人工降雨下草被對黃土丘陵溝壑區(qū)坡面徑流的調控及臨界閾值

陳戎欣，呂錫芝，倪用鑫，魏義長

1. 華北水利水電大學，河南 鄭州 450003；2. 黃河水利委員會黃河水利科學研究院/水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003

黃土高原丘陵溝壑區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失情況十分嚴重，造成該區(qū)嚴重水土流失的主要外動力是坡面徑流，而草地植被對于坡面徑流具有明顯的干擾作用（朱冰冰等，2010；李勉等，2007）。明晰黃土丘陵溝壑區(qū)的草地植被對坡面產流過程的作用及其調控的機理對于揭示土壤侵蝕機理具有相當重大的意義。

諸多學者的研究表明，植物能夠改變土壤的入滲、改善土壤參數(shù)，進而對坡面徑流起到干擾作用（劉營營等，2013；何子淼等，2018；莫斌等，2016）。大量的研究還表明，草地植被對徑流有阻延作用（Wang et al.，2013；Sun et al.，2013；潘成忠等，2009；張寬地等，2014；張曉艷等，2015），對產流特征以及坡面流水力學參數(shù)具有重要影響（Moir et al.，2000；Neave et al.，2002；吳欽孝等，2001；余新曉等，2004）。

還有學者的研究表明了草地植被對于抑制坡面徑流產生與發(fā)育有著良好的調控作用，草地植被能夠對雨滴能量、土壤入滲率產生影響，還能減小坡面徑流量、影響坡面徑流系數(shù)以及坡面流產生的開始時間（焦菊英等，2001）。

另外還有對裸地、草地以及灌木地的產流過程與水力學參數(shù)之間的響應關系進行研究，結果表明，隨著降雨強度的增加，土壤初始階段和最終階段的入滲率差異增大（姚文藝等，2011；肖培青等，2011）。在覆有草地植被的坡面上，坡面流為過渡流和紊流；雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)會受到草地植被覆蓋的變化而隨之產生改變；而坡面流的阻延作用受到草地植被的影響伴隨著徑流量的上升而下降（Zuo et al.，2016；楊春霞等，2008；張寬地等，2014；孫佳美等，2015）。

上述研究都是單方面從水力學或者水文學角度入手進行研究，對野外人工降雨條件下不同草地植被覆蓋度下的水動力學特性研究較少。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，不同草被覆蓋度下，坡面產流過程發(fā)生變化的原因是什么？坡面產流過程發(fā)生變化時，臨界的草被覆蓋度閾值又是多少？這些問題尚不明確。因此，本研究針對降雨-產流過程對不同草被覆蓋度的響應規(guī)律，探索草地植被對坡面產流過程的調控機理及模式，定量分析產流過程變化下的臨界草被覆蓋度閾值，為坡面水文模型及土壤侵蝕模型研究提供理論支持，并進一步豐富區(qū)域產匯流理論，可為該區(qū)域水土保持與生態(tài)建設提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

本研究采用野外人工降雨技術研究徑流過程和坡面徑流水動力學特征。擬選取的野外試驗地位于黃土丘陵溝壑區(qū)黃河水利委員會天水水土保持試驗站羅玉溝流域，流域內現(xiàn)有1個小氣候觀測站、6個雨量站及多個野外徑流觀測小區(qū)，為本項目提供了野外研究的試驗基地。試驗區(qū)土壤為低液限黃土，同時該試驗站近幾十年積累的氣象數(shù)據(jù)（降雨量、雨強、溫濕度等）、下墊面情況（坡度、坡向、土壤含水量等）以及徑流泥沙方面的數(shù)據(jù)也可為本研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1.1 試驗設計要點

