模擬降雨條件下黃土區(qū)邊坡植物護(hù)坡效應(yīng)

竇增寧 胡夏嵩 劉昌義 徐志聞

摘要：為研究寒旱環(huán)境下草本和灌木植物固土護(hù)坡作用，以西寧盆地作為研究區(qū)，采用野外模擬降雨試驗(yàn)裝置，分別對(duì)自建試驗(yàn)區(qū)草本植物垂穗披堿草和細(xì)莖冰草、灌木植物檸條錦雞兒和霸王以及裸坡開(kāi)展模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在降雨強(qiáng)度為35mm/h、降雨歷時(shí)為90min時(shí)，裸坡坡面單位面積累計(jì)產(chǎn)流量與累計(jì)產(chǎn)沙量均相對(duì)較大，分別為4816.52ml/m2、30.10g/m2，霸王與檸條錦雞兒邊坡的分別為4082.79mL/m2、18.58g/m2與4329.01mL/m2、21.70g/m2，垂穗披堿草與細(xì)莖冰草邊坡的分別為3693.18mL/m2、13.92g/m2與3469.35mL/m2、10.20g/m2；裸坡雷諾數(shù)（平均值為132）與弗勞德數(shù)（平均值為0.11）比灌木與草本植物邊坡的大，反映了裸坡坡面水流侵蝕現(xiàn)象最嚴(yán)重；草本植物邊坡阻力系數(shù)比灌木邊坡的大，說(shuō)明草本阻滯坡面徑流作用比灌木的大。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；水土保持；植物護(hù)坡；地表徑流；黃土邊坡

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.019

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，一些不合理的邊坡開(kāi)挖和施工方法對(duì)坡面原生植物群落產(chǎn)生不同程度影響，從而造成坡體表層水土流失，甚至發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象川。邊坡防護(hù)措施通常有植物護(hù)坡、工程護(hù)坡以及植物與工程相結(jié)合等，以坡面長(zhǎng)期穩(wěn)定、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)、防治水土流失為目的。已有研究表明，降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一，植物具有從根本上治理水土流失的作用。薦圣淇等在降雨強(qiáng)度為0.2～2.0mm/h的條件下對(duì)尺寸為10m×10m的檸條錦雞兒和沙棘邊坡進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明檸條錦雞兒降雨截留量為28.0%、沙棘截留量為18.3%。Curran等指出植物影響坡面水文效應(yīng)主要是通過(guò)植物地上莖葉部分截留部分降雨且緩沖和分散高速下落雨滴。張俊云對(duì)尺寸為10.5m×3.5m的狗牙根邊坡進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果得出降雨強(qiáng)度為20mm/h，降雨歷時(shí)為190min時(shí)，邊坡表層產(chǎn)生的徑流量占降雨量的15.9%。Peng等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)工程堆積體邊坡進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明徑流流量由5L/min增加至2502L/min時(shí)，平均產(chǎn)沙率從0.28g/（m2·min）增至177.37g/（m2·min）。Assouline等在降雨強(qiáng)度為24、60mm/h的條件下對(duì)坡度為3°～14°的5個(gè)邊坡進(jìn)行了降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明徑流量與產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)先增大后趨于穩(wěn)定。

植物護(hù)坡能有效減少地表徑流，起到防治邊坡水土流失和淺層滑坡的作用，因此開(kāi)展植物護(hù)坡水文效應(yīng)的深入研究非常必要。由于自然降雨常受到降雨歷時(shí)、降雨量、地域等諸多因素的限制，因此定量評(píng)價(jià)植物在防治坡面水土流失和淺層滑坡的貢獻(xiàn)尚存在一定困難。采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法有助于實(shí)現(xiàn)模擬天然降雨條件下不同植物的護(hù)坡貢獻(xiàn)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置不同降雨強(qiáng)度，有效縮短試驗(yàn)周期。

本研究采用課題組自行設(shè)計(jì)的野外模擬降雨試驗(yàn)裝置，選取西寧盆地作為研究區(qū)，通過(guò)自建試驗(yàn)區(qū)的方式，對(duì)生長(zhǎng)期為3a的草本植物垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡和灌木植物霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡以及裸坡進(jìn)行野外原位模擬降雨試驗(yàn)，探討試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡在相同降雨強(qiáng)度條件下不同降雨歷時(shí)的坡面地表徑流量和產(chǎn)沙量；在此基礎(chǔ)上，利用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析試驗(yàn)區(qū)草本和灌木植物的護(hù)坡水文效應(yīng)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于西寧盆地，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°44′、北緯36°43′，平均海拔為2261m，屬于半干旱和高寒氣候區(qū)。夏季降水量為110.6～479.1mm、水面蒸發(fā)量為1350～3000mm、平均日照時(shí)數(shù)為634.5h、平均氣溫為13.0℃。試驗(yàn)區(qū)氣候具有日照長(zhǎng)、雨水少、蒸發(fā)量大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日夜溫差大、無(wú)霜期短和冰凍期長(zhǎng)等特點(diǎn)，層狀黃土覆蓋層發(fā)育。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本項(xiàng)研究通過(guò)自建坡度為30°的粉土邊坡，選取適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚯腋蛋l(fā)達(dá)的草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb）和細(xì)莖冰草（Agropyron trachy-caulum（Linn.）Gaertn）、灌木植物檸條錦雞兒（Caragana Korshinskii Kom）和霸王（Zygophyllum xan-thoxylon（Bunge）Maxim）作為試驗(yàn)供試種，以裸坡作為對(duì)照。試驗(yàn)區(qū)5種邊坡類(lèi)型如圖1所示。為保證試驗(yàn)區(qū)邊坡種植的草本和灌木植物滿足覆蓋度為100%的試驗(yàn)要求，采用的植物種植方案為：草本植物采用條播方式種植，行距為5cm；灌木植物采用穴播方式種植，株距為5cm、行距為5cm、穴深為3～5cm，每穴3～5粒種子。試驗(yàn)區(qū)種植植物生長(zhǎng)量指標(biāo)見(jiàn)表1，邊坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)與土壤顆粒級(jí)配見(jiàn)表2、表3（不均勻系數(shù)Cu=4.50，曲率系數(shù)Cc=0.50，d50=0.006mm）。

