不同黑麥草覆蓋密度對(duì)坡面水流能量特征的影響研究

龍藝 張安田

摘要：四川省是長(zhǎng)江上游水土流失的策源地，也是長(zhǎng)江流域主要泥沙來(lái)源區(qū)，而且該地區(qū)降水集中、坡耕地多，坡面能量匯聚過(guò)程是產(chǎn)生水土流失的主要成因。為了治理坡耕地的土壤侵蝕并合理配置植物措施，依據(jù)四川省植被及土壤侵蝕分布情況，設(shè)計(jì)多組坡面覆蓋條件，研究了水流在不同黑麥草覆蓋密度下流動(dòng)時(shí)的坡面水流能量、能耗及動(dòng)能變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：卵石覆蓋坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面，且坡面植被密度為中等時(shí)水流能量最小，阻水效果最好。坡面流量較小時(shí)，坡面上部為卵石坡面的水流能耗較大，下部則是植被與卵石耦合坡面能耗大;流量較大時(shí)，能耗變化規(guī)律與小流量時(shí)相反。

關(guān)鍵詞：坡面流;能量能耗;植被密度;黑麥草覆蓋密度;水土流失;四川省

中圖法分類號(hào)：S157.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）06 - 0053 - 06

1 研究背景

長(zhǎng)江上游地形高差大，河流切割強(qiáng)烈，陡坡開(kāi)墾利用強(qiáng)度大，坡耕地面積占全國(guó)耕地總面積的32.85%，占長(zhǎng)江流域坡耕地面積的77.49%。長(zhǎng)江上游坡耕地主要集中在金沙江中下游、嘉陵江流域及川中丘陵區(qū)，這些區(qū)域坡度陡，降雨強(qiáng)度大且集中，是四川省水土流失的策源地和泥沙主要來(lái)源區(qū)。據(jù)調(diào)查，四川省每年水土流失量達(dá)3.8億t，僅次于我國(guó)北方黃土區(qū)。因此，在長(zhǎng)江上游地區(qū)開(kāi)展坡耕地治理具有重要意義。

為了有效減緩徑流沖刷力，改變徑流切應(yīng)力，需研究坡面流水力學(xué)特性，從而有效配置相應(yīng)措施，以改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。目前，在長(zhǎng)江上游開(kāi)展了大量坡耕地治理及生態(tài)修復(fù)工程。對(duì)于大面積的生態(tài)環(huán)境改善工程，均采用植物措施以減緩坡面徑流、增加土壤抗蝕性和改善生態(tài)環(huán)境。

多年生黑麥草根系發(fā)達(dá)，入土較淺，直立生長(zhǎng)一般不發(fā)叉，發(fā)芽并發(fā)揮護(hù)坡作用的時(shí)間要快于其他草種，能夠在-30 ℃的低溫條件下安全過(guò)冬。同時(shí)，黑麥草施工速度快，可迅速形成覆蓋層穩(wěn)定土壤，地面覆蓋程度較大，水土保持性能強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于道路護(hù)坡綠化。此外，黑麥草屬優(yōu)質(zhì)牧草，尤其在川中及川北低山區(qū)域較為常見(jiàn)，可在丘陵地區(qū)坡耕地搭配小麥等種植或在牧區(qū)單獨(dú)種植，在環(huán)境保護(hù)與生態(tài)農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。

為了揭示植被對(duì)坡面流的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化規(guī)律，本研究以川中及川北低山丘陵區(qū)較為常見(jiàn)的黑麥草作為試驗(yàn)草種，研究植被覆蓋下坡面流水力特性及能量變化。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

本試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備包括有機(jī)玻璃水槽、水箱以及放水設(shè)備。水槽長(zhǎng)6.0 m，寬0.5 m，深0.1 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)2.0 m。

研究無(wú)植被卵石坡面、不同密度植被與卵石耦合坡面對(duì)水流能量耗散和水流結(jié)構(gòu)的影響。在5°坡度下設(shè)置4組密度試驗(yàn)，根據(jù)前期對(duì)自然狀態(tài)下植被的調(diào)查結(jié)果，分別用38，68株/m2和82株/m2這3種密度代表自然界坡面植被稀疏、中等、密集3種密度狀態(tài);無(wú)植被卵石坡面為對(duì)照。試驗(yàn)工況設(shè)置見(jiàn)表1。

試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃水槽，槽中鋪設(shè)自然狀態(tài)下土壤并種植3種不同密度植被，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程水深不淹沒(méi)草被，草被按柔性植被考慮。為了模擬天然下墊面的阻力情況，水槽底部覆蓋厚5 cm的自然土壤，土壤表面壓實(shí)，采用粒徑小于1.5 cm的卵石壓蓋。通過(guò)移栽的方式種植黑麥草，密度1為種植82株/m2，密度2為68株/m2，密度3為38株/m2。采用品字型布置方式，沿坡長(zhǎng)方向兩排植被中心距為12.5 cm，橫向布置如圖1所示。同時(shí)，設(shè)置一組無(wú)植被覆蓋坡面對(duì)照。草被長(zhǎng)勢(shì)良好，草高為20 cm左右。