（1）草地植被覆蓋度的設定

研究選擇黃土高原丘陵溝壑區(qū)最常見的草本植物紫花苜蓿（Medicago sativa L.）為研究對象。在試驗區(qū)內選擇坡面平整、人為擾動小、附近有水源和電源且無鼠洞和樹洞等深層滲漏發(fā)生的坡地，選擇6個不同草被覆蓋度的草地坡面和一個裸坡對照坡面，在選擇草被坡面時先采用點-框法選出 2個低密度草被覆蓋度坡面（20%、35%）、2個中密度草被覆蓋度坡面（50%、65%）和1個高密度草被覆蓋度坡面（80%）。徑流小區(qū)長5 m，寬1 m，小區(qū)四周用鐵板設置圍埂，尾部設置V形收集口，用來收集形成的徑流。各個覆蓋度的坡面均在原位進行不同雨強的人工降雨。

（2）降雨強度及降雨歷時

根據(jù)黃土高原多年的降雨特征，試驗區(qū)常年降水以暴雨為主，年最大日降水最小值為 32.7 mm·d-1，最大值為 110.5 mm·d-1，平均值約為 59.2 mm·d-1（李悅等，2015）。本試驗選取3種不同的降雨強度（60、90、120 mm·h-1，每次降雨持續(xù)60 min）研究降雨產流過程的基本特征。

（3）坡度

試驗區(qū)徑流小區(qū)坡度均為該地區(qū)原始坡度20°，符合黃土高原統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.1.2 試驗準備

預處理：在正式試驗之前，首先用 30 mm·h-1的降雨強度對坡面進行持續(xù)降雨，至該坡面開始產生坡面流之后停止降雨（產流時間由于覆蓋度與雨強的差異，最短94 s，最長297 s），再用塑料布將坡面覆蓋保護起來靜置24 h。為了保證每次正式開始測量的時候坡面下墊面土壤的初始含水量基本一致，在試驗坡面靜置結束之后以及試驗結束之后，對土壤的容重以及土壤的含水量進行測定（降雨前土壤含水量約為26.43%，試驗后土壤含水量約為38.87%）。

1.1.3 降雨產流過程測定

降雨產流過程測定：設定好降雨強度，進行降雨，記錄好降雨的時間，在坡面流產生的時候，記錄下產流的時間；之后的10 min，每隔1 min收集1次水樣；10 min之后，再每間隔2 min收集1次水樣。

1.1.4 坡面流水動力學參數(shù)測定

（1）坡面流流速：采用染色劑示蹤法測定，設置 5個測量斷面，距試驗小區(qū)坡底的距離分別為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m，每個測量斷面上取3個點進行流速的測定，測量點距小區(qū)邊界的距離分別為0.3、0.5、0.7 m。每個測量點測定6次流速，取平均值，根據(jù)流態(tài)進行修正，得到最終的平均流速。

（2）坡面流水深：在流速測量點上采用數(shù)顯測針（精度0.01 mm）同步測定徑流水深，每個測量點測量4次，取平均值。流速水深測量示意圖見圖1。

圖1 坡面流水動力學參數(shù)測定Fig. 1 Measurement of hydrodynamic parameters of slope flow

（3）細溝寬度：采用直尺測量，如坡面流流速，在設置的5個橫斷面上測量各細溝流寬度，取其平均值。

1.1.5 模擬降雨實驗系統(tǒng)

野外人工模擬降雨裝置選擇北京師范大學和北京交通大學研發(fā)的槽式下噴人工模擬降雨機，該降雨機使用Spraying Systems Co.Veejet 80150噴頭，水壓0.04 MPa，噴頭高度2.5 m以上，雨滴可達到終點速度。通過控制噴頭擺動頻率可獲得不同的雨強，可模擬雨強范圍20—200 mm·h-1，共10個雨強檔次。

1.2 水力參數(shù)計算

坡面流水力學的參數(shù)可通過流速、水深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)來具體表示。

1.2.1 水流水深

這需要單位把長期投資方案的現(xiàn)金進行流出，然后把相關建設投資各年所獲得的現(xiàn)金流入，該方法主要是利用相同時點的數(shù)值來進行表示，最后則需要進行對比分析。對相關數(shù)據(jù)進行對比分析的目的是為了能夠了解到方案的經濟性，從而把各方案的投資利益都歸納到客觀的基礎上。

式中，H為水流深度（cm）；A為過水斷面面積（cm2）；X為濕周周長（cm）。

若橫斷面為矩形，那么：

式中，B為細溝寬度（cm）；h為細溝水流的深度（cm）。

1.2.2 雷諾數(shù)

