模擬降雨下植被蓋度對坡面流水動力學(xué)特性的影響

孫佳美， 余新曉， 樊登星， 梁洪儒， 常 玉， 李瀚之

北京林業(yè)大學(xué), 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083

模擬降雨下植被蓋度對坡面流水動力學(xué)特性的影響

孫佳美， 余新曉*， 樊登星， 梁洪儒， 常 玉， 李瀚之

北京林業(yè)大學(xué), 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083

通過模擬降雨實驗的方法，分析研究了坡度10°和20°，降雨強度30mm/h和60mm/h條件下不同蓋度黑麥草對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的調(diào)控過程，并從雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)三個方面對水流運動過程和黑麥草調(diào)控坡面流的水力學(xué)特性進行了剖析。研究結(jié)果表明：雷諾數(shù)隨坡度增加而相對增大，隨降雨強度增大有明顯增大趨勢。黑麥草覆蓋能夠明顯減小坡面徑流雷諾數(shù)，在各降雨強度和坡度條件下，雷諾數(shù)隨黑麥草蓋度增加而減小，雷諾數(shù)大小一般呈現(xiàn)：裸坡>20%>40%>60%>80%。黑麥草蓋度對坡面流弗勞德數(shù)有顯著影響，隨著黑麥草蓋度增加弗勞德數(shù)減小，并且弗勞德數(shù)隨蓋度變化為：裸地>20%>40%>60%>80%，坡面阻力系數(shù)與坡面產(chǎn)沙率有良好的擬合關(guān)系，隨坡面阻力系數(shù)的增大，坡面產(chǎn)沙率呈對數(shù)減小，并且阻力系數(shù)在0—1時減小速率很大，阻力系數(shù)大于1以后減小曲線較為平緩。

黑麥草; 坡面流; 模擬降雨; 水力學(xué); 流態(tài)

坡面徑流是造成水土流失的主導(dǎo)因子，在坡面布設(shè)合理的水保措施對防治土壤侵蝕，保持水土，改善生態(tài)環(huán)境十分重要。目前對于坡面流流態(tài)的研究很多，包括對水流參數(shù)的計算和坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙機制的研究[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于坡面流特性研究，國外部分學(xué)者從土壤入滲、坡面層流特征[2]、斜坡坡面流水深和流速測量和預(yù)報研究[3]、坡面流細溝侵蝕的水力要素[4]、土壤顆粒分離過程[5-6]、泥沙輸移啟動及運移過程、坡面流動能和功率等揭示坡面流流態(tài)機理的研究做了大量工作[7]。一般用雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)來表征坡面流態(tài)的特性，坡面流流態(tài)主要有混合流、擾動流、過度流、擾動層流、偽層流等多種流態(tài)[8]，Horton認為坡面流流態(tài)是在湍流中間偶有層流的混合流態(tài)[9]；Emmett研究表明坡面流流態(tài)為擾動流，及同時具有紊流和層流的特性[10]。

國內(nèi)學(xué)者利用室內(nèi)人工模擬降雨實驗[11]和變坡水槽放水實驗[12-13]對坡面流流態(tài)及其水動力學(xué)參數(shù)做了很多研究[14-15]，對坡面流水力學(xué)特性進行了侵蝕機理研究并取得了很多研究成果。吳普特等認為降雨造成的坡面流流態(tài)是擾動層流，這是由于雨滴的擾動引起的[16]；姚文藝等經(jīng)過研究認為降雨時的坡面流不是簡單的層流，而是同時存在著層流、紊流和過度流3種流態(tài)水流[17]；張光輝等認為坡面流流態(tài)主要為過度流和紊流[3]。眾多研究均表明坡面薄層水流水力學(xué)特性是一個及其復(fù)雜的過程，當(dāng)?shù)乇碛胁荼局参锔采w時問題會更加復(fù)雜[18]，草本植物對于坡面流有明顯的阻礙作用[19]，可以減小坡面流流速[20]。

學(xué)者們對于坡面土壤侵蝕過程的研究主要集中在黃土高原[12]，但是褐土作為北京市主要土壤類型，2005年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，北京市水土流失面積有54621 hm2，分布在昌平，延慶，房山等區(qū)縣，因此對于褐土坡面土壤侵蝕的研究十分重要[19]。本文通過模擬降雨實驗研究褐土坡面不同降雨強度，不同坡度和不同蓋度黑麥草(LoliumperenneL.)草地坡面流形態(tài)變化規(guī)律及特征，對揭示坡面侵蝕機理非常有意義。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試驗設(shè)計

