)，達到試驗峰值，徑流對下坡的侵蝕強度遠遠大于裸坡。

圖4展示了2場降雨過程中，各個格局徑流達到穩定狀態下(徑流歷時15 min)時，下坡第1斷面格局處徑流流速沿程變化。可以看出，各格局條件下皆存在一個徑流流速突然增加、且數值很大的區域，稱之為動力恢復空間。裸坡時，水流匯集于上坡水力斷面4～5時，徑流開始加速，且流速很大，表明上坡存在著徑流流速的動力恢復空間。隨著水流繼續向下運動，徑流流速持續增加，當水流進入下坡后，由于坡度增大，徑流更為集中，流速進一步增加。還可以看出，其他草帶格局下，流速沿程變化趨勢基本一致，在動力恢復空間內流速快速增加；第2次降雨過程中的流速大于第1次降雨，且下坡范圍內的流速大于上坡。

圖3 下坡第1斷面徑流流速

3 討 論

以格局A條件下沿程流速作為基準，其他格局各對應斷面的流速與其相比，計算其他格局的減速效益，其計算式為：

(4)

式中:RVi代表不同植被下不同水力斷面的減速效益(%);VAi代表格局A下各個水力斷面的徑流流速(m/s);Vxi代表其他格局不同水力斷面的徑流流速(m/s)。

由圖5，6可以看出，2次降雨過程中各個草帶條件下的減速效益依次為：格局E<格局D<格局B<格局C。就格局B，C而言，草帶位于上坡靠下的格局，正好位于裸坡條件下流速快速增加的部位(斷面4,5)，因此有效抑制了流速在該空間中的恢復(圖5)；此時草帶發揮出緩流效果。2次降雨中，格局B，C情況下70%的坡面減速效益值為正，均值可達50%以上，且草帶格局C的減速效益明顯優于格局B(圖5)。

圖4 坡面徑流流速變化

圖5 第2次降雨下草帶格局B和格局C條件下的減速效益

對于格局D，E而言，植被鋪設于上坡靠上的部位，草帶下方會有更多的裸坡與系統出口相連，為徑流的動力恢復提供了更長的運動距離(圖6)，使流速大于草帶鋪設于上坡中下部和下部時的情況。格局D，E的動力恢復空間增大，從下坡延伸至上坡，流速快速增長，徑流侵蝕強度進一步增強。圖6顯示，格局D，E的減速效益在2次降雨中基本為負且數值較大，說明流速在動力恢復空間內增加趨勢更為明顯(圖6)。

圖6 第2次降雨草帶格局D和格局E條件下的減速效益

綜合以上分析可知，上坡中上部和中部種植草帶，植被減緩流速的范圍和作用強度均較小，甚至產生負面效應，增加了徑流侵蝕強度。植被帶格局越靠近坡頂，徑流流速的恢復格局也相應提前，動力恢復空間長度開始增大，導致徑流流速和侵蝕強度快速增加。說明在低植被覆蓋度條件下，植被種植于上坡靠上的部位會出現較裸坡更加強烈的侵蝕，這顯然與常規所描述的現象相矛盾。這與Jin[18]提出的低覆蓋度坡面在65 mm/h雨強時產生比裸坡更為嚴重的土壤侵蝕這一結論一致。究其原因，也許與影響坡面動力恢復的水蝕動力過程有關。植被種植格局靠上，可為動力恢復提供較大的范圍，當徑流流入下坡，水流更為集中，流速較裸坡顯著增加。另外，由于草帶的過濾使水流變清，導致徑流攜運泥沙能力增強；含沙量與徑流攜運泥沙能力之差會持續增加，產生了較大的徑流剝蝕率[19]。

草帶布設于上坡中下部，調控徑流流速的范圍基本覆蓋了整個坡面，徑流流速得以減緩，徑流侵蝕強度也得以大大降低。當草帶布設于上峁邊線附近(格局B)，徑流從草帶流出后，徑流含沙量降低，水流更為集中，泥沙運移能力增加，徑流對下坡的侵蝕強度增加。因此，將植被布設于上坡最底部時，與布設于坡面中下部相比，挾沙力和徑流流速均有所增加，此時草帶種植于此并未明顯減弱侵蝕[20]。

從圖3看出，隨著草帶布設格局的逐漸上移，動力恢復空間逐漸增加，徑流流速呈先減小后增加的趨勢，格局C時流速最小，格局D，E時的流速反而超過裸坡時的情況。表明動力恢復空間達到一定長度時，流速會超過其他草帶格局和裸坡的情況，因此動力恢復空間的長度存在臨界值[20]。根據試驗實際情況，將13 m坡面出口至草帶底部7 m的距離稱為動力恢復空間的臨界值，即為整個坡面長度的54%。徑流的加速長度低于該臨界值時，在此區域內種植的植被可以有效抑制徑流流速的恢復，降低徑流流速和徑流侵蝕強度。而在此區域以外布設植被(格局D，E)，則會增加更多的動力恢復空間，徑流流速在此區域內快速增長，已經高于裸坡，達到試驗范圍內峰值。因此，動力恢復距離具有臨界現象，動力恢復距離超過坡面長度的54%，徑流流速明顯增加，草帶調控徑流作用較弱，甚至加劇侵蝕；動力恢復距離小于坡面長度的54%，徑流流速顯著降低，草帶調控徑流作用增強，侵蝕強度減弱，這與之前的研究所獲得的結論相似[10]。以往結果表明，當草帶位于下坡位時，其減沙效益遠遠高于上坡位和中坡位[10]。但隨著坡面徑流進入溝坡和溝道后，由于峁坡坡面徑流含沙量減小，清水下溝反而使得進入溝坡的徑流剝蝕力增大，溝坡部分侵蝕增強，即坡面徑流通過溝坡時會引起侵蝕產沙量增加[20]，這些都與此次所得出的結論相互印證。因此，研究不同梁峁坡植被空間分布對溝坡侵蝕的影響和調控有助于理解植被對土壤侵蝕輸沙過程、水動力過程調控作用的理解。

4 結 論

(1) 坡面全長13 m，上坡長為8 m，將草帶種植于上坡下部60%時能夠充分發揮緩流效應，調控侵蝕范圍很廣，可以控制坡面70%范圍內的徑流流速，降低流速50%以上，有效地抑制了流速的恢復增長，對于減緩徑流流速起到了積極作用，降低了徑流侵蝕強度。

(2) 草帶種植于坡面相對靠上的格局，如坡面中上部和中上部時，增加了草帶以下的裸露區域，產生了更多的動力恢復空間，該空間從坡底一直延伸至上坡，流速快速增加，增加幅度達1倍左右，徑流攜運泥沙能力與含沙量與的差異持續增加，產生更為嚴重的徑流剝蝕能力。

(3) 坡面長度的54%為動力恢復空間臨界值，在恢復空間范圍內，植被調控流速的效果顯著，可以有效抑制水動力參數的恢復和增長，降低徑流侵蝕強度。超過恢復空間范圍，草帶調控流速作用減弱，甚至使徑流流速加快，導致動力恢復空間內流速快速增加，徑流侵蝕強度增大。