植被類(lèi)型對(duì)河岸帶坡面流水動(dòng)力特性的影響

梁瀟瑜, 信忠保, 夏曉平

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

河岸帶具有調(diào)節(jié)徑流、凈化環(huán)境、提供生物棲息地等功能，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的維持起重要作用[1-2]。近年來(lái)，受自然因素和人為頻繁干擾的影響，河岸帶的生態(tài)功能退化。植被覆蓋可以提高土壤的抗侵蝕能力，并且在攔截徑流和穩(wěn)定岸坡方面具有非常重要的作用[3-4]。一方面植被覆蓋增加了水流阻力，可減少?gòu)搅鳑_刷；另一方面植物根系固持土壤，增強(qiáng)了土壤抗蝕性，從而減少水土流失[5-6]。坡面流是侵蝕的主要?jiǎng)恿Γ芯亢影稁旅媪魉畡?dòng)力學(xué)特性有助于了解坡面侵蝕的機(jī)制。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于坡面流水力學(xué)特征做了大量研究[7-10]。袁和第等[11]通過(guò)人工模擬降雨得出長(zhǎng)時(shí)間降雨與徑流流速、水力學(xué)參數(shù)關(guān)系顯著。曾榮昌等[12]通過(guò)室內(nèi)放水沖刷模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)坡度、沖刷流量、巖石與坡面夾角共同影響地表集中流的水力學(xué)特性。吉靜怡等[13]通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)，研究生物結(jié)皮分布格局是影響水動(dòng)力學(xué)特征的重要因素。薛夢(mèng)華等[14]通過(guò)室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不同草被格局影響坡面流的水力學(xué)特性。已有的研究主要是在室內(nèi)水槽模擬或者野外人工植被覆蓋條件下的試驗(yàn)，河岸帶具有陡峭、坡短、易遭受侵蝕、干擾因素多的特點(diǎn)，對(duì)河岸帶坡面侵蝕的研究非常必要。但是目前對(duì)于河岸帶邊坡自然植被類(lèi)型下的水動(dòng)力學(xué)特性了解知之甚少。

本研究通過(guò)野外設(shè)置簡(jiǎn)易徑流小區(qū)放水試驗(yàn)，分析河岸帶不同原生植被類(lèi)型、不同流量下的坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，探討河岸帶邊坡自然植被在上方來(lái)水情況下水動(dòng)力學(xué)特征，為河岸帶植被攔截徑流泥沙提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)為河岸帶植被生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于北京市懷柔區(qū)西南部(東經(jīng)116°19′54.3″—116°34′3.5″，北緯 40°18′59.5″—40°26′51.6″)。研究區(qū)氣候類(lèi)型屬于大陸性季風(fēng)氣候，氣溫差較大，年最高氣溫38℃，最低氣溫-18℃。懷九河是北京山區(qū)的典型河流，長(zhǎng)達(dá)37.4 km，海拔約65～320 m。上游部分河岸多靠丘陵臺(tái)地，下游部分以地勢(shì)低的小洪積扇群組成。河岸坡面的土壤類(lèi)型主要為砂壤土，平均土壤粒徑組成主要為：黏粒(<0.002 mm)為3.9%±0.67%，粉粒為(0.002～0.05 mm)55.55%±4.6%，砂粒為(0.05～2 mm)40.55%±5.26%，土壤容重為(1.22±0.03) g/cm3，平均土壤層厚度<20 cm[15]。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)

本試驗(yàn)于2017年6月在懷九河流域中游覆蓋有不同植被類(lèi)型且受人為干擾活動(dòng)較小的河岸邊坡上進(jìn)行，自然坡面坡度較為均勻，約為30.7±0.67°。邊坡坡長(zhǎng)4 m，寬0.5 m，在邊坡上設(shè)置簡(jiǎn)易徑流小區(qū)進(jìn)行野外邊坡放水沖刷試驗(yàn)。本研究以不同坡面植被類(lèi)型作為試驗(yàn)對(duì)象，裸地作對(duì)照，研究不同坡面類(lèi)型下的坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化過(guò)程。分別選取裸地、荊條(Vitexnegundovar. heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、狗牙根(Cynodondactylon)、荊條+茵陳蒿(灌草)共6種簡(jiǎn)易徑流小區(qū)，基本特征見(jiàn)表1。