模擬降雨實驗在北京林業(yè)大學(xué)降雨大廳進行，降雨大廳位于北京市鷲峰實驗林場，主要由降水系統(tǒng)、坡面系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成，共4個8m×8m的降雨區(qū)，實際降雨控制總面積256m2。劃分為4個獨立降雨區(qū)，可以分別降雨，也可以同時降雨，計算機可進行不同降雨狀態(tài)的自動調(diào)控，有效降雨高度12m，降雨過程計算機全自動控制，支持手動操作臺、計算機監(jiān)控、計算機全自動模擬降雨控制。采用旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，疊加式噴頭模擬自然降雨。降雨分布均勻度達到85%以上，坡面系統(tǒng)為可自由調(diào)節(jié)坡度的土槽，土槽規(guī)格為2m×0.5m×0.3m，槽內(nèi)盛放褐土，取自北京市昌平區(qū)。土槽尾部設(shè)置V形收集口，用來收集形成的徑流和泥沙，底部打孔，使土壤水可以滲透出土槽外。其他3邊額外加10cm高度，防止雨滴使侵蝕的泥沙濺出土槽之外，造成泥沙量的損失。實驗坡度為10°和20°，降雨強度選定30mm/h和60mm/h。

黑麥草種植控制蓋度分別為0, 20%, 40%, 60%, 80%和100%，采用條帶狀種植的方法達到控制效果，首先通過種業(yè)公司調(diào)查黑麥草種植的最優(yōu)密度，將按照最優(yōu)密度種植作為100%的蓋度，然后按照控制蓋度比例確定單位面積需要的黑麥草種子質(zhì)量，將這些種子條帶狀均勻種植，每天保證其日曬時間確?？梢哉９夂献饔蒙L，根據(jù)其實際生長狀況并咨詢草業(yè)專家認為一般種植2個月后即可用于實驗，在進行降水實驗時要進一步確定其真實的蓋度，對草進行修剪使其最大化符合實驗控制的蓋度。

1.2 試驗方法

按照設(shè)計容重分層回填土，設(shè)計實驗容重為1.34g/cm3，每10cm為一層，下面兩層分層填天然細沙，然后鋪一層紗布，上面裝實驗用土。裝土?xí)r要注意土面保持平整，每層裝完要刻意制造一定的地表糙度，防止土的滑移；為保證實驗初始含水量相同，對坡面進行預(yù)降雨，待土壤達到飽和剛開始產(chǎn)流停止降雨，用塑料布蓋上靜置24h用于降雨實驗[21]；降雨過程中，記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流開始后前10min每2min接1組徑流，以后每5min 1組徑流，稱量徑流體積進行分析。降雨過程中同時采用染色劑法測定坡面流速，由于坡面流在剛產(chǎn)生初期不易穩(wěn)定，因此流速測量斷面選擇在坡下部，具體位置從坡底部向上30—130cm，并沿坡面流水平方向均勻布設(shè)5個點，沿坡面流流動方向測定5個流速，求其平均值，并乘以修正系數(shù)0.75，作為水流斷面平均流速。

1.3 分析方法

坡面流極薄，實測方法測定的水流深誤差較大，并不能代表真實狀況，因此采用反推的方法求得坡面薄層水流水深。因此在假定坡面薄層水流是均勻分布的條件下，采用以下公式計算坡面薄層水流水深[7]：

h=q/U=Q/(uBt)

(1)

式中,h為薄層水流水深(m)；q為單寬流量(m3min-1m-1)；Q為t時間內(nèi)徑流量(m3)；t徑流取樣間隔時間(min)；U為斷面平均流速(m/min)；B為過水?dāng)嗝鎸挾?m)。

雷諾數(shù)Re在流體力學(xué)中是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量，通過雷諾數(shù)可以判定水流流態(tài)。根據(jù)明渠均勻流的水力學(xué)理論，當(dāng)雷諾數(shù)>500時，坡面流流態(tài)為紊流；當(dāng)雷諾數(shù)<500時，坡面流流態(tài)為層流；當(dāng)雷諾數(shù)在500左右時，流態(tài)為過度流。采用以下公式計算雷諾數(shù)Re[22]：

Re=Uh/v

(2)

式中,v為水運動黏性系數(shù)，取值為7.0×10-5m2/s。

弗勞德數(shù)Fr是流體力學(xué)中表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數(shù)，它表示慣性力和重力量級的比。當(dāng)Fr>1時，慣性力對水流起主導(dǎo)作用，水流為急流；Fr< 1時，重力起主導(dǎo)作用，水流為緩流；Fr=1時，重力、慣性力作用相等，水流為臨界流。采用以下公式計算弗勞德數(shù)Fr[7]：

(3)

