暴雨條件下植被對溝坡重力侵蝕速率和規模的影響

高 航,徐向舟,肖培青,張紅武

(1.大連理工大學 水利工程學院,遼寧 大連 116024;2.水利部 黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室, 鄭州 450003;3.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

重力侵蝕是指斜坡上的巖土體在重力作用下發生變形、破壞、移動和堆積的過程，其形式包括崩塌、滑坡、泥流等[1]。黃土高原是世界上重力侵蝕最嚴重的地區之一，重力侵蝕不僅破壞黃河流域的生態健康，還嚴重威脅當地人民的生命財產安全。隨著退耕還林(草)及其他水土保持措施的實施[2]，黃土高原生態環境明顯好轉[3]。但仍需看到的是，目前黃土高原的水土流失仍舊嚴重。2019年習近平總書記明確提出將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略。黃土高原作為黃河流域最重要的組成部分，對其生態保護修復也是未來研究的重點。

降雨是誘發重力侵蝕重要的外部因素之一。我國氣象部門將12 h累計雨量30～69.9 mm或24 h累計雨量為50～99.9 mm定義為暴雨[4]。植被作為影響重力侵蝕的內部因素之一，它與重力侵蝕間復雜的相互作用是地表過程研究領域中一個重要但尚未解決的問題[5]。楊吉山等[6]認為溝坡上的植被發育對小型重力侵蝕有比較明顯的遏制作用。但孫尚海等[7]認為植被根系對黃土有分離的作用，所以治理程度較高后，重力侵蝕還是相當活躍。已有研究利用模型試驗或者數學分析探討了不同植被的護坡效應，以及不同植被的布置方式對溝坡侵蝕的影響[8-9]。如李國榮等[10]對寒旱黃土區不同灌木根系進行了力學性質的測量選出最佳護坡植被。張霞等[11]利用模型試驗探討了坡溝系統中草帶的種植位置與侵蝕的關系。但上述研究對植被對溝坡的重力侵蝕的影響關注較少。筆者曾對植被影響下溝坡發生在雨中、雨后以及不同重力侵蝕類型的侵蝕量有初步探討，但對不同植被及不同布置方式對溝坡重力侵蝕的作用沒有進一步量化研究[12]。特別是在暴雨情況下，不同灌木以及不同布置方式影響下的溝坡重力侵蝕發生的時間、侵蝕強度、發展速率等規律仍需要更深入的探討。

本研究以黃土高塬溝壑區的溝坡系統為主要研究對象，采用室內降雨模擬的方法，通過設計不同灌木及其不同布設方式探討植被對溝坡重力侵蝕發生時間、強度和侵蝕速率的影響，為揭示植被影響下溝坡重力侵蝕規律、確定黃土高原水土保持治理方針提供參考。

1 材料與方法

本試驗于2016年8—10月在位于北京市順義區的清華大學黃河研究中心試驗基地(116°48′E，40°11′N)進行。根據黃土高塬溝壑區的地貌特征，設計溝坡坡度為70°、緩坡坡度3°的溝坡系統概化物理模型，模型長寬為2.5 m×3.0 m，高為1.5 m。采用的模型土壤是一種與原型土壤接近的李各莊試驗場附近的黃土，粒徑分布與黃土高原的午城黃土和馬蘭黃土粒徑分布相似[13-14]。模型土壤的干容重為1.38×103kg/m3。采用經過1 cm孔隙篩網篩選的模型土壤，將篩選好的材料用手工拍實的方法分層構筑裸地溝坡模型。植被覆蓋溝坡是在裸地溝坡建成后埋植植被構筑的，是一種大型的根土復合模型[15]。試驗設計4種植被布置方式，選取黃土高原兩種常見的鄉土灌木——連翹[Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl]和棣棠[Kerriajaponiaca(L.)DC]進行試驗，共計7組不同的下墊面類型(圖1和表1)。不同植被的根系特征按照徑級進行分類，平均根莖及根面積比(Root area ratio，RAR)統計指標見表2，RAR被認為與土壤抗剪強度的大小有一定的正相關性[16]。其中連翹根系表現出更為成熟的根系，主根、側根和須根完整，棣棠根系處于年幼期，側根發育不完整。裸地溝坡模型和植被覆蓋溝坡模型分別布置在同一個試驗水槽中，放置幾小時后，在嚴格控制地形和降雨條件下進行。根據黃土高塬溝壑區的降雨特點，設計每場降雨總量為48 mm的暴雨，共5場，依次應用于每一個下墊面。降雨強度和降雨歷時分別為0.8 mm/min和60 min。相鄰兩次連續降雨間的時間間隔約為12 h。在每次模擬降雨試驗前，先利用小強度降雨濕潤地形，以獲得一致的土壤初始含水量。

