植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動力學機理

孫佳美, 侯沛軒, 逄育波, 張禎堯, 李瀚之

(1.中國科學院 植物研究所 植被與環境變化國家重點實驗室, 北京 100093;2.河北省林業和草原工程項目中心, 河北 石家莊 050081; 3.呼倫貝爾市海拉爾區農牧局綜合保障中心, 內蒙古 呼倫貝爾 021008; 4.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 5.中國林業科學研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融或重力等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1-2]，水力侵蝕是最常見的一種侵蝕方式，徑流是水力侵蝕發生的主要動力，研究徑流的水動力學特性對于揭示侵蝕機制有重要意義[3]。國內外學者從20世紀60年代逐漸開始坡面徑流水動力學特性的研究[4]，但是由于坡面徑流特性受地形地貌、土壤特性、植被覆蓋條件、降雨強度等多種因素影響，侵蝕形式極為復雜，加重了徑流水動力學特性的研究難度，因此研究不同試驗條件下坡面侵蝕過程非常必要。已發表的研究通過室內模擬降雨[5]、天然降雨[6]和放水沖刷[7]試驗對坡面徑流水動力學特性進行了大量的研究，逐步由經驗性分析走向動力學特征為主的機理研究[8]。關于坡面徑流水動力學特征方面的研究首先是集中于徑流流態的判定，流態判定是評估徑流侵蝕力的主要因子，這是由于相對于層流，紊態徑流會對土壤表面產生更大的擾動，因此引起更強的土壤侵蝕[9]，而關于徑流流態的研究說明徑流不是簡單的可以歸類為層流或紊流，Horton[10]研究說明坡面徑流處于一種混合狀態，紊流與層流共存，Emmett等[1]研究表明坡面徑流為擾動流，具有紊流性質，也具有大部分層流性質，有別于明渠的層流、紊流和過渡流。國內專家姚文藝[11]、張光輝等[12]則將其視作“偽層流”。除了徑流流態，徑流的動力特征也是影響徑流侵蝕力的重要因子，主要是針對徑流剪切力、徑流功率等徑流動能的研究，最早的研究來自于Horton[10]，分析了徑流剪切力和坡面土壤侵蝕強度，Govers和Rauws[13]研究了徑流剪切力和水流功率對坡面徑流輸沙的影響，結果表明用水流剪切力和水流功率可以預測徑流挾沙能力。除了對徑流的動力研究，其阻力特性也是研究重點之一，主要是借助明渠水流阻力概念和對應的表達方法，包括Darcy-Weisbach阻力系數、Manning糙率系數和Chezy系數等，其中Darcy-Weisbach阻力系數應用最為廣泛，其值能夠反映坡面徑流在流動過程中受到的阻力大小，阻力系數越大，說明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小[14]。坡度、坡面粗糙度均對徑流阻力系數有影響[11]。植被覆蓋是一種重要的水土保持措施，具有顯著的增加徑流阻力、減緩并延滯徑流流速的作用[14]，從而起到減弱坡面徑流剪切力和功率的作用，降低土壤侵蝕程度。同時不同類型植被覆蓋對徑流的影響程度也不相同，會具有不同程度的水土保持作用。現有的關于植被覆蓋坡面徑流水動力學特性研究多研究均集中于黃土高原[2,15]，而褐土作為華北土石山區主要土壤類型，研究褐土坡面侵蝕機理，尤其是不同植被類型覆蓋條件下土壤侵蝕水動力學機理對于華北土石山區水土流失防治與植被恢復具有重要意義[16]。因此，本文在已有研究基礎上，采用人工模擬降雨的方法，對油松、側柏、栓皮櫟和酸棗覆蓋坡面的產流和產沙過程進行了侵蝕過程水動力學特征研究，探究植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動力學機理，以期為揭示華北土石山區植被坡面侵蝕機理提供數據支撐。

