不同植被類型對堆積體坡面徑流特性的影響

李建明，張長偉，王志剛，王一峰，許文盛，張冠華，蒲 堅，劉紀(jì)根

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010； 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；3.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)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 研究背景

土壤侵蝕已成為全球重要的生態(tài)環(huán)境問題，尤其遇短歷時高強(qiáng)度降雨等極端氣候下，土壤侵蝕誘發(fā)水土流失、地質(zhì)災(zāi)害等威脅正常生產(chǎn)生活，更制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展[1]。生產(chǎn)建設(shè)活動促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，也成為現(xiàn)階段新增水土流失的主要來源[2]。研究表明，自“十五”規(guī)劃以來，生產(chǎn)建設(shè)活動形成的棄土棄渣量平均每5年新增近100億t[3-4]，壓占有限土地資源的同時更影響河道行洪，誘發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[5-6]。針對生產(chǎn)建設(shè)項目造成的危害，開展了包括“生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失測算共性技術(shù)” “工程開挖面與堆積體水土流失測算技術(shù)研究” “風(fēng)力作用下擾動地表侵蝕預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)”等方面的研究[7-8];重點探索了降雨(沖刷)[9-10]、地形(坡度、坡長)[11-12]、土壤質(zhì)地[13]、下墊面物質(zhì)組成(礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑)[14]等因子對工程堆積體坡面侵蝕和水文過程的影響，并出臺了《生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018)[15]用于指導(dǎo)工程實踐。截止目前，關(guān)于工程堆積體水土流失規(guī)律及侵蝕機(jī)理已有豐富研究，尤其是近十幾年來，以構(gòu)建生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量預(yù)測模型為目標(biāo)導(dǎo)向的研究取得了較大進(jìn)展，深化了土壤侵蝕學(xué)科內(nèi)涵。

開展生產(chǎn)建設(shè)項目土壤侵蝕機(jī)理研究，一方面為土壤侵蝕預(yù)測模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)，另一重要方面為防治措施布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。水土保持工程措施在施工期能快速有效地緩解土壤侵蝕，但生態(tài)效益低，采取植被措施有效減少侵蝕的同時并能持續(xù)發(fā)揮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，符合生態(tài)文明建設(shè)要求[16]。植被防護(hù)坡面侵蝕已形成完整體系，研究者認(rèn)為植被減少侵蝕主要通過地上部分截留和地下部分固結(jié)發(fā)揮綜合效益[17-18]。然而，大部分研究針對的是未擾動邊坡或堆棄時間較長的礦區(qū)排土場邊坡[19-20]，對于短期內(nèi)形成的工程堆積體邊坡進(jìn)行植被重建的研究目前仍較薄弱。

坡面徑流是導(dǎo)致侵蝕的主要驅(qū)動力，了解并進(jìn)一步掌握徑流水動力特性是深入認(rèn)識土壤侵蝕的基礎(chǔ)。針對生產(chǎn)建設(shè)項目坡面徑流水動力特征展開了一定的研究，但結(jié)果卻不盡相同[21-22]。且目前大部分研究是在無植被防護(hù)條件下開展試驗，而植被防護(hù)坡面不僅能夠調(diào)節(jié)徑流產(chǎn)沙過程，同時對于侵蝕動力和侵蝕阻力也有顯著影響[17]。生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體由于是人為或機(jī)械開挖后在短期內(nèi)快速重新堆填形成，下墊面物質(zhì)組成復(fù)雜，往往包括不同類型、含量的礫石，同時為了減少占地，形成陡坡。堆積體自身差異，加上不同植被類型的特性差異，導(dǎo)致植被對堆積體坡面水力和水動力參數(shù)的影響也有所不同，該方面仍缺少深入研究。

本研究通過野外模擬降雨試驗，定量分析直根系(鐵桿蒿)和須根系(苜蓿、狗牙根)對不同降雨條件下堆積體坡面徑流流速、水力和水動力參數(shù)的影響;并以裸坡為對照，闡明植被調(diào)控堆積體坡面侵蝕動力和侵蝕阻力機(jī)制，以期從侵蝕動力角度分析植被調(diào)控堆積體坡面侵蝕過程的內(nèi)在機(jī)理，深入闡明植被減水減沙效益。研究成果為后續(xù)生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體水土流失量測算模型構(gòu)建中植被因子的修訂奠定基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(35°14′23.97″N，107°41′20.27″E)完成。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為9.1 ℃，降雨量為560 mm，年內(nèi)降雨主要集中在春夏季并以短歷時高強(qiáng)度為主，區(qū)內(nèi)土壤屬于黃土土質(zhì)[19]。