式中，R為雷諾數(shù)；v為流速（cm·s-1）；υ為運動粘滯系數(shù)（cm2·s-1）。

式中，t為試驗時水的溫度。

1.2.3 弗勞德數(shù)

1.2.4 阻力系數(shù)

式中，f為阻力系數(shù)；J為水力坡度，對于均勻流，J=i=sinθ，θ為小區(qū)坡度。

2 結果與分析

2.1 徑流量變化規(guī)律

不同試驗條件下，徑流量-降雨時間曲線如圖2所示。從圖中可以看出，在試驗初期，徑流量快速增長，然后逐漸平穩(wěn)；同時草地植被對徑流量有明顯的抑制產流作用，在各降雨強度條件下，80%草地植被覆蓋度的坡面穩(wěn)定徑流量最小。本試驗中，在降雨強度為 60 mm-1的條件下，裸坡坡面的每分鐘穩(wěn)定徑流量是0.93 m3·min-1，20%—80%覆蓋度的坡面每分鐘穩(wěn)定徑流量為 0.78、0.65、0.55、0.45 m3·min-1、0.04 m3·min-1。本試驗設置的最高（80%）草地植被覆蓋度坡面，在60 mm·h-1的降雨強度下，能夠最大限度地降低 95%的徑流量。90 mm·h-1以及 120 mm·h-1的降雨條件下，裸坡坡面最終的穩(wěn)定徑流量分別為1.34 m3·min-1和1.91 m3·min-1，而80%草地植被覆蓋度的坡面穩(wěn)定徑流量分別 0.37 m3·min-1和 0.87 m3·min-1，能降低72.2%和54.8%。

2.2 草地植被覆蓋度閾值分析

對草地植被覆蓋度與不同降雨強度下的徑流量的關系進行擬合，結果如圖 3—5所示。隨著草地植被覆蓋度的增加，坡面的產流量逐漸下降，不同降雨強度下，徑流量的變化有所差異。在 60 mm·h-1的降雨強度下，草地植被對坡面徑流量的影響顯著，徑流量的變化隨著覆蓋度的增加而較快下降，后趨于平緩，之后再快速下降。前一段較為快速下降體現(xiàn)了草地植被對徑流量的抑制作用，第二段快速下降體現(xiàn)了草地植被覆蓋度的閾值情況。而在90 mm·h-1與120 mm·h-1的降雨強度下，這一變化不顯著，這是由于暴雨導致草地植被不能充分發(fā)揮其功效，降雨產生的坡面徑流直接沖刷坡面。在黃土丘陵溝壑區(qū)多暴雨的情況下，光憑草地植被不能有效地應對該區(qū)域的降雨情況，草地植被對于90 mm·h-1以上的降雨強度的所產生的徑流量的影響逐漸減弱。

圖2 不同試驗條件下坡面產流過程Fig. 2 Runoff generation on slopes under different experimental conditions

圖3 60 mm·h-1降雨強度下徑流量-覆蓋度變化Fig. 3 Volume of runoff-coverage change under 60 mm·h-1 rainfall intensity

圖4 90 mm·h-1降雨強度下徑流量-覆蓋度變化Fig. 4 Volume of runoff-coverage change under 90 mm·h-1 rainfall intensity

圖5 120 mm·h-1降雨強度下徑流量-覆蓋度變化Fig. 5 Volume of runoff-coverage change under 120 mm·h-1 rainfall intensity

草地植被覆蓋度的閾值由于研究的對象與區(qū)域不同，并未形成一致結論，但是在達到草地植被覆蓋度閾值的情況下，相較于裸坡，草地都有效地減少了約80%的徑流量（朱冰冰等，2010；孫佳美等，2015；王晗生等，1999）。本研究 60 mm·h-1降雨強度下，75%的草地植被覆蓋度能夠有效減少80%的徑流量；而 90 mm·h-1的降雨強度下，則需要90%的草地植被覆蓋度；在面對120 mm·h-1的降雨強度時，草地植被對徑流量的影響不顯著。