1 試驗地概況與試驗裝置

本文中的試驗于2018年6—10月在北京林業大學鷲峰林場(40°04′ N, 116°06′ E)降雨大廳進行。區域多年平均溫度為9 ℃，生長季節為每年的5—10月，多年平均降水量600 mm，且70%～80%的年降水均發生在6—9月。該區域的土壤條件特殊，土層瘠薄，厚度在0.3～1 m之間，平均土層厚度0.5 m。土壤中含有較高的礫石含量，大于2 mm的礫石含量平均13.9%，最高的礫石含量達到30%[17]。

試驗采用了西安清遠測控技術有限公司自主設計研發的QYJY-503T降雨控制設備，共包含3個部分，分別為坡面部分、降雨部分和控制部分。坡面部分長2 m，寬0.5 m，深0.4 m，坡面底部有均勻分布的透水孔，用于坡面土壤水分入滲，坡面設計了坡度調節裝置可以自由的設置坡度。該降雨裝置采用全自動電腦控制系統，可以調節降雨位置和降雨強度。設備的降雨部分由水窖、水泵和導水管組成。水窖用來儲存試驗用水，保證在最大降雨強度仍有充足的水供給。水泵將水窖中的水輸送到頂部經由降雨噴頭進行模擬降雨。降雨噴頭高度為12 m，能夠保證雨滴達到雨滴終速，更好地模擬實際降雨。經過實際的降雨均勻度校準，該降雨設備的降雨均勻度大于85%。在試驗操作過程中，在坡面周邊布設一定數量的雨量筒，對降雨進行實際監測與校正，確保實際降雨強度滿足試驗要求。

2 試驗方法與數據分析

2.1 試驗設置與方法

研究土壤選取華北土石山區常見土壤褐土，該土壤通常呈褐色，其顏色也會隨著土層深度而逐漸變淺。土壤來自試驗區域的自然土壤，試驗前過篩去除土壤中的雜物，然后自然風干到大約10%的含水量進行填土。自然狀態下該區域的容重約為1.3～1.4 g/cm3，填土時按照1.34 g/cm3的土壤容重進行計算分層填裝，每層10 cm。在填裝下1層前，將前1層土壤打毛，確保土壤接觸良好，不會發生土壤滑動現象。土壤填裝完成后，將土壤坡面放置3～6個月，促進土壤自然沉降，更好地模擬自然狀態。

試驗中的植物苗木來自區域中的油松(Pinustabuliformis)、側柏(Platycladusorientalis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)和酸棗(Ziziphusjujube)自然幼苗，選取長勢良好并相近的苗木移栽到室內土壤坡面上。在移栽苗木的同時，收集苗木生長環境的原狀枯落物，均勻的鋪設到土壤坡面表面。各個植被類型的平均生長狀況詳見表1。表中的葉面積指數(LAI)采用LAI-2200植被蓋度分析儀(LI-COR生物科學，林肯郡，內華達州，美國)。試驗中設置3個降雨強度，分別為30，60和90 mm/h。設置空白坡面進行對照。在每次試驗結束后，將土壤坡面放置1個月，使其土壤表面恢復后進行下一次試驗。

每場降雨歷時從徑流開始計時60 min。降雨全程收集坡面產生的徑流和泥沙樣品，在降雨初期的10 min，由于徑流變化較大，因此每2 min收集一次徑流樣品，收集2 min內坡面產生的所有徑流樣品。隨后的50 min，徑流相對穩定，每5 min收集1次徑流樣品，收集5 min內的所有徑流樣品。降雨結束后，使用量筒測量各徑流樣品的體積，隨后，將徑流樣品放置到烘箱，105 ℃恒溫烘干24 h后得到產沙量干重。徑流流速采用染色劑示蹤法進行測量，使用高錳酸鉀作為染色劑，記錄染色劑流經1 m距離所需時間，從而得出徑流流速。徑流流速每5 min測量1次，每次在5個平行的位置分別測量，以其平均值作為徑流表層流速。