2.2 試驗設(shè)計

基于前期野外調(diào)查及室內(nèi)模擬試驗[9]，工程堆積體模型尺寸按3.46 m(投影坡長3.0 m)×2.00 m(隔為2個1.00 m寬小區(qū)，互為重復(fù))×0.60 m(填土深度)設(shè)計，坡度按自然休止角設(shè)計為30°(圖1)。裝填的工程堆積體是礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的土石混合介質(zhì)，其中土壤取自公路建設(shè)棄渣場，經(jīng)過10 mm網(wǎng)篩篩分并自然風(fēng)干，按照國際土壤質(zhì)地分類屬于粉質(zhì)壤土，機(jī)械組成中砂?！梅哿！灭ち?質(zhì)量比)=9.90%∶66.69%∶23.41%，有機(jī)質(zhì)含量為12.07%。選用直徑范圍為15～25 mm的機(jī)械碎石，土壤和礫石按照質(zhì)量比9∶1的比例均勻混合后裝填。

圖1 試驗小區(qū)及降雨試驗裝置Fig.1 Experiment plot and rainfall device

試驗小區(qū)底部覆一層5 cm細(xì)沙，模擬自然滲流，隨后分4層，其中底部45 cm分3層密度為1.35 g/cm3(夯實)，而表層10 cm密度為1.30 g/cm3(不夯實，模擬松散態(tài))。用鋼板分割試驗小區(qū)及其邊界，埋入地下20 cm，地表出露15 cm，避免外界雨水進(jìn)入影響試驗結(jié)果。小區(qū)底部出口設(shè)置三角堰作為徑流泥沙通道及混合樣品接口。

試驗選用直根系(鐵桿蒿Artemisiagmelinii(AG))和須根系(苜蓿Medicagosativa(MS)、狗牙根Cynodondactylon(CD))作為堆積體防護(hù)典型植被，并以裸坡(BS)為對照。試驗周期為2019年3月至2020年10月，其中試驗小區(qū)于2019年3月建成，隨后在3組小區(qū)分別種植3種植被，種植方式為穴播，行間距為15 cm×15 cm，期間澆水養(yǎng)護(hù)。至2019年8月，采用拍照后軟件計算3種植被小區(qū)的覆蓋度均超過70%，植株高度超過20 cm，滿足試驗要求。試驗開始前，對各小區(qū)的含水率、密度和覆蓋度進(jìn)行測試分析。BS、AG、MS和CD的密度分別為1.33、1.21、1.19和1.25 g/cm3，初始含水率分別為19.92%、26.11%、25.67%和26.92%，植被覆蓋度分別為0、80%、76%和72%。

2.3 降雨試驗

野外模擬降雨試驗所用的裝置為SR型側(cè)噴式降雨機(jī)，包括兩個可調(diào)整位置的降雨模擬器對噴(圖1(b))。通過進(jìn)水口閥門、降雨器流量計及噴頭墊片尺寸來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度及均勻度。降雨機(jī)高度為6 m，加上小區(qū)高度落差雨滴能夠達(dá)到終點速度，降雨均勻系數(shù)在85%以上[23]。為避免風(fēng)對降雨產(chǎn)生影響，在小區(qū)外圍搭建鋼架作為防風(fēng)棚。