2.3 水力學參數(shù)研究

2.3.1 不同雨強下雷諾數(shù)隨時間的變化

由圖6可知，在60 mm·h-1降雨強度下，雷諾數(shù)的增長不明顯，雷諾數(shù)呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的態(tài)勢，這是由于降雨初期，由于土壤的作用會引起水分入滲，當土壤入滲達到飽和時，雷諾數(shù)由增長趨于穩(wěn)定。在60 mm·h-1降雨強度下，坡面流雷諾數(shù)都小于580；而當降雨強度增加到90 mm·h-1時，雷諾數(shù)達到穩(wěn)定（346—611），在覆蓋度低的坡面雷諾數(shù)大于580，坡面流由層流轉為紊流；120 mm·h-1降雨強度下，雷諾數(shù)穩(wěn)定后的數(shù)值范圍在 435—663，低蓋度和高蓋度的坡面差異明顯。

圖6 不同試驗條件下雷諾數(shù)（R）變化Fig. 6 Variation of Reynolds Number (R) under different test conditions

從圖6中可以看出，雷諾數(shù)趨于穩(wěn)定的時間隨著植被蓋度的增加而有所延長，這是因為植被能夠有效提高土壤入滲率，植被蓋度的增加使得在降雨前期土壤達到飽和所需的時間增多；而且草地植被能夠改變坡面徑流的流態(tài)，使坡面流更加穩(wěn)定。

2.3.2 不同雨強下弗勞德數(shù)的變化

弗勞德數(shù)反映的是水流的慣性力與重力之間的關系，能夠對水流的流型進行判別，是判斷坡面水流為急流或緩流的依據(jù)。一般而言，坡面水流有3種流型，分別是緩流、臨界流和急流。泥沙運動學研究表示，當弗勞德數(shù)F＜1時，水流為緩流；當弗勞德數(shù)F＞1時，水流為急流。

如圖7所示，本試驗中，弗勞德數(shù)在0.33—1.56之間，其在裸坡坡面的降雨初期下降明顯，最終趨于穩(wěn)定。當延長試驗持續(xù)時間和增大草地植被覆蓋度時，弗勞德數(shù)相應減小。草地植被的增加加強了坡面流的摩擦力，使得徑流相較于裸坡的變化更為平緩，弗勞德數(shù)的變化也顯得較小。試驗的前期坡面較為光滑，水流所受的阻力較小，流速較快，而隨著試驗的進行，坡面受到的侵蝕逐漸加劇，出現(xiàn)坡溝，對水流的阻力加大，弗勞德數(shù)逐漸降低。

2.3.3 不同雨強下阻力系數(shù)的變化

坡面流在坡面運動過程中所受到的總阻力可以用阻力系數(shù)來表示。水流阻力系數(shù)與試驗時間和草地植被覆蓋度呈正相關。試驗時間延長和草地植被覆蓋變大，阻力系數(shù)也會隨之上升。從圖8可以看出，在試驗前20 min，阻力系數(shù)增長比較平緩，在20 min之后，阻力系數(shù)增長趨勢更快，這是因為阻力系數(shù)的變化受到土壤性質、水流結構狀況和坡面的條件影響，細溝流還會因為細溝發(fā)育的形態(tài)變化而發(fā)生改變。

3 討論

草地植被對徑流量的影響體現(xiàn)在其改變土壤入滲參數(shù)，提高土壤入滲率（何子淼等，2018；莫斌等，2016），其自身也能減小雨滴能量、截留雨水（李勉等，2007），從而對坡面徑流進行調控，不同植被覆蓋結構對降雨產流的調控作用不同（楊春霞等，2019）。本研究中，各降雨強度下徑流量前10 min呈現(xiàn)快速增長趨勢，是由于草地植被對雨水進行了截留以及雨水入滲土壤。隨著含水量逐漸增加，草地植被對徑流量的影響逐漸減小，徑流量的增長趨勢在試驗進行15 min后趨于平緩，最終呈現(xiàn)平穩(wěn)的態(tài)勢。