式中,g為重力加速度(m/s2)。

坡面流阻力是分析坡面流水力學(xué)特性的重要因子，主要來自四個方面：即顆粒阻力fg、形態(tài)阻力ff、波阻力fw和降雨阻力fr，這4個阻力的加和即為坡面流阻力f，計算公式為[7]：

f=fg+ff+fw+fr

(4)

式中,fg=3.19Re-0.45；ff=4.8∑Ai/Ab，Ai為局部地形改變后的面積(m2)，Ab為過水?dāng)嗝娴目偯娣e(m2)；fw=2.8C，C為地表覆被蓋度(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑麥草覆蓋調(diào)控坡面流雷諾數(shù)

各蓋度在不同坡度和降雨強度條件下雷諾數(shù)隨降雨歷時變化過程如圖1所示。從圖中可以看出，在降雨強度為30mm/h，坡度為10°和20°，各個蓋度覆被條件下的雷諾數(shù)均呈現(xiàn)在前30min穩(wěn)定增長，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)階段，雷諾數(shù)始終小于500，流態(tài)始終為層流。而當(dāng)降雨強度為60mm/h，坡度為10°和20°，各個蓋度覆被條件下的雷諾數(shù)隨降雨歷時增大，但是變化不明顯，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，流態(tài)也始終為層流，說明降雨強度相對與坡度和蓋度對坡面流流態(tài)影響更大，并且在降雨剛開始時，坡面較為平整，坡面流流速不穩(wěn)定，雷諾數(shù)較小，隨著降雨的進行，坡面阻力增大，雷諾數(shù)也增大到穩(wěn)定狀態(tài)，坡面流更加不穩(wěn)定。當(dāng)降雨強度較大時，坡面流會很快趨于穩(wěn)定，整個降雨過程雷諾數(shù)變化不大，組間雷諾數(shù)差異性顯著(P=1.01×10-7<0.05)。

雷諾數(shù)隨坡度增加而相對增大，隨降雨強度增大有明顯增大趨勢。在各降雨強度和坡度條件下，雷諾數(shù)隨黑麥草蓋度增加而減小，雷諾數(shù)大小一般呈現(xiàn)：裸坡>20%>40%>60%>80%。并且在降雨強度為30mm/h時，雷諾數(shù)隨蓋度變化不明顯，在降雨強度為60mm/h時，蓋度從0增大到40%雷諾數(shù)變化不大，當(dāng)黑麥草蓋度為60%和80%雷諾數(shù)減小非常明顯，說明當(dāng)蓋度在60%以上時對坡面流流態(tài)有較大干擾，此時黑麥草影響坡面產(chǎn)流過程和產(chǎn)沙過程較明顯，能夠顯著減少徑流和泥沙的產(chǎn)生，減少土壤侵蝕。

圖1 不同黑麥草蓋度下徑流雷諾數(shù)變化過程Fig.1 Changeable process of Reynolds number in different ryegrass coverage

圖2 不同草本蓋度下徑流弗勞德數(shù)變化過程Fig.2 Changeable process of Froude number in different herb cover

圖3 坡面流阻力與坡面產(chǎn)沙率關(guān)系Fig.3 Relationship of flow resistance and sediment yield rate

2.2 黑麥草覆蓋調(diào)控坡面流弗勞德數(shù)

各蓋度在不同坡度和降雨強度條件下弗勞德數(shù)隨降雨歷時變化過程如圖2所示。由圖2可以看出，降雨強度、坡度和黑麥草的蓋度均對坡面流弗勞德數(shù)有較大影響。與雷諾數(shù)變化相似，降雨強度為30mm/h時，弗勞德數(shù)隨著降雨進行表現(xiàn)為開始明顯增大，然后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)降雨強度為60mm/h，弗勞德數(shù)隨降雨歷時變化不顯著，并且弗勞德數(shù)均小于1，流態(tài)為緩流。黑麥草蓋度對坡面流弗勞德數(shù)有顯著影響，隨著黑麥草蓋度增加弗勞德數(shù)減小，在坡度20°時，降雨強度30mm/h和60mm/h均呈現(xiàn)弗勞德數(shù)隨蓋度變化為：裸地>20%>40%>60%>80%，當(dāng)坡面有黑麥草覆蓋時增加了坡面流阻力，延緩了流速，造成弗勞德數(shù)減小。但是在坡度為10°時這種隨黑麥草蓋度增加弗勞德數(shù)減小的差異不明顯，這個現(xiàn)象主要是由于坡度較小時，坡面流速相對較小,組間弗勞德數(shù)差異性顯著(P=3.59×10-9<0.05)。

