植被分布對地表糙率影響

張升堂, 梁 博, 張 楷

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.陜西省水文水資源勘測局, 陜西 西安710068)

植被分布對地表糙率影響

張升堂1, 梁 博1, 張 楷2

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.陜西省水文水資源勘測局, 陜西 西安710068)

[目的] 分析在植被淹沒或非淹沒狀態(tài)不同植被覆蓋密度影響下，地表糙率的變化規(guī)律與特征，為進一步研究植被對地表糙率的影響提供參考。[方法] 試驗以塑料棒模擬植被分布，模擬出不同密度，分別進行放水試驗。[結(jié)果] 在植被淹沒與非淹沒狀態(tài)下地表糙率的變化不同，在非淹沒狀態(tài)時，地表糙率隨著平均水深的增加呈減小的趨勢，在淹沒水深小時，地表糙率隨著平均水深的增加而先增大后減小，而當淹沒水深很大時，地表糙率趨向于一個穩(wěn)定值。[結(jié)論] 地表糙率取值隨植被覆蓋密度的增大而增大；同一下墊面情況下，不同的水流方向，地表糙率取值不相同。

地表糙率; 植被密度; 淹沒植被; 非淹沒植被

地表糙率對地表徑流的流速、滲透、土壤侵蝕等都具有很大的影響作用，研究地表糙率的變化規(guī)律對于估算洪峰流量以及水土保持措施決策等具有重要意義。

地表糙率的影響因素很多，降雨、土壤類型、植被覆蓋等因素都對地表糙率有很大的影響，因此地表糙率的取值復(fù)雜多變，難以確定。

在現(xiàn)實流域下墊面經(jīng)常有雜草、灌木等，或耕種的作物、草被、樹木等植被覆蓋于地表，這些植被其形狀、剛?cè)嵝?、密度、以及分布形式等在很大程度上影響了水流的水力學(xué)參數(shù)，增大了水流阻力，加大了地表糙率，降低了地表過流能力，同時也起到了防止水土流失的作用。

因此研究植被分布對地表糙率的影響對于探討地表徑流對地表沖刷能力、坡面水沙運動規(guī)律以及調(diào)節(jié)洪水、削減洪峰等具有重要意義。所以植被分布對地表糙率影響問題的研究具有重要的理論價值以及實際應(yīng)用價值。

近幾十年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者在植被對地表糙率的影響方面進行了研究[1-5]。

Hsieh T.[6]和Li R. M.等[7]，分別用圓柱體模擬植被，研究矩形渠道中其對水流的影響過程，指出樹的密度與樹的排列方式對水流速度的影響是不同的，水流阻力也會隨圓柱布置密度的增大而增大。Dunn C.等[8]在矩形渠道中，對淹沒狀態(tài)下的剛性植物以及柔性圓棒進行試驗，發(fā)現(xiàn)水流阻力也是隨植物密度的增加而增加。閆旭峰等[9]通過試驗研究得出：由于植被阻水及水流混摻效應(yīng)，Darcy—Weisbach阻力系數(shù)基本隨雷諾數(shù)增大而增大，且植被剛度及密度越大，增大趨勢越顯著。Kim J.等[10]通過植被部分淹沒研究坡面流曼寧糙率系數(shù)變化，指出坡面流糙率隨植被部分淹沒情況變化而變化，將顯著影響坡面流路徑和坡面侵蝕狀況。拉尼亞[11]通過對人工模擬的菖蒲進行水槽試驗，研究了4種分布密度對水流阻力及水流結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，植被密度的增大將導(dǎo)致過水斷面的增大和阻力的增加。