根據(jù)前期調(diào)查及室內(nèi)模擬試驗結(jié)果，降雨強(qiáng)度分別設(shè)計為0.8、1.2和1.8 mm/min，涵蓋了研究區(qū)域大部分侵蝕性降雨類型[19]。為避免初始含水率差異，試驗前一天采用0.5 mm/min的降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨。在正式降雨試驗開始前，調(diào)整降雨器并在小區(qū)四周布設(shè)雨量筒率定降雨強(qiáng)度，至相對誤差<5%。待降雨強(qiáng)度率定完畢后，揭開遮雨布，開始計時，本試驗產(chǎn)流發(fā)生后降雨試驗時間為30 min。開始產(chǎn)流后，每1 min接1個徑流樣和1個混合樣，其中徑流樣采用2 L的量筒測量并計算，泥沙樣用5 L的桶接取并靜置10 h，待泥沙沉淀后倒去上層清水液，轉(zhuǎn)移至鋁盒，帶至室內(nèi)放進(jìn)105 ℃烘箱烘干24 h后稱重。在坡面上、下兩部分各取一個長度為1 m的斷面，用于坡面徑流流速測定，選取2個測量點量測流深、流寬和水溫，測定時段與徑流、泥沙樣接取同步，用于計算徑流水力和水動力參數(shù)。采用高錳酸鉀溶液測得表面最大流速，2個斷面的流速均值乘以系數(shù)0.75作為小區(qū)平均斷面流速[12]。徑流深和徑流寬用薄鋼尺人工測定(并通過徑流量及小區(qū)尺寸進(jìn)行反算驗證)。所有指標(biāo)是兩個分割小區(qū)測定的均值，如數(shù)據(jù)差異較大，則舍棄該組試驗，重新進(jìn)行試驗，需要對小區(qū)進(jìn)行平整并放置3 d自然沉降。為了消除各場次降雨之間堆積體表面的差異性，根據(jù)上一場次試驗侵蝕量重新補(bǔ)充填土，將小區(qū)放置3 d后進(jìn)行下一場試驗。

2.4 指標(biāo)計算分析

2.4.1 雷諾數(shù)(Re)

Re是判斷水流紊動強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是水流慣性力與黏滯力的比值，無量綱。當(dāng)Re<500時，水流為層流；500≤Re≤2 000時，水流為過渡流；Re>2 000時，水流為紊流，計算式為[24]

式中：υ為水流黏滯性系數(shù)(m2/s)；T為水溫(℃)；V為過水?dāng)嗝鎻搅髁魉?m/s)；R為水力半徑(m)，R=A/χ；A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；χ為濕周(m)。

2.4.2 弗勞德數(shù)(Fr)

Fr是表征水流流態(tài)的參數(shù)，無量綱參數(shù)，為水流慣性力和重力的比值。其計算式為[25]

(2)

式中：h為徑流深(m)；g為重力加速度(m/s2)。當(dāng)Fr>1時，慣性力大于重力，水流為急流；當(dāng)Fr=1時，慣性力與重力相等，水流為臨界流；當(dāng)Fr<1時，重力作用大于慣性力作用，水流為緩流。

2.4.3 阻力系數(shù)(f)

Darcy-weisbach阻力系數(shù)f是指徑流在向下流動過程中所受到的來自水土界面的阻滯水流的摩擦力以及水流內(nèi)部質(zhì)點混摻和攜帶泥沙產(chǎn)生的阻滯水流運動阻力的總稱，其計算式為[26]

(3)

式中J為水力坡度(m/m)，可用坡度的正弦值近似代替。

2.4.4 徑流剪切力(τ)

τ是在降雨過程中坡面有徑流形成時，坡面流在沿坡面方向上產(chǎn)生一個對坡面土壤的沖刷力，計算公式為[27]

τ=pwgRJ。

(4)

式中：τ為徑流剪切力(N/m2)；pw為渾水密度(kg/m3)，由徑流含沙量換算得到；R近似用水深代替，J可用坡度的正弦值近似代替。

2.4.5 徑流功率(ω)

ω為單位面積上水體勢能隨時間的變化率，計算公式為[28]

ω=τV。

(5)

式中ω為徑流功率(W/m2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 流速特征(V)

圖2為裸坡和3種植被防護(hù)堆積體坡面徑流流速(V)隨產(chǎn)流歷時的變化。

圖2 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面流速隨產(chǎn)流歷時變化Fig.2 Variations in runoff velocity of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