表1 徑流小區(qū)基本特征

放水試驗(yàn)裝置由供水桶、穩(wěn)壓桶、溢流槽、集流槽組成，水流由供水桶提供并流經(jīng)穩(wěn)壓桶穩(wěn)定水壓，保證在試驗(yàn)過(guò)程中出水口出水流量相同。簡(jiǎn)易徑流小區(qū)兩側(cè)利用PVC擋板(1.5 m × 0.2 m)隔開(kāi)，集流槽主要收集上方來(lái)水來(lái)沙。本試驗(yàn)采用定水頭方法來(lái)控制放水流量，調(diào)整后的水流經(jīng)過(guò)溢流槽使之平穩(wěn)的流入徑流小區(qū)，自簡(jiǎn)易徑流小區(qū)上方每隔1 m設(shè)置一個(gè)斷面，共坡上、坡中、坡下3個(gè)斷面用以測(cè)量徑流流速。

試驗(yàn)前對(duì)簡(jiǎn)易徑流小區(qū)坡面均勻?yàn)⑺疗旅嫱寥篮匡柡停苊馇捌谄旅婧康牟煌鴮?dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤差。試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整出水流量后進(jìn)行放水試驗(yàn)，待流速均勻穩(wěn)定后每隔2 min利用高錳酸鉀染色劑滴定法測(cè)定坡上、坡中、坡下的徑流流速，求其平均值。染色法測(cè)定的流速為表面流速，相對(duì)于平均流速偏大需乘以修正系數(shù)0.75，作為水流斷面平均流速[16]。本試驗(yàn)放水流量考慮北京土石山區(qū)所能達(dá)到的最大峰值雨強(qiáng)為120 mm/h，通過(guò)試驗(yàn)小區(qū)上所產(chǎn)生的單寬流量計(jì)算得到3種設(shè)計(jì)流量(4 L/min，6 L/min和8 L/min)。每種流量條件下放水時(shí)間共計(jì)31 min，在試驗(yàn)前5 min每隔1 min收集一次坡面徑流泥沙混合樣，5 min后每隔2 min收集一次，共計(jì)18個(gè)徑流泥沙樣。

1.3 水力參數(shù)計(jì)算

由于坡面流極薄，實(shí)測(cè)的水流深數(shù)值與實(shí)際情況相比誤差較大，所以假定坡面薄層水流均勻分布的前提下，徑流深(h)計(jì)算公式如下：

式中:Q為徑流量(m3);t為取樣時(shí)間(s);V為斷面平均流速(m/s);B為有效過(guò)流寬度(m),本研究取坡寬0.5 m。

文中涉及的雷諾數(shù)(Re)、弗勞德數(shù)(Fr)、Darcy-weisbach阻力系數(shù)(f)、曼寧糙率系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中:v為水運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)(m2/s);t為水溫(℃)；g為重力加速度,取值為9.8 m/s2;J為水力坡度,J=sinθ,θ為簡(jiǎn)易徑流小區(qū)坡度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 23.0和Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。采用SPSS 23.0軟件的單因素方差分析 (ANOVA)。在0.05水平上確定顯著差異，最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較以區(qū)分其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面流流速特征

不同坡面類(lèi)型的平均徑流流速有顯著差異，裸坡坡面的平均流速〔(0.276±0.065) m/s〕顯著高于其他植被類(lèi)型，狗牙根坡面的平均流速〔(0.078±0.012) m/s〕顯著低于其他坡面類(lèi)型(p<0.05)。植被覆蓋有明顯的阻流作用，增加水流的能量損失，導(dǎo)致徑流流速減小。無(wú)論是否有植被覆蓋，所有坡面類(lèi)型的平均徑流流速均隨著來(lái)水流量的增加顯著增加(表2)(p<0.05)。當(dāng)放水流量為4 L/min時(shí)，狗牙根坡面平均徑流流速〔(0.061±0.004) m/s〕最小，且顯著低于其他植被類(lèi)型，約為裸坡平均徑流流速〔(0.198±0.024) m/s〕的0.308倍。各植被類(lèi)型坡面平均徑流流速均顯著低于裸坡平均徑流流速(p<0.05)。當(dāng)放水流量為8 L/min時(shí)，荊條坡面的平均徑流流速增速最大，達(dá)到76.92%，荊條的阻流速率大大降低。而灌草坡面的平均徑流流速增速最緩，僅為13.58%，灌草坡面表現(xiàn)出相對(duì)較小的變化。對(duì)于狗牙根來(lái)說(shuō)，當(dāng)來(lái)水流量從4 L/min增加到6 L/min時(shí)，平均徑流流速增加了39.3%，而當(dāng)來(lái)水流量從6 L/min增加到8 L/min時(shí)，平均徑流流速增加僅為0.32%，表明狗牙根起到了很好的減流效益。

