植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理

孫佳美, 侯沛軒, 逄育波, 張禎堯, 李瀚之

(1.中國(guó)科學(xué)院 植物研究所 植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100093;2.河北省林業(yè)和草原工程項(xiàng)目中心, 河北 石家莊 050081; 3.呼倫貝爾市海拉爾區(qū)農(nóng)牧局綜合保障中心, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008; 4.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083; 5.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營(yíng)力作用下，被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程[1-2]，水力侵蝕是最常見(jiàn)的一種侵蝕方式，徑流是水力侵蝕發(fā)生的主要?jiǎng)恿Γ芯繌搅鞯乃畡?dòng)力學(xué)特性對(duì)于揭示侵蝕機(jī)制有重要意義[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)60年代逐漸開(kāi)始坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的研究[4]，但是由于坡面徑流特性受地形地貌、土壤特性、植被覆蓋條件、降雨強(qiáng)度等多種因素影響，侵蝕形式極為復(fù)雜，加重了徑流水動(dòng)力學(xué)特性的研究難度，因此研究不同試驗(yàn)條件下坡面侵蝕過(guò)程非常必要。已發(fā)表的研究通過(guò)室內(nèi)模擬降雨[5]、天然降雨[6]和放水沖刷[7]試驗(yàn)對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究，逐步由經(jīng)驗(yàn)性分析走向動(dòng)力學(xué)特征為主的機(jī)理研究[8]。關(guān)于坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特征方面的研究首先是集中于徑流流態(tài)的判定，流態(tài)判定是評(píng)估徑流侵蝕力的主要因子，這是由于相對(duì)于層流，紊態(tài)徑流會(huì)對(duì)土壤表面產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，因此引起更強(qiáng)的土壤侵蝕[9]，而關(guān)于徑流流態(tài)的研究說(shuō)明徑流不是簡(jiǎn)單的可以歸類(lèi)為層流或紊流，Horton[10]研究說(shuō)明坡面徑流處于一種混合狀態(tài)，紊流與層流共存，Emmett等[1]研究表明坡面徑流為擾動(dòng)流，具有紊流性質(zhì)，也具有大部分層流性質(zhì)，有別于明渠的層流、紊流和過(guò)渡流。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家姚文藝[11]、張光輝等[12]則將其視作“偽層流”。除了徑流流態(tài)，徑流的動(dòng)力特征也是影響徑流侵蝕力的重要因子，主要是針對(duì)徑流剪切力、徑流功率等徑流動(dòng)能的研究，最早的研究來(lái)自于Horton[10]，分析了徑流剪切力和坡面土壤侵蝕強(qiáng)度，Govers和Rauws[13]研究了徑流剪切力和水流功率對(duì)坡面徑流輸沙的影響，結(jié)果表明用水流剪切力和水流功率可以預(yù)測(cè)徑流挾沙能力。除了對(duì)徑流的動(dòng)力研究，其阻力特性也是研究重點(diǎn)之一，主要是借助明渠水流阻力概念和對(duì)應(yīng)的表達(dá)方法，包括Darcy-Weisbach阻力系數(shù)、Manning糙率系數(shù)和Chezy系數(shù)等，其中Darcy-Weisbach阻力系數(shù)應(yīng)用最為廣泛，其值能夠反映坡面徑流在流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力大小，阻力系數(shù)越大，說(shuō)明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小[14]。坡度、坡面粗糙度均對(duì)徑流阻力系數(shù)有影響[11]。植被覆蓋是一種重要的水土保持措施，具有顯著的增加徑流阻力、減緩并延滯徑流流速的作用[14]，從而起到減弱坡面徑流剪切力和功率的作用，降低土壤侵蝕程度。同時(shí)不同類(lèi)型植被覆蓋對(duì)徑流的影響程度也不相同，會(huì)具有不同程度的水土保持作用?，F(xiàn)有的關(guān)于植被覆蓋坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性研究多研究均集中于黃土高原[2,15]，而褐土作為華北土石山區(qū)主要土壤類(lèi)型，研究褐土坡面侵蝕機(jī)理，尤其是不同植被類(lèi)型覆蓋條件下土壤侵蝕水動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)于華北土石山區(qū)水土流失防治與植被恢復(fù)具有重要意義[16]。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，采用人工模擬降雨的方法，對(duì)油松、側(cè)柏、栓皮櫟和酸棗覆蓋坡面的產(chǎn)流和產(chǎn)沙過(guò)程進(jìn)行了侵蝕過(guò)程水動(dòng)力學(xué)特征研究，探究植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以期為揭示華北土石山區(qū)植被坡面侵蝕機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)裝置

本文中的試驗(yàn)于2018年6—10月在北京林業(yè)大學(xué)鷲峰林場(chǎng)(40°04′ N, 116°06′ E)降雨大廳進(jìn)行。區(qū)域多年平均溫度為9 ℃，生長(zhǎng)季節(jié)為每年的5—10月，多年平均降水量600 mm，且70%～80%的年降水均發(fā)生在6—9月。該區(qū)域的土壤條件特殊，土層瘠薄，厚度在0.3～1 m之間，平均土層厚度0.5 m。土壤中含有較高的礫石含量，大于2 mm的礫石含量平均13.9%，最高的礫石含量達(dá)到30%[17]。