總體來看，V隨產(chǎn)流歷時的變化受降雨強(qiáng)度影響：BS在降雨強(qiáng)度0.8 mm/min時V隨產(chǎn)流歷時總體遞增，而降雨強(qiáng)度為1.2和1.8 mm/min時在產(chǎn)流前期快速增加隨后趨于穩(wěn)定；而植被堆積體V(AG、MS、CD)在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時隨產(chǎn)流歷時總體穩(wěn)定，1.8 mm/min在產(chǎn)流前期快速增加隨后趨于穩(wěn)定。將產(chǎn)流過程劃分為產(chǎn)流初期(0～10 min)和產(chǎn)流中后期(10～30 min)，BS中后期V的平均值是初期的1.11～1.39倍，而植被堆積體除了CD為0.95倍外其余為1.02～1.31倍，即V隨降雨歷時持續(xù)增大。產(chǎn)流全過程，BS的V變化范圍為0.038～0.116 m/s，3種降雨強(qiáng)度下V的變化幅度為8.70%～161.47%；對應(yīng)的直根系A(chǔ)G變化范圍和幅度分別為0.025～0.063 m/s和0.56%～88.45%，須根系MS和CD變化范圍分別為0.017～0.107 m/s和0.043～0.085 m/s，變化幅度分別為4.38%～130.08%和0.19%～45.72%。結(jié)果表明，BS的V變化范圍和幅度均高于植被堆積體，證實了植被能有效減緩堆積體坡面V且使其趨于平穩(wěn)。同時，隨著降雨強(qiáng)度增大，V的變化幅度增大，在BS尤其顯著。

在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時，植被堆積體的V總體上小于BS，但在降雨強(qiáng)度達(dá)到1.8 mm/min時須根系(MS、CD)堆積體的V甚至大于BS，但直根系A(chǔ)G的V基本上小于BS。大小呈現(xiàn)為BS>須根系(MS、CD)>直根系A(chǔ)G。分析次降雨V的平均值表明，BS在3個降雨強(qiáng)度下均為0.08 m/s，直根系A(chǔ)G分別為0.04、0.03、0.05 m/s，而須根系MS分別為0.03、0.04、0.08 m/s,須根系CD分別為0.05、0.07、0.08 m/s。相同降雨強(qiáng)度條件下，直根系A(chǔ)G減少V的平均值的效益為38.63%～56.78%，須根系MS和CD分別為0.02%～61.38%和7.07%～40.16%。隨著降雨強(qiáng)度增大，直根系和須根系對削減V的平均值的效益遞減。多場次試驗結(jié)果表明，直根系對堆積體坡面V的平均值的削減效益為50.51%，而須根系為21.32%～35.61%，直根系對調(diào)控堆積體坡面徑流V較須根系高1.42～2.37倍。

3.2 徑流水力參數(shù)特征

3.2.1 徑流流型(Re)

不同下墊面雷諾數(shù)(Re)隨產(chǎn)流歷時變化如圖3所示。結(jié)果表明，無論是BS還是植被防護(hù)堆積體的Re均小于500，BS的Re變化范圍為9.79～36.28，而直根系A(chǔ)G為4.26～16.72，須根系MS和CD分別為1.80～25.00、6.69～19.68，BS和植被防護(hù)堆積體徑流均處于層流范疇(Re<40)。從總體上看，植被防護(hù)Re隨產(chǎn)流歷時呈波動遞增變化，3種降雨強(qiáng)度條件下變化幅度分別為4.04%～142.86%、0.33%～388.48%、4.46%～49.33%；而BS的Re變化幅度分別為9.98%～244.31%、9.76%～120.16%、1.72%～180.76%。

圖3 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面雷諾數(shù)Re隨產(chǎn)流歷時變化Fig.3 Variations in Reynolds Number of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

計算3種降雨強(qiáng)度下次降雨Re的平均值可知，降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時大小呈現(xiàn)為BS>CD>AG>MS，而在降雨強(qiáng)度為1.8 mm/min條件下為BS>MS>CD>AG。直根系A(chǔ)G對削減Re的平均值的效益為39.57%～67.07%，須根系MS和CD分別為19.79%～86.56%和21.88%～61.57%。隨著降雨強(qiáng)度增大，植被削減Re的效益降低。但隨降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增大至1.8 mm/min，3種植被防護(hù)堆積體Re的平均值增大1.12～6.35倍，而BS的變化幅度為-10.30%～6.35%，即降雨強(qiáng)度對植被防護(hù)堆積體Re的影響大于對BS的影響。

3.2.2 徑流流態(tài)(Fr)