黃文沛[12]通過室內(nèi)水槽分別進行了植被密度試驗與植被格局試驗，其中格局試驗主要為改變植被段長度；分析得到隨著植被密度的增大，曼寧糙率系數(shù)明顯增大，植被段長度的變化對曼寧糙率系數(shù)的影響不明顯。姬昌輝等[13]采用概化水槽試驗研究了在不同植物間距、水流條件下，含淹沒植被明渠水位、曼寧糙率系數(shù)的變化特征，試驗結(jié)果表明水流條件相同的情況下，隨著植物排列間距的減小，糙率系數(shù)明顯增大。房春艷等[14]通過室內(nèi)變坡水槽試驗研究了復(fù)式河槽中灘地植被對水流阻力的影響，認為影響灘地曼寧糙率系數(shù)的主要因素為植被密度、水深、淹沒與非淹沒植被。

雖然目前關(guān)于植被分布對地表糙率影響的研究已有很多，但多集中在覆蓋密度或植被淹沒方面。本文通過室內(nèi)水槽放水模擬試驗，研究分析在植被淹沒與非淹沒狀態(tài)下，不同植被覆蓋密度影響下，地表糙率的變化規(guī)律與特征，并且首次通過試驗分析相同的植被排列方式下不同水流方向?qū)Φ乇聿诼实挠绊?，以期為進一步研究植被對地表糙率的影響提供參考。

1 試驗設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要由水箱、矩形水槽、量水堰等組成。采用底寬0.6 m，側(cè)壁高0.9 m，長度13 m的矩形水槽，水槽分上游平水段、試驗鋪設(shè)段、下游量水段。下游量水段末端設(shè)有矩形薄壁量水堰觀測流量。水槽由水箱定水頭供水，在水槽與水箱連接處設(shè)有閥門控制流量。在矩形水槽末端設(shè)有回流池，水流流經(jīng)水槽后進入回流池，然后由水泵將回流池中的水抽入水箱中，用以實現(xiàn)水流循環(huán)，節(jié)約用水。

1.2 試驗下墊面條件

天然植物不管是柔性的還是剛性的，由于其柔韌度、植株和植被葉子形狀各異等植被生物特性，導(dǎo)致對直接模擬天然植被的特性十分困難，而且不易固定，不易用來在變坡水槽中進行試驗測量，目前多數(shù)這方面的研究都是將植被進行簡化[15-19]。因此本試驗概化地表植被類型，以塑料棒模擬地表植被，塑料棒高度為0.15 m。為了可以更好地分析植被不同分布方式對地表糙率的影響，試驗設(shè)計了4種不同的玻璃底板用以模擬植被的不同分布。取2塊有機玻璃板，分別在玻璃板上按與水流方向呈90°和45°夾角有規(guī)律的鉆孔，孔間縱、橫間距均為60 mm，模擬植物以60 mm×60 mm和60 mm×120 mm這2種固定間距“種植”于有機玻璃板孔內(nèi)，模擬出不同的植被覆蓋密度。

2 結(jié)果與分析

圖1給出了4種不同玻璃底板類型下，平均水深h與地表糙率n的關(guān)系圖。試驗結(jié)果表明，隨著平均水深的增大，地表糙率取值呈減小的趨勢，并且在平均水深較小時，地表糙率取值變化幅度較大；但隨著平均水深逐漸增大，地表糙率取值變化幅度越來越小，并逐漸趨向一個穩(wěn)定值。由此可見，在植被覆蓋下水深對地表糙率有很大的影響作用。這與李勉等[20]通過放水沖刷試驗所得結(jié)論相似。

圖1 4種不同底板類型條件下平均水深與糙率系數(shù)的關(guān)系

2.1 植被淹沒狀態(tài)對地表糙率的影響

根據(jù)圖1可以看出，在平均水深小于0.15 m時，地表糙率取值變化幅度很大，隨著平均水深的逐漸增大，其取值變化幅度逐漸減小。

由于模擬植被高度為0.15 m，因此將試驗過程按水深分為3個區(qū)域，第1區(qū)域為平均水深小于0.15 m時，第2區(qū)域為平均水深處于0.15～0.20 m時，第3區(qū)域為平均水深大于0.20 m時。