表1 試驗坡面植被生長狀況

2.2 數據分析

徑流平均流速計算公式[18]為：

V=kVm

(1)

式中：Vm為平均徑流速度(cm/s)；V為徑流表層速度(cm/s)；k為修正系數，當流態為層流時，k=0.67，當流態為過渡流時，k=0.7，當流態為紊流時，k=0.8[18]。

徑流深計算公式[19]為：

(2)

式中：h為平均水深(mm)；Q是t時間的徑流量(m3)；u是徑流平均流速(m/s)；B是過水斷面寬度(m)；t是采樣時間(s)。

徑流雷諾數和弗勞德數計算公式[14,20]為：

(3)

(4)

式中：v為水運動黏滯力系數(m2/s)，v=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2)，t為水溫(℃)；R為水力半徑(m)；h為徑流深度(m)。

Darcy-Weisbach阻力系數計算公式[20]為：

(5)

式中：J為水力坡度(m/m)；V為徑流速度(m/s)；R為水力半徑(m)。

徑流剪切力計算公式[20]為：

τ=γRJ

(6)

式中：τ為徑流剪切力(Pa)；γ為水流重度(N/m)。

徑流功率計算公式[20]為：

ω=τV

(7)

式中：ω為徑流功率〔N/(m·s)〕。

單位徑流功率計算公式[20]為：

(8)

式中：J為水力坡度(m/m)；P為徑流功率(m/s)。

2.3 數據統計分析

本研究中所有統計均在SPSS 17.0軟件(芝加哥，伊利諾伊州，美國)環境中進行分析。研究結果列出的數據為平均值以及其標準差。降雨強度、植被類型等試驗條件對試驗結果的顯著性分析采用ANOVA方差分析，置信區間在95%水平。

3 結果與討論

3.1 植被對坡面產流與產沙量的影響

各試驗植被坡面在不同降雨條件下坡面總產流量和總產沙量結果見下詳見表2。由表2的結果對比可以看出，降雨強度對坡面總產流量和產沙量有顯著影響，隨著降雨強度的增大，坡面的總產流量和總產沙量均有顯著的增加(單向方差分析，顯著性水平為0.05)。植被類型對坡面總產流量和總產沙量也有顯著的影響(單項方差分析，顯著性水平為0.05)，同時雙向方差分析顯示兩個因素對總產流和產沙量具有交互作用，在兩個因素的共同作用下，總產沙量在降雨強度為90 mm/h條件下，栓皮櫟坡面最高達到2 591.87±14.19 g。本研究中的6個植被類型中，側柏坡面的產流量最大，隨著降雨強度從30增大到90 mm/h，其坡面總產流量從17.12 L增大到97.10 L，平均總產流量為56.85 L。而產沙量最高的則是栓皮櫟坡面，平均產沙量高達1 189.15 g，隨著降雨強度從30增大到90 mm/h，其總產沙量從208.48 g增大到2 591.87 g。

3.2 植被坡面土壤侵蝕的水動力學機制

各植被覆蓋坡面的水動力學特性因子詳見表3。由表3可知，植被類型和降雨強度均是影響坡面徑流流速的重要因子(雙向方差分析，顯著性水平為0.05)。各植被覆蓋坡面徑流流速范圍在0.803±0.213至4.276±0.430，同時隨著降雨強度的增大，覆蓋坡面的徑流流速顯著增大，降雨強度對各植被覆蓋坡面的徑流流速影響顯著(單向方差分析，顯著性水平為0.05)。4種覆蓋類型中，栓皮櫟覆蓋坡面徑流流速最快，平均流速為2.930 m/min，流速最慢的為酸棗覆蓋坡面，平均流速為1.516 m/min。植被覆蓋坡面徑流雷諾數和弗勞德數范圍分別為7.271～62.630，0.177～0.900，徑流雷諾數與弗勞德數均隨著降雨強度的增大而增大。植被覆蓋坡面徑流阻力系數隨降雨強度的增大而減小，范圍為2.858至73.418，隨降雨強度的增大而減小，這是因為降雨強度增大了坡面徑流流速，增大了水深，使阻力系數顯著減小[12]。坡面徑流剪切力在各植被影響下范圍為0.829～3.394，徑流功率范圍為0.017～0.131，單位徑流功率范圍為0.005～0.019，均隨著降雨強度的增大而增大。