BS和植被防護(hù)堆積體坡面徑流流態(tài)弗勞德數(shù)(Fr)隨產(chǎn)流歷時變化如圖4所示。結(jié)果表明，在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min條件下BS的Fr>1，處于急流態(tài)；在1.8 mm/min條件下產(chǎn)流前期Fr<1.0，中后期處于臨界流狀態(tài)(Fr≈1.0)。而3種降雨強(qiáng)度條件下，直根系A(chǔ)G的Fr<1，始終處于緩流態(tài)；須根系CD的Fr總體>1，處于急流態(tài)；而MS在0.8 mm/min條件下處于急流態(tài)和緩流態(tài)間不斷變化，1.2 mm/min時始終處于緩流態(tài)，1.8 mm/min時總體處于急流態(tài)。由此可知，直根系A(chǔ)G更有利于使堆積體坡面徑流趨于平緩。且BS和植被防護(hù)堆積體坡面Fr隨產(chǎn)流歷時總體呈波動變化，BS的變化范圍(0.48～2.57)較植被更顯著(0.44～1.55)。

圖4 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面弗勞德數(shù)Fr隨產(chǎn)流歷時變化Fig.4 Variations in Froude Number of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

3種降雨強(qiáng)度條件下，直根系A(chǔ)GFr的平均值較BS低37.40%～63.00%。須根系MS和CD僅在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min條件下比BS低40.87%～43.65%和19.96%～39.73%，但在降雨強(qiáng)度為1.8 mm/min時，反而較BS高28.12%和14.66%。植被調(diào)控堆積體坡面水流流態(tài)的作用受降雨強(qiáng)度影響，但直根系植被均能使堆積體坡面徑流趨于平緩，須根系在強(qiáng)降雨條件下甚至可能使徑流更加急促。

3.2.3 徑流阻力系數(shù)(f)

裸坡和植被防護(hù)堆積體坡面徑流阻力系數(shù)(f)隨產(chǎn)流歷時的變化如圖5所示。BS在產(chǎn)流初期f波動增加(降雨強(qiáng)度0.8 mm/min)或波動遞減(降雨強(qiáng)度1.2和1.8 mm/min)變化，隨后維持在較小范圍內(nèi)(0.96～1.31)，降雨強(qiáng)度對BS的f影響較小。但不同植被類型的f隨產(chǎn)流歷時的變化不僅與BS有差異，同時3種植被類型之間也有差異：直根系A(chǔ)G的f隨產(chǎn)流歷時增加顯著波動，其中降雨強(qiáng)度1.2和1.8 mm/min條件下總體呈波動減小，即直根系對堆積體坡面徑流阻滯作用隨降雨歷時延長而減??；須根系CD在產(chǎn)流初期f減小隨后也趨于相對穩(wěn)定且逐步接近BS，表明CD對徑流阻滯作用隨降雨強(qiáng)度增大而減?。欢鳰S在降雨強(qiáng)度0.8和1.2 mm/min時f隨產(chǎn)流歷時總體遞減，但在1.8 mm/min時總體較穩(wěn)定。結(jié)果表明，直根系A(chǔ)G對堆積體坡面徑流的阻滯作用顯著大于須根系(MS和CD)，降雨強(qiáng)度對植被堆積體f影響顯著小于BS。

圖5 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面徑流阻力系數(shù)f隨產(chǎn)流歷時變化Fig.5 Variations in resistance coefficient of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

統(tǒng)計表明，BS在3種降雨強(qiáng)度下次降雨f的平均值分別是1.33、1.17、1.86，相同條件下，直根系A(chǔ)Gf的平均值比BS增大135.17%～317.18%，而須根系MS和CD較BS分別增大181.13%、234.70%、-33.69%和14.85%、13.39%、-7.89%。在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時直根系和須根系均能提高堆積體坡面徑流阻力，但隨降雨強(qiáng)度增大，直根系仍可有效阻滯徑流，但須根系甚至?xí)铀購搅鳌?種植被對提高堆積體坡面f的作用總體呈現(xiàn)為AG>MS>CD。這可能與3種植被地表莖葉的生長性狀相關(guān)，其中AG莖粗、葉片離地面有一定距離，而MS直立生長葉片貼近地面，但CD由于莖細(xì)，葉片多匍匐在堆積體表層，故堆積體表層莖葉分布差異可能是導(dǎo)致3種植被對堆積體坡面徑流阻力差異的主要原因。

3.3 徑流水動力特性

3.3.1 徑流剪切力(τ)