由圖1可知，在第1區(qū)域，水流平均水深小于植被高度，為非淹沒狀態(tài)，此時平均水深很小，植被對地表水流的影響作用很大，隨著平均水深的增大，地表糙率取值呈減小趨勢，并且變化幅度較大。而在第2區(qū)域，植被處于淹沒狀態(tài)，此時植被剛剛被淹沒，但是淹沒水深很小。通過試驗現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)當水流剛剛淹沒模擬植被時，隨著水流流動植被頂端會出現(xiàn)高頻率的擺動，這將對地表糙率取值產(chǎn)生影響，因此地表糙率的取值規(guī)律也更加復(fù)雜，通過圖1分析得出地表糙率系數(shù)在第2區(qū)域基本呈先增大后減小的趨勢。對于第3區(qū)域，水流平均水深比植被高度高很多，處于完全淹沒狀態(tài)，并且淹沒水深逐漸增大，此時植被頂端不再擺動，而是根據(jù)水流流向彎折。隨著淹沒水深的增大，淹沒植被對水流的影響逐漸減小，甚至可以忽略不計，因此地表糙率系數(shù)趨向于一個穩(wěn)定值。Chow V. T.[21]指出只有水位低于某一特定水位，植被才對水流有顯著影響，因此當確定一個比河道中植被還要高得多的洪水位時，可以用一個固定的糙率系數(shù)。

因此可以得出，植被在非淹沒和淹沒狀態(tài)下，地表糙率取值變化規(guī)律并不相同，但總的來說，非淹沒狀態(tài)時植被對地表糙率取值影響較大，隨著淹沒水深的增加，植被對地表糙率取值影響逐漸減小甚至可以忽略不計。

2.2 植被覆蓋對地表糙率的影響

2.2.1 不同覆蓋密度對地表糙率取值影響 植被覆蓋密度是影響地表糙率取值的重要因素之一。本試驗設(shè)計了不同水流方向下2種不同植被覆蓋密度下墊面，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)做出了不同植被覆蓋密度下水深與地表糙率的關(guān)系圖(圖2—3)。

圖2 θ為90°，45°條件下不同密度水深與地表糙率的關(guān)系

圖3 60 mm×60 mm和60 mm×120 mm密度，不同水流方向條件下地表糙率與水深關(guān)系

由圖2可以看出，不同的植被覆蓋密度下，其地表糙率取值是不相同的。在θ為90°時，從整體上可以看出，在平均水深較小時，不同植被覆蓋密度下地表糙率取值并不具有明顯規(guī)律性，只有在平均水深較大時，地表糙率取值才隨著植被覆蓋密度增加而增大，在前3個測量點時，植被覆蓋密度大時，地表糙率取值并不一定大。但是當θ為45°時，可以看出隨著試驗的進行，不同植被覆蓋密度下地表糙率取值有著明確的規(guī)律性，即植被覆蓋密度大時，地表糙率取值大。并且在θ為90°時，只有前3個測量點不具有規(guī)律性，從第3個測量點之后也是呈植被覆蓋密度大，地表糙率取值大的規(guī)律。由于試驗條件等原因，并沒有進行重復(fù)試驗，因此，圖2中的前3個測量點可能是在試驗過程中或者測量時產(chǎn)生了誤差，其具體原因還有待進一步分析。但是總的來說，通過分析圖2可以看出，植被覆蓋密度對地表糙率取值有很大的影響，不同的植被覆蓋密度下地表糙率取值基本呈覆蓋密度大、地表糙率取值大的變化規(guī)律。這與肖培青等[22]、潘成忠等[23]、田風霞等[24]所得出的結(jié)論一致。