表2 植被覆蓋坡面總產流量和總產沙量

表3 植被覆蓋坡面徑流水動力學特征

3.2.1 坡面徑流剪切力對土壤侵蝕的影響 坡面土壤侵蝕是土壤顆粒在徑流剪切力以及土壤顆粒本身的重力共同作用下發生位移，沿著坡面運移的過程，徑流剪切力能夠打破土壤顆粒之間的黏結力，分離土壤顆粒從而為土壤侵蝕提供物質來源[17]。因此徑流剪切力越大時，能剝離更多的土壤顆粒，從而增大侵蝕程度。徑流剪切力與土壤侵蝕產沙有顯著的相關關系，因此本研究對徑流剪切力與坡面產沙率進行了相關分析，結果顯示坡面徑流剪切力與產沙率呈現良好的線性相關關系，結果如圖1所示。在相關方程中，當剪切力太小時，土壤顆粒的黏結程度較強，土壤結構不易受破壞，不發生土壤顆粒運移，當徑流剪切力增大后，徑流剪切力大于其本身結構黏結強度，能夠發生土壤侵蝕。

圖1 不同試驗條件下植被覆蓋坡面徑流剪切力與產沙率的相關關系

3.2.2 徑流功率對土壤侵蝕的影響 徑流作用于土壤顆粒發生運移的過程也是徑流耗能的過程，因此引入徑流功率來評價徑流對土壤顆粒的搬運能力[2]。徑流功率越大，則其所蘊含的勢能越大，則其能夠侵蝕更多的土壤。因此本研究對各植被坡面產沙率與徑流功率的相關性進行了研究，相關結果如圖2所示，由圖2可以看出，坡面徑流功率與產沙率呈現較好的線性相關關系。

3.3 討 論

土壤侵蝕的物理原理為徑流搬運泥沙的耗能做功過程，因此徑流所蘊含的能量對土壤團粒分散、泥沙顆粒輸移有物理作用[21]，因此徑流功率是評估侵蝕量的重要因素，徑流功率可以作為描述徑流做功快慢的物理量，因此其值與徑流對土壤顆粒的作用密切相關[22]。

在功率理論基礎上，Yang[21]提出了單位水流功率計算公式，其定義為流速與坡降的乘積，即在長度為x，總落差為y的明渠上，單位重量的水體具備的用于輸送水和泥沙的能量率。該公式量綱簡單，計算簡便，能夠描述徑流的功率特性，但是單位徑流功率理論在土壤侵蝕研究中的應用實踐不足，Moor和Burch[23]在1986年首次采用單位徑流功率來計算侵蝕率；崔文濱等[24]闡述了徑流功率理論在黃土坡面侵蝕產沙計算中的應用；肖培青等[8]使用單位徑流功率預測苜蓿草地的產沙率，其結果均證明單位徑流功率與徑流功率能夠很好地預測產沙率。植被的存在能夠減緩徑流流速，降低徑流功率，引起徑流輸移泥沙和徑流剪切土壤的能力下降[25]。在實際應用中，由于剪切力的計算過程反映的為剪切力在坡面的平均分布狀況，但是實際侵蝕過程并非均勻分布在坡面，植被以及坡面粗糙程度均會造成徑流的水深不一，因此徑流深的點剪切力較大，使剪切力呈點狀分布[26]。而徑流功率理論能夠消除這一誤差，其描述的為徑流的初始與終結狀態的坡面距離，通過計算坡面徑流在坡面頂端和坡面底端的能量差值，從而得到由于侵蝕而消耗的能量[22]。

