雨強(qiáng)及坡度對(duì)黃土區(qū)草地坡面水流流速的影響

張琪琳 王占禮 張慶瑋 王棟棟 劉俊娥

摘要：黃土區(qū)草被覆蓋下的坡面水流流速特征研究對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)該區(qū)草地坡面侵蝕動(dòng)力和科學(xué)決策該區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)具有重要意義。采用草地小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)方法，對(duì)黃土區(qū)草地坡面水流流速隨雨強(qiáng)及坡度的變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：①在s個(gè)不同雨強(qiáng)及5個(gè)不同坡度下，草地坡面流速隨降雨歷時(shí)變化均表現(xiàn)為產(chǎn)流初期流速快速增大，持續(xù)一段時(shí)間之后轉(zhuǎn)為緩慢增大或保持穩(wěn)定，且可用冪函數(shù)描述；②草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速分別隨單一因子雨強(qiáng)、坡度的增大而增大，且皆可用對(duì)數(shù)函數(shù)描述；③草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速隨雨強(qiáng)及坡度復(fù)合因子的變化可用二元對(duì)數(shù)函數(shù)描述，試驗(yàn)條件下坡度對(duì)草地坡面水流平均流速的影響大于雨強(qiáng)的影響。

關(guān)鍵詞：草地坡面；流速；雨強(qiáng)：坡度；黃土區(qū)

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.023

我國黃土高原是全球水土流失嚴(yán)重地區(qū)之一。1999年國家實(shí)施退耕還林還草工程以來，黃土區(qū)坡面草本植物迅速繁衍。具有草被覆蓋的坡面與裸坡相比，坡面水流流速發(fā)生了顯著變化，進(jìn)而深刻影響坡面土壤侵蝕。開展黃土區(qū)草地坡面水流流速特征研究，對(duì)于該區(qū)水土流失治理與生態(tài)建設(shè)具有重要意義。

水力侵蝕是水流和土壤相互作用的復(fù)雜物理過程，水流動(dòng)力是坡面水力侵蝕發(fā)生發(fā)展的重要根源，而流速則是體現(xiàn)坡面水流動(dòng)力學(xué)特征的重要指標(biāo)。早期學(xué)者對(duì)坡面流流速研究主要是在裸坡上進(jìn)行，認(rèn)為坡度、流量、地表特征和土壤特性等因素都會(huì)影響坡面流流速。M.A.Nearing等利用侵蝕動(dòng)床試驗(yàn)，得出流量對(duì)坡面薄層水流平均流速影響明顯：吳淑芳等進(jìn)行坡面薄層水流水力學(xué)特性試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著單寬流量增大，坡面流流速明顯增大，二者之間成冪函數(shù)關(guān)系：張光輝試驗(yàn)得出，坡面流平均流速與流量和坡度2個(gè)因子成二元冪函數(shù)關(guān)系，且流量是影響坡面流平均流速的主要因子：焦念等利用陜西安塞黃綿土進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，得出黃土坡面細(xì)溝水流的平均流速是雨強(qiáng)和坡度的函數(shù)，且與二者均成正相關(guān)關(guān)系，可用二元對(duì)數(shù)方程很好地描述。

隨著對(duì)草被覆蓋條件下侵蝕規(guī)律認(rèn)識(shí)不斷加深，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)草被覆蓋是影響坡面水流流速變化的重要因素之一，因而加快了對(duì)草被覆蓋條件下的坡面水流流速試驗(yàn)研究。國外學(xué)者普羅托季亞科諾夫最早進(jìn)行了單寬流量（A）為0.4～9.5L/s、坡度（S）為0.25%～20.7%的草地坡面水流流速觀測(cè)試驗(yàn)，分析得到草地坡面水流流速（V）計(jì)算公式為v=kA1/2S3/16（k為坡面粗糙系數(shù)）。國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)草地植被覆蓋下坡面水流流速的變化特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如馬春艷通過野外人工放水沖刷試驗(yàn)，得出荒草地坡面平均流速與坡度及流量均成正相關(guān)關(guān)系，流量是影響荒草地坡面水流流速的主要因子：江忠善等根據(jù)不穩(wěn)定流理論，總結(jié)國內(nèi)外研究者得出的計(jì)算方程，并將方程中流速用單寬流量（q）和坡度（S）表示，換算成統(tǒng)一形式后得到V=kqnSm（k、m、n為參數(shù)）。

國內(nèi)外學(xué)者以往對(duì)草地坡面水流流速隨流量及坡度的變化特征進(jìn)行的試驗(yàn)研究較多，而對(duì)于草地坡面水流流速隨雨強(qiáng)及坡度的變化特征研究則甚少。筆者運(yùn)用草地小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)方法，研究草地坡面水流流速在不同雨強(qiáng)及坡度下的變化過程及特征，為深入認(rèn)識(shí)草地坡面水蝕動(dòng)力特征及其侵蝕作用機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳中進(jìn)行。試驗(yàn)采用側(cè)噴式人工降雨設(shè)備，降雨高度為16m，降雨均勻度大于80%。試驗(yàn)采用可移動(dòng)式變坡度徑流小區(qū)，通過調(diào)節(jié)小區(qū)下方的升降架，可調(diào)節(jié)的坡度范圍為00～300，小區(qū)尺寸為80CmX60Cmx25cm，底部按IOcmX10cm間距開孔。