2.2 試驗(yàn)方法

課題組自行設(shè)計(jì)的野外模擬降雨試驗(yàn)裝置主要由降雨控制裝置、降雨裝置、集雨槽3部分組成（見(jiàn)圖2）。降雨控制裝置主要通過(guò)水壓表和泄壓閥調(diào)節(jié)水壓，以調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，降雨供水水源采用管道接入的水源；降雨裝置由均勻布設(shè)在坡面頂部的9個(gè)降雨噴頭組成，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭頂部旋鈕調(diào)節(jié)雨滴直徑；集雨槽主要用于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)坡面地表徑流的收集。在邊坡四周及中間位置共布設(shè)5個(gè)雨量筒作為測(cè)點(diǎn)，采用均勻系數(shù)計(jì)算公式得到本試驗(yàn)降雨均勻系數(shù)為0.92，可以滿足野外試驗(yàn)要求。均勻系數(shù)計(jì)算公式為式中；k為均勻系數(shù)；xi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的雨量，mm；x為各測(cè)點(diǎn)平均雨量，mm；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)Gvnn等的研究，當(dāng)降雨高度為2.2～5.0m時(shí)，雨滴終點(diǎn)速度為4.03～4.46m/s，在該降雨高度范圍內(nèi)雨滴終點(diǎn)速度變化不大。故本試驗(yàn)坡面降雨高度取2.4～3.4m，可滿足野外試驗(yàn)?zāi)M降雨所需的終點(diǎn)速度。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)所在的西寧盆地的次平均降雨量和最大暴雨強(qiáng)度，取試驗(yàn)降雨強(qiáng)度35mm/h、降雨歷時(shí)90min，自降雨開(kāi)始每5min用集水瓶收集～次產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量，并及時(shí)密封、編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，其中：集水瓶中的徑流量采用電子天平直接稱(chēng)量，產(chǎn)沙量采用室內(nèi)烘干法測(cè)量。待降雨過(guò)程中坡面產(chǎn)流穩(wěn)定時(shí)，采用染色法測(cè)定坡面流速，同時(shí)采用Abrahams方法對(duì)實(shí)測(cè)的水流表層流速進(jìn)行修正（層流修正系數(shù)為0.67，過(guò)渡流為0.7，紊流為0.8）。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面地表產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量特征分析

試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡單位面積產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知，5種類(lèi)型邊坡在降雨初期0～25min時(shí)坡面產(chǎn)流量均呈增大趨勢(shì)，但變化幅度不同。在降雨歷時(shí)60～90min時(shí)，5種類(lèi)型邊坡坡面產(chǎn)流量增大趨勢(shì)相對(duì)減緩，裸坡坡面單位面積產(chǎn)流量為331.60～341.32mL/m2，灌木植物霸王邊坡與檸條錦雞兒邊坡分別為259.85～271.01、317.13～286.44mL/m2，草本植物垂穗披堿草邊坡與細(xì)莖冰草邊坡分別為244.21～261.27、240.61～279.37mL/m2。

圖4為試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡單位面積產(chǎn)沙量與降雨歷時(shí)的關(guān)系曲線，由圖4可知，降雨歷時(shí)60～90min時(shí)5種類(lèi)型邊坡單位面積產(chǎn)沙量增加趨勢(shì)相對(duì)減緩，但減幅不同，裸坡單位面積產(chǎn)沙量相對(duì)較大，為1.98～2.01g/m2；灌木植物檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡次之，分別為1.31～1.54、1.09～1.04g/m2；草本植物垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡最小，分別為0.58～1.11、0.53～0.81g/m2。