表1 試驗設計方案

表2 植被根系特征

本試驗利用自行研發的SX2009微噴頭式降雨模擬器模擬降雨過程。利用自行設計的地貌儀實時觀測地形動態變化。采用地貌儀記錄和人工現場判斷相結合的方式記錄了降雨過程中和降雨后20 min內的重力侵蝕發生時間和地點、重力侵蝕類型和崩滑面形式等。每個滑坡體的體積是通過比較每次侵蝕事件前后坡體的體積差得到的。其中對重力侵蝕量的觀測誤差在±10%以內[17]。利用RR-1008自動測濕監測系統，每30秒記錄一次降雨過程中的土壤含水量。在上述7組模型中，Ⅳ，Ⅶ為全植被覆蓋溝坡(p)，Ⅰ為裸地溝坡模型(b)，分別與Ⅳ，Ⅶ進行組間比較(圖1)；Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ為混合模型，分成左右兩側進行統計：一側是植被覆蓋溝坡(p)，一側是裸地溝坡(b)。在混合模型中進行植被覆蓋率統計時，只計算模型一半的面積，以進行植被側和裸地側的對比。而且Ⅲ，Ⅵ中的植被覆蓋溝坡(p)與對應同種植被的Ⅱ，Ⅴ中的植被覆蓋溝坡(p)相比，在溝坡和緩坡的交界附近的位置缺少了4棵植被覆蓋。對各組重力侵蝕發生時間、侵蝕量以及重力侵蝕速率進行統計。其中侵蝕速率分成平均重力侵蝕速率和瞬時重力侵蝕速率進行計算。計算公式為：

注：1為降雨模擬器，2為地貌儀(a攝像機，b等距激光發射器)，3為校準點，4為坡面(a溝緣線，b溝坡，c緩坡)，5為等距激光線，6為集流池，7為植被。

(1)平均重力侵蝕速率

(2)瞬時重力侵蝕速率

2 結果與分析

2.1 植被對重力侵蝕發生時間及累積量的影響

7組試驗分別分成5組裸地和植被進行比較，各組重力侵蝕累積量隨時間的變化見圖2。其中在混合模型Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ組的比較中，圖2A—D中，裸地側第一次發生重力侵蝕的時間總是早于植被側，相差的時間分別為23.7，17.8，9.5以及4.6 min。而Ⅳ，Ⅶ第一次重力侵蝕發生時間均要早于Ⅰ的。圖2E中Ⅳ組第一次重力侵蝕早于Ⅰ組8.6 min發生，而Ⅶ組則早半個多小時發生。平均幾組數據，重力侵蝕在裸地溝坡中第一次發生時間在降雨30.6 min左右，而在植被覆蓋溝坡中時間則為35.1 min左右。整體來講，溝坡系統上的植被對第一次重力侵蝕的發生有一定的延后作用。兩種植被進行比較發現，連翹覆蓋溝坡第一次發生重力侵蝕的平均時間為44.8 min，而種植棣棠的溝坡發生第一次重力侵蝕的平均時間為25.4 min。由此可見，在本試驗條件下，連翹覆蓋的溝坡對重力侵蝕的延后作用要長于棣棠覆蓋的溝坡。