選取陜西省安塞縣黃綿土，試驗(yàn)前將土壤進(jìn)行自然風(fēng)干并過5mm篩，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤含水量為14%，土壤容重為1.2g/cm3。試驗(yàn)之前首先建設(shè)裸土小區(qū)：在試驗(yàn)小區(qū)的底部鋪上一層5cm厚的細(xì)沙，然后在細(xì)沙上方鋪一層透水紗布，模擬坡面在天然條件下的透水情況，最后在透水紗布上分層裝填土壤，每層土壤厚5cm，共4層。之后種草建成草地小區(qū)，待草地植被生長穩(wěn)定后進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

試驗(yàn)草種選用早熟禾，條帶狀種植，草被覆蓋度設(shè)計(jì)為40%，每場(chǎng)降雨試驗(yàn)之前先用相機(jī)對(duì)草地小區(qū)進(jìn)行拍照，然后將照片采用ImageJ軟件分析之后得到準(zhǔn)確的草被覆蓋度，若與40%差異過大，則對(duì)草冠部分進(jìn)行修剪，保證降雨試驗(yàn)時(shí)草被蓋度為40%。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)（I）分別為0.7、1.0、1.5、2.0、2.5mm/min，同時(shí)坡度為7°的試驗(yàn)5場(chǎng)；設(shè)計(jì)坡度（S）分別為7°、10°、15°、20°、25°，同時(shí)雨強(qiáng)為0.7mm/min的試驗(yàn)5場(chǎng)。設(shè)計(jì)1個(gè)重復(fù)，共計(jì)18場(chǎng)次試驗(yàn)。

試驗(yàn)每一場(chǎng)降雨時(shí)長均為40min，降雨產(chǎn)流之后的第1min、第3min、第6min各取樣觀測(cè)一次，之后每隔3min取樣一次。試驗(yàn)時(shí)，采用高錳酸鉀染色法測(cè)定水流表面流速，然后根據(jù)水流流態(tài)確定流速修正系數(shù)χ值，最后計(jì)算出坡面水流平均流速。

采用Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出經(jīng)驗(yàn)方程、決定系數(shù)和顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化特征

2.1.1 不同雨強(qiáng)下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化特征

圖1為不同雨強(qiáng)下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)的變化曲線。由圖1可知，不同雨強(qiáng)下降雨產(chǎn)流開始階段草地坡面水流流速不斷增大，在產(chǎn)流約20min之后流速緩慢增大或基本保持穩(wěn)定。不同雨強(qiáng)下流速隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)基本相似，但0.7mm/min雨強(qiáng)下的流速明顯小于其他雨強(qiáng)下的流速，其他雨強(qiáng)下流速值之間的差異較小。

不同雨強(qiáng)下的草地坡面降雨產(chǎn)流過程中，在開始降雨后的短時(shí)間內(nèi)，土壤的人滲率較大，降雨全部人滲于土壤中，地表無徑流產(chǎn)生。隨著降雨繼續(xù)進(jìn)行，坡面表層土壤含水量增大，土壤人滲率迅速減小至降雨強(qiáng)度以下時(shí)，草地坡面開始產(chǎn)生徑流，流量和流速增大較快，在降雨持續(xù)20min左有時(shí)，土壤人滲率趨于緩慢減小或穩(wěn)定變化，草地坡面水流流量及相應(yīng)的流速呈現(xiàn)為緩慢增大或穩(wěn)定變化。

表1為不同雨強(qiáng)下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化的擬合方程及檢驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，不同雨強(qiáng)下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化均可用冪函數(shù)方程進(jìn)行描述，決定系數(shù)為0.704～0.943，顯著性水平皆為0.01。

2.1.2 不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化特征

圖2為不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)的變化。由圖2可知，不同坡度下流速隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)與不同雨強(qiáng)下的基本相似，流速隨降雨歷時(shí)延長，剛開始快速增大，一段時(shí)間之后基本保持不變。稍有不同的是，不同坡度下坡面水流流速在開始產(chǎn)流大約15min之后基本保持不變，不同雨強(qiáng)下流速則是在20min之后趨于平穩(wěn)的。

表2為不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化的擬合方程及檢驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化均可用冪函數(shù)方程進(jìn)行描述，相關(guān)性較不同雨強(qiáng)下的弱，決定系數(shù)為0.420～0.943，顯著性水平為0.01～0.10。

2.2 雨強(qiáng)對(duì)草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速的影響

圖3為草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速隨雨強(qiáng)的變化。由圖3可知，雨強(qiáng)從0.7mm/min增大至1.Omm/min.草地坡面平均流速顯著增大，約增大0.04m/s；雨強(qiáng)繼續(xù)增大到2.5mm/min時(shí)，流速增幅很小，各雨強(qiáng)下草地坡面平均流速的變化范圍為0.06～0.12m/s。試驗(yàn)條件下草地坡面平均流速隨雨強(qiáng)增大而增大的關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述（決定系數(shù)R2=0.747，顯著性水平P<0.1）：

v=0.029InI+0.090式中：V為草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速，m/s；I為雨強(qiáng)，mm/min。