徑流剪切力(τ)反映徑流對下墊面表層的沖刷力，BS和3種植被堆積體τ隨產(chǎn)流歷時的變化如圖6所示。BS的τ在降雨初期波動遞增，且隨后在一定范圍內(nèi)波動變化，而植被堆積體τ總體隨產(chǎn)流歷時有小范圍增加?？傮w看來，3種降雨強(qiáng)度下須根系MS和CD(變化范圍為0.32～1.53 N/m2)τ小于BS(0.67～1.86 N/m2)和直根系A(chǔ)G(0.57～1.77 N/m2)，但AG在0.8 mm/min條件下的τ甚至大于BS，隨降雨強(qiáng)度增大到1.2和1.8 mm/min后，τ又小于BS。結(jié)果表明，須根系比直根系對削減τ的效果更顯著，且隨降雨強(qiáng)度增大，BS和植被堆積體τ總體呈遞增趨勢。即降雨強(qiáng)度越大，徑流對坡面的剝蝕能力增強(qiáng)，但有植被防護(hù)條件下，徑流的剝蝕及搬運能力均減弱，同時產(chǎn)流過程中侵蝕顆粒會出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。隨降雨強(qiáng)度由0.8 mm/min增大至1.8 mm/min，BS次降雨τ的平均值分別是0.96、1.37 、1.68 N/m2，隨降雨強(qiáng)度增大1.50～2.25倍，平均τ增大1.43～1.75倍；相同條件下AG增大1.09～1.48倍，MS和CD分別增大2.09～2.43倍和1.32～1.52倍。與BS相比，直根系A(chǔ)G對τ的平均值的削弱效益為-15.46%～12.01%，須根系MS和CD分別為18.52%～44.24%和7.29%～19.58%。在小降雨強(qiáng)度條件下，直根系A(chǔ)G的平均τ甚至超過BS，可能與植被生物學(xué)特性及其與堆積體坡面貼合的作用有關(guān)。

圖6 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面徑流剪切力τ隨產(chǎn)流歷時變化Fig.6 Variations in flow shear stress of bare andvegetated spoil heaps under different rainfall intensities

3.3.2 徑流功率(ω)

徑流功率(ω)是單位面積上水體勢能隨時間的變化率，4種不同下墊面ω隨產(chǎn)流歷時的變化如圖7所示。BS和植被堆積體ω均隨產(chǎn)流歷時呈遞增變化，其中BS在3種降雨強(qiáng)度下的變化范圍為0.06～0.22 W/m2，變化幅度為1.73%～228.07%，而直根系A(chǔ)G變化范圍為0.03～0.10 W/m2，變化幅度為4.11%～144.04%，須根系MS和CD的變化范圍分別為0.01～0.15 W/m2和0.04～0.12 W/m2，變化幅度分別為0.45%～391.32%和4.16%～49.56%。植被防護(hù)堆積體ω隨降雨強(qiáng)度增大而遞增的趨勢比BS更明顯，即降雨強(qiáng)度對植被防護(hù)堆積體ω的調(diào)控效果比BS顯著。相比于BS，直根系和須根系均能有效削減堆積體坡面ω，在降雨強(qiáng)度為1.8 mm/min時，須根系對堆積體坡面ω的調(diào)控作用(平均削減效益為20.84%～25.00%)小于直根系(40.60%)，但在降雨強(qiáng)度為0.8和1.2 mm/min時直根系和須根系對削減ω的作用還受降雨強(qiáng)度影響。3種降雨強(qiáng)度下BS的次降雨ω的平均值分別為0.13、0.11、0.14 W/m2，相同降雨條件下直根系A(chǔ)G對ω的削減效益達(dá)到40.60%～67.98%，須根系MS和CD分別為20.84%～86.93%和25.00%～65.38%。研究表明，隨著降雨強(qiáng)度增大，直根系和須根系對調(diào)控堆積體坡面ω的效果均減小。

圖7 不同降雨強(qiáng)度及植被類型下堆積體坡面徑流功率ω隨產(chǎn)流歷時變化Fig.7 Variations in stream power of bare and vegetatedspoil heaps under different rainfall intensities