如圖2所示，裸坡處理(Ⅱ-b，Ⅲ-b，Ⅴ-b，Ⅵ-b，Ⅰ)比植被覆蓋處理(Ⅱ-p，Ⅲ-p，Ⅴ-p，Ⅵ-p，Ⅳ和Ⅶ)的次降雨重力侵蝕總量分別多3.84萬，9.13萬，5.76萬，7.81萬，5.05萬，9.48萬cm3。通過對不同植被覆蓋溝坡模型進行對比，連翹植被覆蓋的溝坡模型的次降雨重力侵蝕總量的平均值為39.71萬cm3，比棣棠覆蓋的溝坡模型的重力侵蝕總量多7.22萬cm3。此外，Ⅲ-p與Ⅱ-p相比，Ⅵ-p和Ⅴ-p相比，種植模式均是靠近溝緣線(緩坡和溝坡交界處)附近的溝坡和緩坡上缺少植被，但是Ⅲ-p中總重力侵蝕量為21.65萬cm3，要少于Ⅱ-p中侵蝕總量39.88萬cm3；而Ⅴ-p中重力侵蝕量為23.74萬cm3，也比Ⅵ-p中累計重力侵蝕量多3.20萬cm3。雖然Ⅱ-p，Ⅴ-p組的植被覆蓋率高于相應的Ⅲ-p，Ⅵ-p組，但是重力侵蝕量并沒有減少反而有所增多。

圖2 不同下墊面重力侵蝕累積量隨降雨時間的變化

2.2 植被影響下重力侵蝕規模分布的變化

重力侵蝕的發生具有很強的隨機性，規模大小也不同，重力侵蝕規模的大小對后續溝道的輸沙問題有很大的影響。試驗中重力侵蝕規模數量級大小不等，按照由小到大4個數量級規模進行統計，分別為：<0.1萬cm3，(0.1～1)萬cm3，(1～10)萬cm3，>10萬cm3，對應等級分別為小、中、大、極大規模。表3為各溝坡系統在植被覆蓋和裸地情況下在不同等級規模內發生的重力侵蝕總量。計算各組裸地溝坡中發生小、中、大、極大侵蝕規模的重力侵蝕總量的平均值分別為0.57萬，4.77萬，13.18萬，20.12萬cm3，而相應的植被覆蓋溝坡為0.89萬，4.76萬，16.56萬，10.50萬cm3，可見植被覆蓋顯著降低了溝坡在極大規模等級內重力侵蝕的崩滑量。此外，溝緣線有植被的Ⅱ-p，Ⅴ-p比相應與Ⅲ-p，Ⅵ-p，發生的極大、大規模重力侵蝕量要多。

表3 不同下墊面中不同等級規模內發生重力侵蝕總量 萬cm3

為了進一步研究植被對重力侵蝕規模分布影響的變化規律，并且使對比更加精確，僅使用混合模型中裸地溝坡共發生的111次重力侵蝕和植被覆蓋溝坡中共發生的107次重力侵蝕，分別計算不同溝坡系統中重力侵蝕規模的概率密度(圖3)。其中圖3A表示重力侵蝕體積分布的累積頻率，圖3B為概率密度增長最快區域不同重力侵蝕體積分布展示圖。由圖3B可知，裸地溝坡和植被覆蓋溝坡中重力侵蝕的發生頻率隨著規模的增大而減小。當單個崩滑體體積<0.25萬cm3時，植被覆蓋溝坡中發生重力侵蝕累積頻率已經達到了0.72，而裸地溝坡則僅為0.65。相比而言，在本試驗條件下，植被覆蓋降低了極大規模重力侵蝕的發生頻率，增加了小規模重力侵蝕的發生。圖4代表連翹、棣棠兩種植被覆蓋溝坡重力侵蝕發生情況，圖4A中，在10萬cm3規模處，棣棠累計發生頻率已達到1，而連翹為0.97。圖4B中在單個崩滑體積<0.25萬cm3時，棣棠覆蓋溝坡的累積頻率達到了0.77，而連翹覆蓋溝坡僅為0.63。由此可見，棣棠覆蓋溝坡在小規模重力侵蝕發生頻率要高于連翹覆蓋溝坡，而大規模侵蝕發生頻率上要低于連翹覆蓋溝坡。