通過(guò)總結(jié)分析國(guó)內(nèi)對(duì)于坡面流的研究，發(fā)現(xiàn)坡面流研究流量基本為0.06～5.00 L/s，結(jié)合每小時(shí)降雨強(qiáng)度的劃分，本文研究流量范圍確定為0～2.5 L/s，分為0.5，1.0，1.5，2.0 L/s和2.5 L/s這5個(gè)梯度，分別代表自然情況下小雨到中雨降雨情況下坡面匯流流量。最大流量采用2.5 L/s，相當(dāng)于土壤入滲飽和時(shí)，實(shí)際雨強(qiáng)為中雨產(chǎn)生的地表徑流。試驗(yàn)結(jié)果表明，流量在2.5 L/s時(shí)已有部分植被傾覆于水中，3個(gè)密度的植被對(duì)水流作用差異變小，若流量繼續(xù)增大，植被將全部?jī)A覆于水中，不同密度植被對(duì)水流阻力可能差異不大，所以，不再進(jìn)行增大流量研究。

利用放水設(shè)備通過(guò)進(jìn)水管道閘門調(diào)節(jié)流量，水箱出水處裝有卵石以使水流均勻流下，水箱中水位不變，水流為恒定流，如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)打開(kāi)閥門，先放小流量，讓水流流入水槽。待坡面土壤飽和后，按設(shè)計(jì)流量放水，待坡面產(chǎn)流穩(wěn)定開(kāi)始測(cè)量。流量、流速及水深等水力學(xué)要素共測(cè)4次后取平均值。

（1）流速測(cè)量。采用滴定管染料滴入水流測(cè)量表面流速，記錄有色試劑出入試驗(yàn)段坡面的時(shí)間以計(jì)算流速。為了避免坡面橫向傾斜帶來(lái)誤差，在橫斷面左、中、右分別測(cè)量。為了避免槽壁面對(duì)流速測(cè)定的影響，左、右測(cè)點(diǎn)距離槽壁為10 cm。

（2）流量測(cè)量。采用稱重法測(cè)徑流流量，每次測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)閥門后，待水流流過(guò)整個(gè)坡面且穩(wěn)定后，在水槽出水口采用集流桶收集水流，同時(shí)記錄收集時(shí)間。對(duì)收集水流稱重并計(jì)算得到徑流流量。

（3）水深測(cè)量。測(cè)量沿程各斷面水深，每個(gè)斷面測(cè)量左、中、右3次并取平均，利用鋼尺測(cè)量讀數(shù)（可精確到0.5 mm）。水深測(cè)點(diǎn)布置于坡長(zhǎng)為17，36，55，74，93，112，131，150，169 cm和188 cm的10個(gè)斷面。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用李占斌等[1]提出的坡面流能量守恒定律研究坡面徑流能量問(wèn)題，基于能量的分布特性分析植被與水流的關(guān)系。

將試驗(yàn)段坡面水流出口所在平面設(shè)為基準(zhǔn)面，設(shè)水槽寬度為b，坡度為i，坡面任意一斷面到坡頂?shù)木嚯x為x，該斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面坡面水流總能E：

式中：L為試驗(yàn)段坡長(zhǎng)，m;g為重力加速度，m/s2;ρ為水流密度，kg/m3;[qx]為斷面流量，m3/s;u為流速，m/s;x為斷面距坡頂坡長(zhǎng)，m。

坡面徑流從上一斷面[E上]到下一斷面[E下]的能量耗損[E損]為

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，可計(jì)算得到整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不同斷面徑流能量以及相鄰斷面水流運(yùn)動(dòng)消耗總能量。

3.1 不同密度對(duì)總能量的影響

圖3為4個(gè)方案坡面斷面能量隨坡長(zhǎng)、流量的變化圖。

如圖3（a）可看出，當(dāng)流量較小（Q=0.5 L/s）時(shí)，水流在不同植被密度作用下能量差異不明顯，說(shuō)明在小流量坡面流開(kāi)始發(fā)展階段，水深較小，坡面不平整度起主要影響作用，能量受密度影響較小。

由圖3（b），（c），（d）可看出，隨著流量增大，不同方案曲線間距增大，表明植被密度引起的水流能量差異逐漸體現(xiàn)。但隨著流量增大，不同種植密度下坡面能量并不隨密度增加而減小，能量體現(xiàn)為E方案2

通過(guò)分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，由于試驗(yàn)中植被的存在，坡面過(guò)水?dāng)嗝鏈p少，植被阻礙水流產(chǎn)生壅水。而且，植被為叢狀，當(dāng)植被密度小時(shí)壅水水深較淺，植被貼近地面部分剛度較大，莖葉密集且透水性差，水流流經(jīng)時(shí)多體現(xiàn)為剛性植被特性，即繞流。植被密度大時(shí)壅水水深較深，莖葉開(kāi)散且莖葉間存在縫隙，剛度減小。由于水流總是沿著能量損失較小的方向流動(dòng)，當(dāng)表面水流流經(jīng)植被時(shí)，從植被莖葉間穿過(guò)而不是繞流，縮短了水流流動(dòng)路徑，減小了與坡面、植被的摩擦，體現(xiàn)出柔性植被阻流特性。因此，密度大的植被（方案1）能量大于密度較小的植被（方案2）能量。當(dāng)植被密度不足以將水深增至植被莖葉開(kāi)散處時(shí)，水流阻力隨植被密度增大而增大，基本體現(xiàn)剛性植被繞流特性（方案3）。