表2 不同坡面類(lèi)型徑流流速特征 m/s

由于裸地坡面土壤松散，徑流流速始終高于其他植被類(lèi)型坡面徑流流速，并且隨著時(shí)間的增加有增加趨勢(shì)(圖1)。隨著沖刷時(shí)間的增加，加劇了裸坡土壤侵蝕，由面蝕向細(xì)溝侵蝕轉(zhuǎn)變，在溝內(nèi)形成股流，導(dǎo)致徑流流速隨時(shí)間出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。灌草、荊條坡面徑流流速隨時(shí)間也有增加趨勢(shì)，試驗(yàn)期間平均徑流流速分別增加了30.4%和39.8%(圖1)。狗牙根的徑流流速始終低于其他坡面類(lèi)型，且隨時(shí)間變化范圍最小(0.075～0.081 m/s)，徑流流速十分穩(wěn)定。這是由于草本植物土壤表層高密度根系分布的影響，增加的地表糙率分散了坡面徑流，抑制了侵蝕的發(fā)展，細(xì)溝并不能完全發(fā)育。對(duì)于薄層水流，草本植物能很好的起到阻流作用，徑流流速變化的幅度相對(duì)較小。茵陳蒿(0.168～0.180 m/s)也發(fā)現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的徑流流速。

2.2 坡面流流型流態(tài)

水流流型流態(tài)是表征坡面薄層水流水力學(xué)特性的重要參數(shù)。坡面徑流的水力學(xué)參數(shù)隨上方來(lái)水流量和坡面類(lèi)型表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。根據(jù)明渠均勻流的基本理論，計(jì)算雷諾數(shù)(Re)來(lái)判別水流流型，當(dāng)500≤Re≤5 000時(shí)，坡面流屬于過(guò)渡流；Re<500則屬于層流；Re>5 000時(shí)屬于紊流。

整體來(lái)看，河岸帶邊坡對(duì)徑流的黏滯作用較為明顯，雷諾數(shù)變化范圍為11.21～172.96，水流流態(tài)始終為層流(表3)。相同流量的情況下，雷諾數(shù)越大，坡面流的紊動(dòng)性也越強(qiáng)。裸坡的雷諾數(shù)(128.53)顯著高于其他坡面類(lèi)型，狗牙根坡面的雷諾數(shù)(47.70)顯著低于其他坡面類(lèi)型(表3)(p<0.05)。隨著上方來(lái)水流量的增加，所有坡面類(lèi)型的雷諾數(shù)是顯著增加的(p<0.05)(表4)，說(shuō)明來(lái)水流量的大小相對(duì)于植被類(lèi)型對(duì)坡面流的影響更大。

圖1 徑流流速平均變化規(guī)律

表3 不同坡面類(lèi)型水力學(xué)參數(shù)

各坡地類(lèi)型在不同來(lái)水流量條件下雷諾數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。不同坡地類(lèi)型條件在前10 min快速增長(zhǎng)，然后趨于穩(wěn)定。在坡面流開(kāi)始的時(shí)候，坡面較為平整，雷諾數(shù)隨之增加。隨著坡面流開(kāi)始產(chǎn)沙，坡面受到的阻力變大，裸坡的雷諾數(shù)也趨于穩(wěn)定。而對(duì)于不同植被類(lèi)型坡面，水流穿過(guò)植被迎水面時(shí)，由于植被特性和根系分布不同，阻隔形成不同高度壅浪和尾渦，坡面流逐漸穩(wěn)定。當(dāng)流量為4 L/min時(shí)，狗牙根的雷諾數(shù)整體上呈穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明低流量條件下，狗牙根起到了很好的阻流作用。