圖3 裸地溝坡模型和植被覆蓋溝坡模型中發生不同規模重力侵蝕的概率分布

圖4 不同植被覆蓋溝坡模型發生不同規模重力侵蝕的概率分布

2.3 植被作用下的重力侵蝕速率的發展

為研究植被對重力侵蝕發展的影響，分別對裸地溝坡、植被覆蓋溝坡中不同下墊面的重力侵蝕速率變化進行統計。并對發生重力侵蝕時地表以下15 cm的土壤含水率數據進行統計。由于Ⅴ組降雨中水分儀出現故障，所以該組的含水率數據沒有記列。通過瞬時重力侵蝕速率得到每組重力侵蝕的最大重力侵蝕速率，見表4。其中Ⅱ-p，Ⅴ-p中最大重力侵蝕速率約是Ⅱ-b，Ⅴ-b的3倍和15倍。而Ⅲ-b，Ⅵ-b中最大重力侵蝕速率是Ⅲ-p，Ⅵ-p的16倍和13倍。組間的對比中，Ⅰ的最大重力侵蝕速率為711.29 cm3/(m2·s)，約是Ⅳ組的3倍，但是卻是Ⅶ組的1/2。可見，在暴雨情況下的某些時刻，植被可能會加快重力侵蝕的發展。通過計算各組的平均重力侵蝕速率可知，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅰ中的裸地溝坡模型的平均侵蝕速率分別為6.48，4.56，4.37，5.48，4.64 cm3/(m2·s)，平均值為5.11 cm3/(m2·s)。而相應植被覆蓋溝坡模型為5.91，3.21，3.52，3.97，4.27，3.94 cm3/(m2·s)，平均值為4.13 cm3/(m2·s)。在各組比較中，裸地溝坡中的平均重力侵蝕速率均要高于相應的植被覆蓋溝坡。也就是說，在一組試驗經過了5場累積300 min的降雨后，植被降低了平均重力侵蝕速率，減緩了重力侵蝕的發展。

表4 不同下墊面重力侵蝕速率

連翹覆蓋溝坡的最大侵蝕速率為579.84 cm3/(m2·s)，略低于棣棠覆蓋溝坡。但是平均侵蝕速率為4.46 cm3/(m2·s)，要高于棣棠覆蓋的溝坡。總的來說，連翹覆蓋溝坡的侵蝕發生發展要比棣棠組更快一些。此外，溝緣線附近有植被的Ⅱ-p，Ⅴ-p中的瞬時最大重力侵蝕速率分別是相應位置無植被覆蓋的Ⅲ-p，Ⅵ-p組的41.8，1.6倍。計算平均值可知，溝緣線附近有植被覆蓋溝坡模型的最大重力侵蝕速率、平均重力侵蝕速率分別是該位置上無植被覆蓋溝坡模型的7.6，1.3倍。可見在強降雨條件下，布置在溝緣線附近的植被無論在長期和短期對重力侵蝕發展均可能有一定的促進作用。

3 討 論

在黃土高塬溝壑區的調查中發現，該區2015年平均林草覆蓋率56.17%[18]。該區在生態建設下，植被覆蓋已經有了很大的提高，但植被覆蓋率偏低的地區仍存在。如在對陜西某縣的1997—2016年植被覆蓋度比例面積比例統計發現，1997年植被覆蓋0～40%的面積比例占到53%，到了2016年雖然有所下降，但仍有36%左右[19]。本模型主要模擬的是溝坡系統靠近溝緣線的一部分，所以在這部分的植被覆蓋度整體較小。而且植被對重力侵蝕的影響復雜，是植被冠層、根系對土壤水文、機械綜合作用的結果。在某些情況下，當大量的高強度降雨直接落在土壤表面并超過水滲入土壤的速度時，灌木可以起到屏障的作用。在降雨事件初期，植物冠層上的臨時降雨儲存會減弱降雨強度[20-21]，從而起到延緩雨水進入土壤的時間。植被根系對土壤進行機械加固，有助于山坡的穩定性。在相同的含水量條件下，根土復合提供的加固強度比單獨的土壤大得多。對每組重力侵蝕發生時緩坡面下15 cm的含水率進行統計(表4)。除了Ⅲ中重力侵蝕發生時植被側的平均含水率要低于裸地側以外，其余各組植被覆蓋溝坡中重力侵蝕發生時的平均含水率都要高于相應的裸地溝坡。所以在有植被存在時，發生重力侵蝕需要更高的土壤含水率，這種情況在植被覆蓋率高的組別下表現更加明顯。