3.4 產(chǎn)流產(chǎn)沙特性與徑流水力及水動力差異性分析

計算3種降雨強(qiáng)度條件下不同堆積體下墊面徑流產(chǎn)沙、水力和水動力參數(shù)的總平均值，見表1。結(jié)果表明，相較于BS，直根系A(chǔ)G能夠減少堆積體平均侵蝕速率的效益為92.88%，須根系(MS和CD)削減侵蝕速率的效益為88.92%，直根系和須根系對于V削減效益分別為50.00%和31.25%。對于徑流水力參數(shù)，直根系對Re、Fr的平均值的削減效益分別為54.10%和53.24%，須根系分別為46.14%和22.66%；而直根系能夠提高f的效益為239.31%，須根系為64.83%。直根系對削減水動力參數(shù)中的τ(1.49%)效果小于須根系(20.90%)，但對ω的調(diào)控作用(53.85%)略大于須根系(50.00%)。基于植被對堆積體坡面徑流流速、水力參數(shù)和水動力參數(shù)的調(diào)控作用分析，從侵蝕動力角度揭示了植被防護(hù)堆積體坡面侵蝕的內(nèi)在機(jī)理。

表1 多次降雨條件下裸坡和植被堆積體徑流產(chǎn)沙、水動力特性參數(shù)均值Table 1 Average values of runoff velocity, soil loss rate and hydrodynamic parameters of different spoil heaps undermultiple rainfall conditions

差異性分析結(jié)果(表1)表明，BS與植被堆積體平均侵蝕速率呈顯著差異(P<0.05)，而直根系和須根系之間差異不顯著(P>0.05)。平均流速V、Re、Fr、f、τ和ω值也表明BS與植被坡面均呈顯著差異(P<0.05)，而3種植被中直根系A(chǔ)G和須根系CD的徑流水力和水動力參數(shù)也均呈顯著差異(P<0.05)，但AG與MS在Re和ω這2個參數(shù)上差異不顯著(P>0.05)。差異性分析結(jié)果也進(jìn)一步證實了植被對調(diào)控堆積體坡面水文過程和侵蝕動力過程具有顯著效果。

基于相關(guān)性分析及已有研究表明，徑流水動力參數(shù)(τ、ω)可較好地刻畫侵蝕動力過程。研究多場次降雨試驗侵蝕速率與τ和ω的線性關(guān)系表明，BS的侵蝕速率與τ和ω線性相關(guān)不顯著(P>0.05)，但植被堆積體可以利用τ或者ω來刻畫侵蝕速率，且ω(AG、MS和CD的線性方程的決定系數(shù)R2分別是0.78、0.53、0.91)對侵蝕速率的表征較τ(R2分別是0.30、0.25、0.86)更顯著。多場次降雨試驗均值分析結(jié)果表明植被堆積體平均侵蝕速率與τ和ω的平均值均呈顯著線性相關(guān)(R2為0.63～0.96)，而裸坡堆積體平均侵蝕速率僅與τ呈顯著線性相關(guān)(0.95)。

4 結(jié) 論

本研究采用野外模擬降雨試驗，分析直根系(鐵桿蒿AG)和須根系(苜蓿MS和狗牙根CD)對短期形成工程堆積體坡面徑流流速、水力和水動力參數(shù)的影響，同時從侵蝕動力角度闡釋植被防護(hù)堆積體坡面水文和侵蝕內(nèi)在機(jī)制。得出以下主要結(jié)論：

(1)通過栽植直根系或須根系植被均能在短期內(nèi)實現(xiàn)減少堆積體土壤侵蝕效果，直根系對于堆積體坡面侵蝕速率和流速的調(diào)控效益高于須根系。其中直根系能夠減少平均侵蝕速率為92.88%，須根系減少侵蝕效益為88.92%。兩種根系結(jié)構(gòu)植被均能有效減緩堆積體坡面流速大小，且能使流速趨于平穩(wěn)，直根系對堆積體坡面平均流速的削減效益為50.51%，而須根系為21.32%～35.61%。

(2)從徑流水力角度出發(fā)，裸坡和植被堆積體的徑流流型均為層流(Re<40)，裸坡堆積體水流處于急流(Fr>1)或臨界流狀態(tài)(Fr=1)，直根系防護(hù)下水流均處于緩流態(tài)(Fr<1)，須根系調(diào)控下堆積體坡面水流受降雨強(qiáng)度影響在緩流態(tài)和急流態(tài)間變化。直根系對堆積體坡面徑流的阻滯作用(135.17%～317.18%)顯著大于須根系(-33.69%～181.13%)。

(3)從徑流水動力角度考慮，植被防護(hù)堆積體侵蝕速率與τ、ω均呈顯著的線性相關(guān)(R2為0.63～0.96)。植被能夠通過調(diào)控堆積體坡面徑流水力和水動力過程進(jìn)而達(dá)到有效減少堆積體坡面侵蝕。