草地坡面水流平均流速隨雨強(qiáng)增大而增大，原因是在同一坡度下，隨著雨強(qiáng)增大，草地坡面徑流量隨之增大，徑流所受沿順坡方向的分力增大，使得流速增大。由圖3可知，雨強(qiáng)從0.7mm/min增大至1.Omm/min時(shí)，平均流速增大0.04m/s；雨強(qiáng)從1.Omm/min增大至2.5mm/min時(shí)，平均流速增大0.02m/s。在小雨強(qiáng)下，草地坡面水流的動(dòng)力小，水流分離土壤能力弱，坡面較為平整，坡面阻力較小，水流直接順坡流下，因此當(dāng)流量增大時(shí)，坡面流速快速增大。而在大雨強(qiáng)下，草地坡面水流動(dòng)力較大，分離土壤能力增強(qiáng)，坡面被沖刷得凹凸不平，坡面阻力增大，使坡面水流動(dòng)力被大量消耗，從而導(dǎo)致流速增大緩慢。

2.3 坡度對(duì)草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速的影響

圖4為草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速隨坡度的變化。由圖4可知，坡度從7°增大至10°時(shí)，草地坡面平均流速顯著增大，繼續(xù)增大至25°時(shí)，平均流速增幅明顯減小，試驗(yàn)條件下流速變化范圍為0.06～0.14m/s。草地坡面平均流速隨坡度增大而增大的變化關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述：

V=0.0431ns+0.007（R2=0.893.P<0.05）式中：s為坡度，（°）。

草地坡面水流平均流速隨坡度增大而增大，原因是在同一雨強(qiáng)下，隨著坡度增大草地坡面徑流所受沿順坡方向的分力增大，使流速隨之增大。

2.4 雨強(qiáng)及坡度復(fù)合因子對(duì)草地坡面流速的影響

二元回歸統(tǒng)計(jì)分析表明，試驗(yàn)條件下草地坡面平均流速與雨強(qiáng)及坡度復(fù)合因子成正相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系可用二元對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述：

由式中雨強(qiáng)和坡度因子系數(shù)可知，試驗(yàn)條件下坡度對(duì)草地坡面水流平均流速的影響大于雨強(qiáng)的，這與焦念等6的試驗(yàn)研究結(jié)果一致。焦念等人研究所得決定系數(shù)為0.90，高于本研究的，原因是其試驗(yàn)在裸土坡面上進(jìn)行，在試驗(yàn)條件確定后，試驗(yàn)中只有雨強(qiáng)和坡度2個(gè)因子是變化的，其他因素基本不變：而本研究的試驗(yàn)是在草地坡面上進(jìn)行的，除了雨強(qiáng)和坡度2個(gè)主要影響因子外，草被本身帶來的不確定性會(huì)影響坡面水流流速，最終導(dǎo)致本試驗(yàn)條件下得到的方程相關(guān)性降低。

3 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)條件下，不同雨強(qiáng)草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)的變化特征相似，皆表現(xiàn)為產(chǎn)流剛開始時(shí)快速增大，產(chǎn)流約20min之后轉(zhuǎn)為緩慢增大或基本穩(wěn)定。

（2）在試驗(yàn)條件下，不同坡度草地坡面水流流速隨降雨歷時(shí)變化特征表現(xiàn)為產(chǎn)流剛開始時(shí)快速增大，產(chǎn)流約15min之后轉(zhuǎn)為緩慢增大或基本穩(wěn)定，可用冪函數(shù)描述其隨降雨歷時(shí)的變化。

（3）草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速與雨強(qiáng)、坡度單一因子均成正相關(guān)關(guān)系，均可用對(duì)數(shù)函數(shù)描述。雨強(qiáng)從0.7mm/min增大至2.5mm/min時(shí)，平均流速變化范圍為0.06～0.12m/s；坡度從7°增大至25°時(shí)，平均流速變化范圍為0.06～0.14m/s。

（4）草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速與雨強(qiáng)及坡度2個(gè)復(fù)合因子成正相關(guān)關(guān)系，可用二元對(duì)數(shù)函數(shù)描述。試驗(yàn)條件下，坡度對(duì)草地坡面次降雨產(chǎn)流平均流速的影響大于雨強(qiáng)的。

受試驗(yàn)條件的限制，未進(jìn)行草地植被自身屬性對(duì)流速影響的相關(guān)試驗(yàn)，而這些因素會(huì)不同程度地影響流速。因此，在今后的研究工作中，應(yīng)進(jìn)一步開展草地坡面草被種類、覆蓋度、草地植被莖稈、草地落葉層及草地根系形態(tài)等對(duì)坡面水流流速影響的試驗(yàn)研究。