對比不同植被的作用，連翹的RAR系數要高于棣棠，其抗剪強度也較高。所以發生崩滑需要更大的下滑力，并且連翹的覆蓋要高于棣棠，所以與棣棠覆蓋溝坡相比，連翹覆蓋溝坡發生重力侵蝕要滯后。此外，兩種植被對土壤含水率的影響也不同，圖5為在初始含水率相同的情況下兩種植被覆蓋溝坡中地表以下15 cm處土壤含水率隨時間的變化情況。連翹覆蓋溝坡的含水率在第19 min時開始上升，比棣棠覆蓋溝坡的早8.5 min。由表2可知，連翹在各個徑級均有根系分布，并且平均徑級要大于棣棠組，所以根系的滲透速度要比棣棠快。黃土的水敏性使得其抗剪強度隨著土壤含水率的升高急劇下降[22]，所以在降雨后期，即使有根系的存在，但是根土復合體提供的抗滑力也會減小，再加上之前積攢的能量，連翹覆蓋溝坡更容易發生大規模的重力侵蝕。這可能也是在本試驗條件下，連翹覆蓋溝坡的重力侵蝕比棣棠覆蓋溝坡更為嚴重的原因。由此可見，恢復初期灌木的固土作用對溝坡的穩定性作用的貢獻不大。本試驗也表現了植被種植初期時的狀態，這與以往種植初期灌叢對邊坡穩定性影響小的結論是一致的[23]。所以在植被種植初期，溝坡上的植被要選擇根莖較小的植被以防過高的水分滲透，或與其他工程措施聯合配置，以發揮溝坡穩定的最大效益。

圖5 不同植被覆蓋地表下15 cm處含水率隨時間變化

在本試驗中還發現大規模的重力侵蝕雖然發生頻率小，但是侵蝕量卻很高。在調查中也發現大規模重力侵蝕在確定一個地區的重力侵蝕總量上有重要性的地位，一旦大規模侵蝕發生，對重力侵蝕量的貢獻會很大[24-25]。本試驗中，在暴雨條件下，植被存在并沒有顯著減少重力侵蝕發生次數，植被僅降低重力侵蝕的侵蝕規模總量，但卻增加了小型重力侵蝕規模的發生頻率。有研究表明植被的根系形成的孔隙流可能使得水從表面快速轉移到潛在滑移面，導致破壞面的孔隙壓力增加，從而增加了破壞的風險[26]。這也是植被沒有降低重力侵蝕發生次數的重要原因。此外，植被增加中小重力侵蝕規模分布其實在一定程度上增加了土壤的破碎程度，黃土的易侵蝕性使得當降雨來臨時可能會更容易形成高含沙水流，高含沙水流會造成高強度的坡面與溝道侵蝕[27]，進一步促進小型重力侵蝕的發生。