3.2 坡面累計(jì)產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量特征分析

試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡單位面積累計(jì)產(chǎn)流量隨降雨歷時(shí)變化曲線如圖5所示。由圖5可知，降雨歷時(shí)為90min時(shí)5種類(lèi)型邊坡單位面積累計(jì)產(chǎn)流量由大到小依次為裸坡、檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡、垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡，分別為4816.52、4329.01、4082.79、3693.18、3469.35mL/m2。試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡單位面積累計(jì)產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)變化曲線如圖6所示。由圖6可知，降雨歷時(shí)為90min時(shí)5種類(lèi)型邊坡單位面積累計(jì)產(chǎn)沙量由大到小依次為裸坡、檸條錦雞兒邊坡、霸王邊坡、垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡，分別為30.10、21.70、18.58、13.92、10.20g/m2。同樣條件下植物邊坡較裸坡能相對(duì)有效減緩坡面徑流的形成，主要原因在于灌木植物冠幅與草本植物分蘗數(shù)較大，降水一部分存留在莖葉上，另一部分則通過(guò)根系滲入地下；而裸坡無(wú)植被，降水直接擊打坡面，徑流在坡面迅速形成，產(chǎn)流量較植物邊坡顯著增大。

宋維峰等對(duì)坡度為10°、15°的裸坡和刺槐邊坡進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，得出裸坡比刺槐邊坡徑流量高15%～48%、含沙量高55.5%～133.0%；李華坦等在降雨強(qiáng)度為35mm/h、坡度為30°的條件下，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M裸坡與覆蓋度為100%的草本植物垂穗披堿草、細(xì)莖冰草邊坡在降雨歷時(shí)為1h的坡面徑流量，得出徑流量由大到小依次為裸坡、細(xì)莖冰草邊坡、垂穗披堿草邊坡，分別為26.8、1.10、0.65L。本研究與上述學(xué)者的研究結(jié)論基本一致。

3.3 邊坡坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)比

本研究根據(jù)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr）、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f），分別對(duì)5種類(lèi)型邊坡產(chǎn)流能力進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，進(jìn)一步評(píng)價(jià)草本和灌木植物的護(hù)坡水文效應(yīng)。

試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡降雨歷時(shí)與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在降雨歷時(shí)為60～90min時(shí)，5種類(lèi)型邊坡Re均小于500且變化不大，流態(tài)為層流。裸坡坡面Re顯著大于植物邊坡的，說(shuō)明植被可減小水流的Re。試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡降雨歷時(shí)與弗勞德數(shù)的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，坡面徑流穩(wěn)定后Fr均小于1，水流流態(tài)為緩流，但裸坡比其他4種有植被的邊坡Fr顯著偏大，主要原因是坡面糙率不同，植被能在有效消減徑流能量和分散徑流的同時(shí)增大坡面糙率，從而增大坡面流阻力，減緩流速，使Fr減小_

楊春霞等利用裸坡、低草被覆蓋和高草被覆蓋的15°邊坡進(jìn)行流量為5L/min的模擬徑流沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明：3種邊坡的雷諾數(shù)大小順序?yàn)槁闫?低草被覆蓋邊坡>高草被覆蓋邊坡。本研究結(jié)果表明，同樣降雨條件下的裸坡Re與Fr均顯著大于灌木植物邊坡和草本植物邊坡的，表現(xiàn)出植被能有效延緩坡面流速、減小產(chǎn)流產(chǎn)沙量，與上述學(xué)者的研究結(jié)論一致。

降雨過(guò)程中邊坡植物造成的阻力直接影響邊坡產(chǎn)匯流方式，從而影響土壤侵蝕過(guò)程。阻力系數(shù)f反映坡面流所受的阻力大小，f愈大，則水流克服坡面阻力所消耗的能量就愈大。圖9為試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡阻力系數(shù)與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線，由圖9可知，裸坡坡面阻力系數(shù)比植被邊坡的小，裸坡、霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡平均阻力系數(shù)分別為0.206、0.229、0.278，草本植物垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡的則分別為0.284、0.299，由此可以看出草本植物邊坡比灌木植物邊坡阻力系數(shù)大一些。

肖培青等分別對(duì)坡長(zhǎng)5m、寬m3、高0.6m的裸坡、紫花首蓿邊坡和紫穗槐邊坡進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明裸坡阻力系數(shù)顯著小于紫穗槐邊坡和紫花首蓿邊坡的，與本研究結(jié)論一致。綜合上述研究可知，草本植物邊坡相對(duì)于灌木植物邊坡具有顯著減緩坡面流速、增大邊坡阻力系數(shù)的作用。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)區(qū)裸坡、霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡、垂穗披堿草邊坡、細(xì)莖冰草邊坡隨降雨歷時(shí)的增加，坡面單位面積產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)先急劇增大后增大減緩的變化趨勢(shì)。

（2）通過(guò)分析試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡單位面積累計(jì)產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量可知，相同降雨強(qiáng)度下裸坡受到雨水沖蝕作用最大，灌木植物邊坡次之，草本植物邊坡最小，表現(xiàn)出草本和灌木植物在減小坡面土壤侵蝕方面起到較為顯著的作用。

（3）本研究通過(guò)雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr），Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f）對(duì)比分析了試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡坡面流態(tài)，結(jié)果表明：在同樣降雨強(qiáng)度下，草本植物邊坡Re、Fr均顯著小于灌木邊坡與裸坡的，而f則大于灌木邊坡與裸坡的。