2.3 黑麥草覆蓋調(diào)控坡面流阻力

坡面流阻力能夠影響產(chǎn)流匯流的方式，影響土壤侵蝕過程，因此坡面流阻力的研究對于表征坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程有重要意義，影響坡面流阻力的因子有很多，包括降雨強度、地表特征、坡度等。本文采用阻力疊加的方法計算坡面流阻力，一般坡面流阻力由4部分組成，顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力，根據(jù)力學(xué)基本原理將4個阻力疊加即為坡面流的阻力。綜合4個阻力計算得到次降雨坡面流阻力大小，并和坡面產(chǎn)沙率進行擬合見下圖3。計算結(jié)果顯示坡面阻力受波阻力影響最大，波阻力是坡面流受地表障礙物影響產(chǎn)生的阻力，對于黑麥草覆蓋實驗，波阻力的大小與黑麥草的蓋度成正比，因此坡面流阻力受蓋度影響很大。地表為裸坡時，阻力系數(shù)在0.22-0.48之間，黑麥草蓋度為20%時坡面流阻力系數(shù)在0.78—1.18之間，蓋度為40%時坡面流阻力系數(shù)在1.34—1.68之間，蓋度為60%時坡面流阻力系數(shù)在1.94—2.21之間，蓋度為80%時坡面流阻力系數(shù)在2.50—2.97之間。在次降雨中坡面流阻力直接影響坡面產(chǎn)沙量，坡面流阻力越大，坡面產(chǎn)沙越少，且阻力系數(shù)在0—1時產(chǎn)沙率隨阻力系數(shù)變化劇烈，阻力系數(shù)大于1以后變化幅度減小。經(jīng)過對次降雨阻力系數(shù)和產(chǎn)沙率進行擬合發(fā)現(xiàn)存在良好的擬合關(guān)系，擬合方程如下：

S= -2.502ln (f)+3.5672R2=0.8532

(5)

式中,S為坡面產(chǎn)沙率，f為坡面阻力系數(shù)。

3 討論

對坡面流的水力學(xué)特性研究是研究土壤侵蝕機理的重要內(nèi)容，經(jīng)過實驗研究證明降雨強度、坡度和黑麥草的蓋度對坡面流雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)有顯著影響。本研究表明，褐土坡面隨著蓋度的增加Re和Fr有顯著的減小，與吳淑芳等[7]和肖培青等[20]進行的苜蓿草地對黃土坡面流水力學(xué)特性實驗結(jié)論相同[4,13]，Re是坡面流流體慣性力與黏性力的比值，Re減小則流體黏性力占主導(dǎo)地位，坡面流擾動因素會因黏性力的阻礙而減弱，流動穩(wěn)定，對地表土壤顆粒的擾動也比較弱，帶來的土壤侵蝕相應(yīng)的比較輕微；Fr是慣性力和重力的比值，隨蓋度增加Fr減小，則重力其主導(dǎo)作用，流速相對穩(wěn)定，對地表產(chǎn)生擾動較少，土壤侵蝕程度降低。

文中采用雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)來表征坡面流流態(tài)特征，但是坡面流水力學(xué)特征極為復(fù)雜，在實際研究當(dāng)中只用明渠水力學(xué)的方法有很多局限性，尤其在分析過程中有難度，敬向鋒等利用二元流雷諾數(shù)和擾流雷諾數(shù)以及其與阻力系數(shù)的關(guān)系判斷坡面流流態(tài)更為準確[23]。同時模擬實驗受多種因素的影響，填土的壓實均勻性、草被措施分布的狀況以及測量誤差都會造成實驗結(jié)果的不準確，而各水動力學(xué)參數(shù)受沖刷過程中坡面條件以及各個外界條件之間的相互關(guān)聯(lián)和影響都會造成實驗結(jié)果的誤差，因此模擬實驗不僅要研究單一因素對坡面流的影響，要著手因素間互相干擾效應(yīng)。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，種植草被是常見的水土保持措施之一，實驗研究表明，草本蓋度越大坡面流速越小，流態(tài)越趨于層流對土壤表明侵蝕力度越小，但是當(dāng)蓋度增大到一定程度以后其減流效益不再增加，因此也就沒有繼續(xù)增加蓋度的意義，本實驗中蓋度60%以上其水土保持效果達到穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)隨降雨歷時呈現(xiàn)先急劇增長，然后隨著坡面入滲和產(chǎn)流的穩(wěn)定達到穩(wěn)定的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)，降雨強度較大時增長的時間較短，坡面流更快達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)雷諾數(shù)隨坡度增加而相對增大，隨降雨強度增大有明顯增大趨勢。黑麥草覆蓋能夠明顯減小坡面雷諾數(shù)，在各降雨強度和坡度條件下，雷諾數(shù)隨黑麥草蓋度增加而減小，雷諾數(shù)大小一般呈現(xiàn)：裸坡>20%>40%>60%>80%，當(dāng)蓋度大于60%以后減弱幅度很小。