3.2 不同密度下能量損失

圖4為不同方案能量損失沿程損失規(guī)律。對(duì)比卵石坡面和植被與卵石耦合坡面（圖4（a）（b）），當(dāng)流量為0.5 L/s且坡長(zhǎng)小于100 cm以及流量為1.0 L/s坡長(zhǎng)小于約70 cm時(shí)，方案4能耗值略大于其他方案。由圖4（c）可知，流量為1.5 L/s時(shí)，方案2植被阻滯作用體現(xiàn)，水流能耗最大;但坡長(zhǎng)小于50 cm時(shí)，方案4能耗依舊大于方案1與方案3。這表明，坡面流量小時(shí)，坡面上部卵石面水流能耗較大，下部則植被與卵石耦合面能耗較大，而且流量越大，方案4能耗損失大于其他方案的坡長(zhǎng)范圍越小。由圖4（d）可知，當(dāng)流量為2.0 L/s時(shí)，耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。由圖4（e）可知，當(dāng)流量增大到2.5 L/s時(shí)，與小流量相比，能耗變化呈現(xiàn)相反規(guī)律，上部植被與卵石耦合坡面能耗大，而下部則卵石坡面能耗大。

通過(guò)試驗(yàn)分析可知，由于水流剛流入坡面時(shí)水深較淺，卵石作用明顯，植被作用難以體現(xiàn)。隨坡長(zhǎng)增大，水深增加則植被作用逐漸體現(xiàn)，耦合坡面水流能耗變大。

3.3 不同密度下水流動(dòng)能沿程變化

不同密度植被覆蓋下坡面流動(dòng)能沿坡長(zhǎng)的變化見(jiàn)圖5。

如圖5（a）所示，流量為0.5 L/s時(shí)，方案4動(dòng)能最小;如圖5（b）～（d）所示，流量大于0.5 L/s時(shí)，方案4動(dòng)能最大。因此，流量較小時(shí)，卵石坡面對(duì)水流阻礙作用明顯。流量增大時(shí)，水深增大則水流逐漸受植被與坡面的共同影響，在植被段水流流動(dòng)受到葉片阻礙及摩擦，在植被段動(dòng)能耗散較大，因此動(dòng)能小于卵石坡面。

不同密度的植被與卵石耦合坡面比較發(fā)現(xiàn)：E方案2< E方案1< E方案3，中等種植密度坡面水流動(dòng)能最小。當(dāng)流量為2.5 L/s時(shí)，無(wú)植被或植被密度較小的坡面與植被密度大的坡面比較，坡面末端水流動(dòng)能變化較小，同時(shí)，在植被密度較大情況下，水流流速減小更快。

4結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明：卵石坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面，坡面有植被且密度為中等時(shí)，水流能量最小，即阻水效果最好。

（2）在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，當(dāng)坡面徑流量較?。?.5 L/s）時(shí)，坡面上部卵石水流能耗比植被與卵石耦合坡面大，下部則植被與卵石耦合坡面能耗大;當(dāng)流量為2.0 L/s時(shí)，耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。當(dāng)流量增大到2.5 L/s時(shí)，能耗變化規(guī)律呈現(xiàn)相反規(guī)律，上部植被與卵石耦合坡面能耗大，下部卵石坡面能耗大。

（3）當(dāng)流量較小時(shí)，卵石坡面動(dòng)能小于植被與卵石耦合坡面;當(dāng)流量較大時(shí)，卵石坡面動(dòng)能大于植被與卵石耦合坡面。有植被覆蓋的坡面下部，中等種植密度下坡面水流動(dòng)能最小。

4.2 建 議

（1）本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M坡面流情況，坡面鋪設(shè)卵石與實(shí)際天然坡面有一定出入，移栽后植被生長(zhǎng)情況也發(fā)生一定變化，因此得到結(jié)果與實(shí)際情況可能有不同，建議以后試驗(yàn)可采取野外進(jìn)行，利用真實(shí)坡面試驗(yàn)，使結(jié)果更具實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。

（2）由于時(shí)間原因，對(duì)坡面植被密度進(jìn)行了概化，未能完全對(duì)足夠多的種植密度進(jìn)行研究。經(jīng)分析得出，植被一定密度時(shí)可使水深達(dá)到擾流與穿流的臨界點(diǎn)，此時(shí)阻水效果最好，但未得出具體密度值，仍需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李占斌，魯克新，丁文峰.? 黃土坡面土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程試驗(yàn)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2002（2）：5-7，49.

（編輯：李 慧）