通過(guò)計(jì)算弗勞德數(shù)(Fr)來(lái)判別水流流型流態(tài)。一般明渠水流有3種流態(tài)，即緩流、臨界流和急流。當(dāng) Fr<1，水流為緩流；如果 Fr>1，水流為急流，F(xiàn)r=1時(shí)為臨界流。根據(jù)徑流流型的判斷標(biāo)準(zhǔn)，各坡面類(lèi)型的弗勞德數(shù)均大于1，表現(xiàn)為急流狀態(tài)。各坡地類(lèi)型在不同來(lái)水流量條件下弗勞德數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖3。除裸坡外，不同植被類(lèi)型的弗勞德數(shù)隨時(shí)間變化相對(duì)穩(wěn)定。植被覆蓋增加了坡面流阻力，流速的減小造成了弗勞德數(shù)減小。裸坡的弗勞德數(shù)(4.0)顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，侵蝕最嚴(yán)重。在坡面流產(chǎn)生初期，裸坡的弗勞德數(shù)減小幅度比較明顯，隨后才趨于穩(wěn)定。這是由于裸坡的初始流速非常大，坡面的產(chǎn)沙過(guò)程逐漸延緩了流速，逐漸趨于穩(wěn)定。狗牙根的弗勞德數(shù)(1.12)顯著低于其他坡地類(lèi)型(p<0.05)。除了裸坡和狗牙根外，各坡面類(lèi)型的弗勞德數(shù)對(duì)于不同來(lái)水流量差異性不顯著。

2.3 阻力特征

Darcy-weisbach阻力系數(shù)和曼寧糙率來(lái)表示水流流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力大小。Darcy-weisbach阻力系數(shù)越大，水流克服阻力消耗越多，水流用于泥沙輸移的能量越少。植被坡面相對(duì)于裸坡坡面來(lái)說(shuō)，植被根系增加了表面的粗糙度，并且固結(jié)表層土壤，明顯的對(duì)坡面流形成阻力。裸坡的Darcy-weisbach阻力系數(shù)(0.28)顯著低于其他植被類(lèi)型Darcy-weisbach阻力系數(shù)(表4)(p<0.05)。

對(duì)于不同的植被類(lèi)型的坡面，水流經(jīng)過(guò)的繞流阻力有所差異。其中狗牙根抑制流速的效果最好，平均阻力系數(shù)達(dá)到3.71，為裸地阻力系數(shù)(0.28)的13.25倍。對(duì)于薄層水流，植被阻力和顆粒阻力共同影響水流流動(dòng)。裸坡的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小，這是由于沒(méi)有植被覆蓋，此時(shí)的水流阻力以顆粒阻力為主。而狗牙根和灌草條件下Darcy-weisbach阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加，說(shuō)明低草本植被對(duì)于阻流作用始終具有很好的效果。隨著流量的增加，灌木類(lèi)(荊條和胡枝子)的Darcy-weisbach阻力系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。在上方流量較小的情況下，灌木類(lèi)植被有一定的阻流作用。但隨著流量的增加，坡面流漫過(guò)灌木低密度的根系層，導(dǎo)致水流和植被相對(duì)接觸面積減小，植被阻水面積相對(duì)較小，植被的阻流效果降低，水流阻力開(kāi)始向顆粒阻力轉(zhuǎn)變。不同坡面類(lèi)型曼寧糙率系數(shù)整體上與Darcy-weisbach阻力系數(shù)變化趨勢(shì)相同。裸坡坡面平均曼寧糙率系數(shù)(0.016)最小，且顯著低于其他坡面類(lèi)型(p<0.05)，狗牙根坡曼寧糙率系數(shù)(0.062)最大，且顯著高于其他坡面類(lèi)型(p<0.05)。

圖2 不同植被類(lèi)型徑流雷諾數(shù)變化過(guò)程

圖3 不同坡面類(lèi)型下弗勞德數(shù)變化過(guò)程

表4 各植被類(lèi)型不同流量下坡面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 討 論

本研究表明，坡面類(lèi)型，來(lái)水流量，來(lái)水時(shí)間對(duì)坡面流速、水力學(xué)參數(shù)有顯著影響。本研究表明，薄層水流平均徑流流速隨來(lái)水流量的增大而增大，與張寬地等[17]和趙海濱等[18]得到的試驗(yàn)結(jié)果相同。由于植被覆蓋和根系的阻滯作用，降低了坡面流流速[19]。水流流經(jīng)植被會(huì)產(chǎn)生繞流阻力，造成水流的能量損失，從而減少水流能量向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化[20-21]。對(duì)不同坡面類(lèi)型下的徑流流速進(jìn)行多元回歸分析，得出流速、沖刷時(shí)間、來(lái)水流量的定量表達(dá)式(表5)。在本研究中，時(shí)間變量(T)的冪指數(shù)小于流量(Q)的冪指數(shù)，說(shuō)明流量對(duì)徑流流速的影響更大。