(3)黑麥草蓋度對坡面流弗勞德數(shù)有顯著影響，隨著黑麥草蓋度增加弗勞德數(shù)減小，并且弗勞德數(shù)隨蓋度變化為：裸地>20%>40%>60%>80%，

(4)黑麥草覆蓋條件下，隨坡面阻力系數(shù)的增大，坡面產(chǎn)沙率減小，并且阻力系數(shù)在0—1時減小速率很大，阻力系數(shù)大于1以后減小曲線較為平緩。坡面阻力系數(shù)與坡面產(chǎn)沙率有良好的擬合關(guān)系，隨阻力系數(shù)增大產(chǎn)沙率呈對數(shù)減小，如公式(5)所示。

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Impact of vegetation cover on surface runoff hydraulic characteristics with simulated rainfall

SUN Jiamei, YU Xinxiao*, FAN Dengxing, LIANG Hongru, CHANG Yu, LI Hanzhi

KeyLaboratoryofSoil&WaterConservationandDesertificationCombatingofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

Soil and water loss has caused severe land resources depletion and eco-environment degradation in many areas of China, which leads to reduction of local agricultural and industrial productivity. Furthermore, as a severe environmental problem, soil and water loss will affect many respects, such as nature, economy, society and science. Many factors are influencing the degree of soil erosion, Plant vegetation coverage, rainfall intensity and duration, soil type and texture, etc. In this study we chose slope, rainfall intensity and vegetation coverage as impact factors to the degree of soil erosion. Plant ryegrass is one of the feasible measures to avoid soil and water loss. In order to understand the process of runoff movement under the complex surface conditions and the effect of flow and different surface conditions on hydraulics parameters， we utilized the artificial rainfall approach to study the process of runoff and sediment yield and its hydraulic characteristics to explore how ryegrass play a role in the work of soil and water conservation. The experiment was designed with 30 mm/h and 60 mm/h rainfall intensity and slopes of 10° and 20° with different coverage of ryegrass (0, 20%, 40%, 60%, 80% and 100%) in Jiufeng experimental forest farm of Beijing Forestry University. During the simulated rainfall process, the runoff samples were collected at fixed time: in the first ten minutes, the runoff was sampled every two minutes due to the fast increase of runoff amount, and then the runoff was sampled every five minutes in the last fifty minutes as the change of runoff amount went slow. At the end of the experiment, the volume of runoff was measured, and then standing the runoff samples were placed and dried for 24 hours, respectively, to obtain the amount of sediment. During the simulated rainfall process, the velocity of overland flow was measured every ten minutes. Then the surface runoff and hydraulic parameters were calculated with runoff, sediment and surface runoff velocity. By choosing Reynolds number, Froude number and drag coefficient as factors to characterize the water advance and water recession process, the results showed that: the Reynolds number increases with the slope degree and rainfall intensity. The increase of ryegrass could play important roles in both the decrease of the Reynolds number and the Froude number, and the Reynolds number and the Froude number under different coverage are: bare land>20%>40%>60%>80% and bare land>20%>40%>60%>80%, respectively. The drag coefficient and sediment yield rate were well-fitting, and the sediment yield rate decreased as the drag coefficient increased. When the drag coefficient was between zero and one, the growth rate of sediment yield was larger than the drag coefficient. By this study, we know that ryegrass has a great significance to soil and water conservation. Moreover, the increase of ryegrass coverage leads to the enhancement of the soil and water conservation function. The results of the ryegrass regulating runoff and preventing soil erosion in this study have theoretical significance to understanding the process of soil erosion.

ryegrass; overland flow; simulated rainfall; hydraulics; flow pattern

國家科技支撐項目(“三北”地區(qū)防護林體系結(jié)構(gòu)定向調(diào)控技術(shù)研究與示范)

2013-10-30;

日期:2014-07-25

10.5846/stxb201310302620

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yuxinxiao11@126.com

孫佳美， 余新曉， 樊登星， 梁洪儒， 常 玉， 李瀚之.模擬降雨下植被蓋度對坡面流水動力學(xué)特性的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(8):2574-2580.

Sun J M, Yu X X, Fan D X, Liang H R, Chang Y, Li H Z.Impact of vegetation cover on surface runoff hydraulic characteristics with simulated rainfall.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2574-2580.