圖2 不同試驗條件下植被覆蓋坡面徑流功率與產沙率相關關系

坡面侵蝕與徑流形態密切相關，徑流沖刷會引起坡面形態改變，反之形態變化會影響徑流形態以及侵蝕程度，因此二者相互影響，密不可分。描述坡面徑流水動力學特性的要素主要有：雷諾數、弗勞德數、阻力系數、徑流功率、徑流深等，這些要素是描述徑流特性的重要因素，也是深入了解坡面侵蝕過程以及侵蝕規律的重要途徑。本研究采用弗勞德數作為流態表征因子，來探究徑流功率與徑流流態的相互關系，徑流功率的增大會引起徑流流態逐漸由層流過渡到紊流，這是由于坡面徑流在從坡上向坡下流動過程中，其做功主體勢能逐漸轉變為徑流動能，因此流速會逐漸增大[27]，同時坡面的粗糙特性也會作用于徑流，增大徑流流體內部紊動程度，從而改變徑流流態[25]。侵蝕過程中，土壤表面顆粒的表土團聚體的崩解、分散等水土間相互作用，改變了土壤表面結構，也會加深坡面粗糙程度，從而加深徑流流態的變化[28]。

本研究中植被覆蓋坡面隨著徑流雷諾數的增大，坡面徑流的阻力系數逐漸減小。徑流阻力系數與徑流雷諾數的相關關系較為復雜，已發表研究中二者的關系多樣，不同坡度等試驗條件均會影響二者的相互關系。鄭良勇等[29]研究表明阻力系數與雷諾數呈現指數相關關系，其結果也說明坡度是影響相互關系的主要原因，當坡度在15°～30°時，二者存在正相關關系，與鄭良勇等研究結果相似，而坡度減小后，二者則呈負相關關系，本研究的坡度為10°，二者為負相關對數關系，與張科利[4]的研究結果相似。以上研究結果顯示，徑流阻力系數與雷諾數關系復雜，尚無定論，既有可能是正相關，也有可能是負相關關系。雷諾數與阻力系數的相關關系存在臨界坡度，在緩坡下二者呈負相關，陡坡下呈正相關，臨界值約在10°～12°間。除了坡度影響外，二者關系也受土壤粒徑組成和結構影響，這是由于隨著雷諾數的增大，徑流會在坡面底部土壤顆粒的作用形成較小的漩渦，從而減小土壤顆粒的阻滯力。

4 結 論

本研究通過人工模擬降雨的試驗方法，模擬了油松、側柏、栓皮櫟、酸棗4種植被覆蓋坡面的侵蝕過程以及徑流的水動力學特性。4種植被覆被均能有效地減少徑流的產生，減弱徑流的輸沙能力，從而減少坡面土壤侵蝕量，發揮良好的水土保持作用。側柏坡面的產流量最大，平均總產流量為56.85 L。而產沙量最高的則是栓皮櫟坡面，平均產沙量高達1 189.15 g。各植被覆蓋坡面徑流流速范圍在0.803±0.213至4.276±0.430，栓皮櫟覆蓋坡面徑流流速最快，平均流速為2.930 m/min，流速最慢的為酸棗覆蓋坡面，平均流速為1.516 m/min。植被覆蓋坡面徑流雷諾數和弗勞德數范圍分別為7.271～62.630，0.177～0.900，徑流雷諾數與弗勞德數均隨著降雨強度的增大而增大。坡面徑流剪切力在各植被影響下范圍為0.829～3.394，徑流功率范圍為0.017～0.131，均隨著降雨強度的增大而增大。研究結果對植被覆蓋坡面徑流水動力學的探究和土壤侵蝕過程模型的建立具有重要的理論和實踐意義。