2.2.2 相同覆蓋密度、不同水流方向?qū)Φ乇聿诼实挠绊?影響地表糙率取值變化的因素很多，在相同的植被覆蓋密度下，不同的水流方向?qū)Φ乇聿诼嗜≈狄灿泻艽蟮挠绊懽饔?，根?jù)試驗數(shù)據(jù)做出了相同密度、不同水流方向下，地表糙率與平均水深關(guān)系圖(圖3)。

在現(xiàn)實流域面，坡面水流一般漫流于坡面，且受坡面地表的影響使其流動方向多向。目前關(guān)于地表糙率的研究一般認為在同一地表情況下其地表糙率都取同一定值。Engman E.T.[25]曾由野外小區(qū)實測洪水資料，經(jīng)迭代適線方法得出了不同地表情況下的Manning糙率系數(shù)，例如遭受侵蝕的裸露黏壤地表上n=0.02，天然牧場n=0.13，刈割放牧地n=0.10，藍草草地n=0.45。但是張升堂等[26]首次提出了“矢量糙率理論”，即糙率的取值應(yīng)該是隨匯流方向的不同而不同。由圖3可以看出，在相同的植被覆蓋密度、相同的平均水深下，水流流向不同其地表糙率取值是不相同的。也就是說，在同一下墊面情況下，坡面水流由于流向的不同而具有不同的地表糙率取值，從而進一步驗證了張升堂所提出的“矢量糙率理論”。

3 結(jié) 論

(1) 在植被非淹沒狀態(tài)下，地表糙率隨著平均水深的增加而減??；在淹沒狀態(tài)下，當淹沒水深很小時，地表糙率隨著平均水深的增加而先增大后減?。浑S著淹沒水深越來越大，地表糙率趨向于一個穩(wěn)定值。

(2) 植被覆蓋密度對地表糙率取值有很大的影響，不同的植被覆蓋密度下地表糙率取值基本呈覆蓋密度大、地表糙率取值大的變化規(guī)律。

(3) 影響地表糙率取值變化的因素很多，在相同的植被覆蓋密度下，不同的水流方向?qū)Φ乇聿诼嗜≈狄灿泻艽蟮挠绊懽饔?。即在同一下墊面情況下，坡面水流由于流向的不同而具有不同的地表糙率取值。

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Effects of Vegetation Distribution on Earth Surface Roughness

ZHANG Shengtang1, LIANG Bo1, ZHANG Kai2

(1.CollegeofGeologicalScience&Engineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590,China;2.ShaanxiSurveyBureauofHydrologyandWaterResources,Xi’an,Shaanxi710068,China)

[Objective] The change rules and characteristics of the surface roughness was analyzed under the station of submerged and unsubmerged and the different vegetation density in order to provide the reference for studying the effect of vegetation on the surface roughness. [Methods] The plastic rods, as a surrogate for vegetation distribution, were used to simulate two different densities in the flushing experiments. [Results] The earth surface roughness changes were different between the submerged vegetation and unsubmerged vegetation. Under the unsubmerged condition, the earth surface roughness decreased with the increase of the average water depth.While submerged depth was low, the earth surface roughness firstly increased and then decreased with the increase of the average water depth. When the submerged depth was very deep, the earth surface roughness tends to be a stable value. [Conclusion] The earth surface roughness value increases along with the vegetation density. Under the same underlying surface, the surface roughness value changes with different flow direction.

surface roughness; vegetation density; submerged vegetation; unsubmerged vegetation

2014-07-11

2014-09-16

國家自然科學(xué)基金項目“現(xiàn)代流域分布式坡面匯流模擬的矢量糙率理論” (40971021)， “考慮阻力作用的分布式坡面匯流多流向流量分配算法” (41471025)， 山東省自然科學(xué)基金項目“坡面匯流阻力空間變異及其影響研究”(ZR2014DM004)

張升堂(1970—),男(漢族),陜西省鳳翔縣人,博士(后),副教授,主要從事水文水資源方面研究。 E-mail:zst0077@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0045-04

S715.3