表5 坡面流流速定量表達(dá)式

坡面流水力學(xué)特性研究是研究坡面侵蝕的重要內(nèi)容。雷諾數(shù)是坡面流慣性力與黏性力的比值，雷諾數(shù)越大表明慣性力更大。在本研究中，雷諾數(shù)隨著徑流流量的增大而增大，來(lái)水流量的增大導(dǎo)致對(duì)顆粒的擾動(dòng)能力變大，相應(yīng)增加了土壤侵蝕能力。這與呂威等[22]的研究結(jié)果一致。弗勞德數(shù)是動(dòng)能和勢(shì)能的對(duì)比關(guān)系，弗勞德數(shù)越大表明坡面徑流的剪切力越大。本研究中，各覆蓋植被的坡面的弗勞德數(shù)顯著低于裸坡的弗勞德數(shù)(p<0.05)，植被的阻流作用相對(duì)減小了坡面徑流的剪切力，降低了徑流挾沙能力。各坡地類(lèi)型的弗勞德數(shù)隨來(lái)水流量的增加變化不明顯，楊坪坪等[21]發(fā)現(xiàn)坡度是影響弗勞德數(shù)的主導(dǎo)因素，而研究區(qū)各坡地類(lèi)型的坡度十分接近(30.7°±0.67°)，植被類(lèi)型對(duì)弗勞德數(shù)的影響比來(lái)水流量更大。

在本研究中，裸坡的Darcy-weisbach阻力系數(shù)和曼寧糙率均顯著低于其他坡面類(lèi)型(p<0.05)，各植被類(lèi)型增加了地表糙率，從而起到了減流減沙的效果。不同植被坡面類(lèi)型的水流阻力與來(lái)水流量并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，而更多的與植被性狀有關(guān)[23]。植被類(lèi)型對(duì)徑流的阻力主要是植被與水流接觸的面積。狗牙根是一種草本植物，淺根系對(duì)于薄層流的抑制效果明顯，并且植被蓋度達(dá)到了68.40%(徑流小區(qū)中最大的植被蓋度)，具有最大的坡面阻力。夏曉平等[24]已發(fā)現(xiàn)狗牙根在攔截徑流泥沙的效益方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，阻流效果明顯。低草本植物根系主要分布于表土層，根系作用對(duì)表土的固持力能夠有效抑制土壤侵蝕，此外，植被覆蓋增加的地表粗糙度降低了徑流流速，從而減緩了徑流的沖刷[25-26]。對(duì)于河岸坡面流來(lái)說(shuō)，狗牙草比灌木類(lèi)具有更好的減流減沙效益，在今后的河岸帶植被措施中，低草本高密度根系植物可能有更好的阻流攔沙效果。

4 結(jié) 論

本文采用野外簡(jiǎn)易徑流小區(qū)放水沖刷的試驗(yàn)方法，研究河岸邊坡不同植被類(lèi)型在不同放水流量條件下坡面徑流的水動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明：坡面平均徑流流速隨著流量和時(shí)間的增加而增加。不同坡面下的雷諾數(shù)變化范圍為11.21～172.96，流態(tài)始終屬于層流(Re<500)。弗勞德數(shù)隨著放水時(shí)間的增加呈先減小后趨于穩(wěn)定，各坡面徑流流態(tài)均表現(xiàn)為急流(Fr>1)。植被坡面的Darcy-weisbach阻力系數(shù)(0.63～5.54)均高于裸地阻力系數(shù)(0.18～0.38)，植被對(duì)坡面徑流流速具有抑制作用，其中狗牙根在減緩徑流流速方面效果最顯著。河岸邊坡進(jìn)行植被恢復(fù)有明顯降低徑流流速、減流攔沙的作用。研究結(jié)果為河岸邊坡進(jìn)行植被修復(fù)以及水土保持措施提供了基礎(chǔ)理論和參考依據(jù)。