在本試驗中發現，暴雨初期，植被由于延緩重力侵蝕發生而積攢了發生重力侵蝕的能量，而隨著暴雨的持續，溝坡上的植被的根土復合起不到作用時，溝坡上的植被會帶著大量的土壤滑落到溝坡底部，此時溝坡上會發生大規模的崩滑，增加了瞬時重力侵蝕速率。這可能也是本試驗中的某些組最大侵蝕速率出現在植被覆蓋溝坡模型中的原因。對黃土高原延河流域的野外調查發現，植被覆蓋率較高的南部小流域的侵蝕要大于植被覆蓋率相對較低的北部小流域[28]。在某次暴雨后植被覆蓋率較好的地區，重力侵蝕更加嚴重[29]。在本試驗中經歷長序列的降雨時間5場降雨情況下，植被的存在還是會使得平均重力侵蝕速率降低的。對黃土高原較大流域長時間的監測中發現，重力侵蝕總量與植被覆蓋度有較好的負相關關系[6]。可見植被對重力侵蝕速率的影響與統計的范圍和時間有關。在對世界其他流域進行統計時發現，當退耕還林的開始階段，重力侵蝕是在增加的，40 a之后這種趨勢停止[26]。所以當計算侵蝕速率時，在短時間內，植被影響下重力侵蝕速率可能會增加，但以40 a或者更長時間為統計時間段，植被可能就會降低重力侵蝕速率。換句話說，在暴雨條件下，由于統計時空范圍的差異，植被對重力侵蝕的短期和長期發展可能會起到不同的效應，造成不同的結果。

在本試驗中，植被覆蓋率的增加與重力侵蝕在規模和強度上沒有一定的線性關系。與植被覆蓋率相比，植被布局是影響重力侵蝕的更重要的因素。溝緣線附近的植被布置可能會對重力侵蝕有一定促進作用。溝緣線附近有植被的兩組與對應無植被的兩組相比，次降雨重力侵蝕總量和重力侵蝕平均速率均有增加。一般來說溝緣線附近是很少種植植被的，因為在該位置的植被根系很容易形成水流通道，導致邊坡失穩，造成水土流失[30]。而且溝坡上部植被的自重影響要大于坡腳的位置，也會促進重力侵蝕的發生[31]。而且有試驗表明，將植被布設在緩坡面的中下部而不是緩坡的下部，既可以有效減緩坡面水力侵蝕強度，還能夠有效抑制減緩徑流流速，降低對坡面下部和溝道范圍的侵蝕[31]。所以在布設植被時，考慮到植被對水力侵蝕和重力侵蝕控制的雙重功效，要將植被布設在距離溝緣線有一定距離的地方才能達到更好地防止溝坡侵蝕的效果。

4 結 論

(1)在同樣降雨條件下溝坡模型上的植被對重力侵蝕發生在時間上有一定的延后作用。裸地溝坡和植被覆蓋溝坡第一次發生重力侵蝕平均時間分別為30.6，35.1 min。

(2)在對應植被覆蓋溝坡模型和裸地模型對比中，植被降低了極大規模重力侵蝕的崩滑量，增加了小型重力侵蝕規模分布。侵蝕規模量級大，占總重力侵蝕比重大，次數少是兩種模型中重力侵蝕發生的共同特點。

(3)由于統計時間的差異，暴雨條件下植被對重力侵蝕發生速率影響結果會有所不同。在某一時間點可能會增加重力侵蝕速率。但5場降雨后，植被覆蓋溝坡和裸地溝坡侵蝕速率平均值分別為4.13，5.11 cm3/(m2·s)，植被的存在降低了重力侵蝕速率，減緩重力侵蝕發展。

(4)與溝緣線附近無植被的模型相比，在此處種植植被對重力侵蝕發生規模、發展速率均有促進作用。溝緣線附近有植被覆蓋的最大及平均重力侵蝕速率分別為無植被覆蓋的7.6，1.3倍。

(5)在溝坡進行植被恢復初期，選擇根莖較小的灌木，并配合以工程措施，防止水分通過根系滲入土壤而導致邊坡失穩，從而發生重力侵蝕。

本文是基于模型試驗得到的以上結論。鑒于植被在不同生長周期對土壤影響不同，并且黃土高原不同地區的暴雨特征有所區別，在暴雨條件與植被的耦合作用下，野外溝坡的植被布置對重力侵蝕的發生發展的長期影響如何，還需進一步研究。