在120 mm·h-1降雨強度下，草地植被對徑流量的影響不顯著，80%的草地植被覆蓋度在減少坡面徑流量方面效果不顯著，是由于降雨強度過大，降水量遠大于植被截留量與下滲量，此時坡面產流為超滲產流。因此，在應對降雨強度過大的情況，草地植被不能充分發(fā)揮功效，其對坡面徑流的調控作用有限。

圖7 不同試驗條件下弗勞德數(shù)（F）變化Fig. 7 Variation of Froude Number (F) under different test conditions

圖8 不同試驗條件下阻力系數(shù)（f）變化Fig. 8 Variation of resistance coefficient (f) under different test conditions

在閾值分析中，此前大量的研究都未確定一個明確的數(shù)值，各學者在分析草被覆蓋度的有效蓋度與臨界蓋度的研究表明，當草地植被覆蓋度在60%—80%能夠有效防止水土流失（張光輝等，1995；朱冰冰等，2010；孫佳美等，2015）。所得到的閾值幾乎都是相較于裸坡而言草地植被覆蓋度下的徑流量限制作用達到 80%左右。本研究中，在 60 mm·h-1降雨強度下，當草地植被覆蓋度大于60%，徑流量呈現(xiàn)快速下降的趨勢，而這一趨勢在另外兩個降雨強度下不顯著，也是由于降雨強度過大導致草地植被與土壤并未充分發(fā)揮功效。以草地植被發(fā)揮80%抑制作用為基準，在60 mm·h-1與90 mm·h-1降雨強度下，所得出的覆蓋度閾值分別為 75%與90%，與上述研究結果基本一致；而120 mm·h-1降雨強度下，草地植被的調控影響不顯著，說明僅憑草地植被不足以應對黃土丘陵溝壑區(qū)的降雨情況，當出現(xiàn)特大暴雨時，草地植被能起到的水土保持功效有限。因此，針對于黃土丘陵溝壑區(qū)的降雨情況，要控制該地區(qū)的水土流失應采用林、灌、草相結合的方式。

對于降雨和下墊面條件對水力學參數(shù)的影響方面，雷諾數(shù)隨降雨強度的增加而呈增大趨勢，降雨強度對雷諾數(shù)變化起著主導作用（白玉潔等，2018），水流阻力系數(shù)與降雨強度呈負相關關系，且草地植被對阻力系數(shù)有顯著性影響（張寬地等，2014；王玲玲等，2009）。本試驗中，水力學參數(shù)的變化受到下墊面條件的影響，阻力系數(shù)最開始增長平緩，后續(xù)增長迅速是由于徑流的沖蝕改變了徑流深度，同時細溝流形態(tài)隨著試驗進行也發(fā)生改變，坡面流流速也因此發(fā)生變化。弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)在有草地植被覆蓋的坡面和裸坡坡面的差異性顯著，草地植被改善了土壤入滲率，增加了坡面流的摩擦力。隨著試驗的進行，坡面徑流對水力學參數(shù)也存在持續(xù)影響。

4 結論

（1）草地植被覆蓋對60 mm·h-1降雨強度的坡面徑流有顯著影響，對90 mm·h-1降雨強度的坡面徑流影響減弱，而在120 mm·h-1的降雨強度下，草地植被對徑流產生的影響不顯著。隨著降雨強度的增大，草地植被對坡面徑流的影響減小。結合該區(qū)域的降雨及下墊面數(shù)據(jù)，在黃土丘陵溝壑區(qū)應采取林、灌、草相結合的方式來控制該區(qū)域的水土流失。

（2）在60 mm·h-1降雨強度條件下，草地植被覆蓋度在 75.38%的時候相較于裸坡坡面能夠減少80%的坡面徑流；在 90 mm·h-1降雨強度下，要達到同樣效果則需要 90.54%的草地植被覆蓋度；而120 mm·h-1降雨強度下草地植被已經不能達到相較于裸坡徑流80%的抑制作用。

（3）隨著草地植被覆蓋度的增加，雷諾數(shù)達到穩(wěn)定所需的時間增長，弗勞德數(shù)的變化波動變小。而阻力系數(shù)的變化由于草地植被影響細溝流的形態(tài)，在裸坡坡面變化顯著。