試驗(yàn)采用了西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的QYJY-503T降雨控制設(shè)備，共包含3個(gè)部分，分別為坡面部分、降雨部分和控制部分。坡面部分長(zhǎng)2 m，寬0.5 m，深0.4 m，坡面底部有均勻分布的透水孔，用于坡面土壤水分入滲，坡面設(shè)計(jì)了坡度調(diào)節(jié)裝置可以自由的設(shè)置坡度。該降雨裝置采用全自動(dòng)電腦控制系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)降雨位置和降雨強(qiáng)度。設(shè)備的降雨部分由水窖、水泵和導(dǎo)水管組成。水窖用來(lái)儲(chǔ)存試驗(yàn)用水，保證在最大降雨強(qiáng)度仍有充足的水供給。水泵將水窖中的水輸送到頂部經(jīng)由降雨噴頭進(jìn)行模擬降雨。降雨噴頭高度為12 m，能夠保證雨滴達(dá)到雨滴終速，更好地模擬實(shí)際降雨。經(jīng)過(guò)實(shí)際的降雨均勻度校準(zhǔn)，該降雨設(shè)備的降雨均勻度大于85%。在試驗(yàn)操作過(guò)程中，在坡面周邊布設(shè)一定數(shù)量的雨量筒，對(duì)降雨進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)與校正，確保實(shí)際降雨強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)置與方法

研究土壤選取華北土石山區(qū)常見(jiàn)土壤褐土，該土壤通常呈褐色，其顏色也會(huì)隨著土層深度而逐漸變淺。土壤來(lái)自試驗(yàn)區(qū)域的自然土壤，試驗(yàn)前過(guò)篩去除土壤中的雜物，然后自然風(fēng)干到大約10%的含水量進(jìn)行填土。自然狀態(tài)下該區(qū)域的容重約為1.3～1.4 g/cm3，填土?xí)r按照1.34 g/cm3的土壤容重進(jìn)行計(jì)算分層填裝，每層10 cm。在填裝下1層前，將前1層土壤打毛，確保土壤接觸良好，不會(huì)發(fā)生土壤滑動(dòng)現(xiàn)象。土壤填裝完成后，將土壤坡面放置3～6個(gè)月，促進(jìn)土壤自然沉降，更好地模擬自然狀態(tài)。

試驗(yàn)中的植物苗木來(lái)自區(qū)域中的油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)和酸棗(Ziziphusjujube)自然幼苗，選取長(zhǎng)勢(shì)良好并相近的苗木移栽到室內(nèi)土壤坡面上。在移栽苗木的同時(shí)，收集苗木生長(zhǎng)環(huán)境的原狀枯落物，均勻的鋪設(shè)到土壤坡面表面。各個(gè)植被類(lèi)型的平均生長(zhǎng)狀況詳見(jiàn)表1。表中的葉面積指數(shù)(LAI)采用LAI-2200植被蓋度分析儀(LI-COR生物科學(xué)，林肯郡，內(nèi)華達(dá)州，美國(guó))。試驗(yàn)中設(shè)置3個(gè)降雨強(qiáng)度，分別為30，60和90 mm/h。設(shè)置空白坡面進(jìn)行對(duì)照。在每次試驗(yàn)結(jié)束后，將土壤坡面放置1個(gè)月，使其土壤表面恢復(fù)后進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

每場(chǎng)降雨歷時(shí)從徑流開(kāi)始計(jì)時(shí)60 min。降雨全程收集坡面產(chǎn)生的徑流和泥沙樣品，在降雨初期的10 min，由于徑流變化較大，因此每2 min收集一次徑流樣品，收集2 min內(nèi)坡面產(chǎn)生的所有徑流樣品。隨后的50 min，徑流相對(duì)穩(wěn)定，每5 min收集1次徑流樣品，收集5 min內(nèi)的所有徑流樣品。降雨結(jié)束后，使用量筒測(cè)量各徑流樣品的體積，隨后，將徑流樣品放置到烘箱，105 ℃恒溫烘干24 h后得到產(chǎn)沙量干重。徑流流速采用染色劑示蹤法進(jìn)行測(cè)量，使用高錳酸鉀作為染色劑，記錄染色劑流經(jīng)1 m距離所需時(shí)間，從而得出徑流流速。徑流流速每5 min測(cè)量1次，每次在5個(gè)平行的位置分別測(cè)量，以其平均值作為徑流表層流速。

表1 試驗(yàn)坡面植被生長(zhǎng)狀況

2.2 數(shù)據(jù)分析

徑流平均流速計(jì)算公式[18]為：

V=kVm

(1)

式中：Vm為平均徑流速度(cm/s)；V為徑流表層速度(cm/s)；k為修正系數(shù)，當(dāng)流態(tài)為層流時(shí)，k=0.67，當(dāng)流態(tài)為過(guò)渡流時(shí)，k=0.7，當(dāng)流態(tài)為紊流時(shí)，k=0.8[18]。

徑流深計(jì)算公式[19]為：

(2)

式中：h為平均水深(mm)；Q是t時(shí)間的徑流量(m3)；u是徑流平均流速(m/s)；B是過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?m)；t是采樣時(shí)間(s)。

徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)計(jì)算公式[14,20]為：

(3)

(4)

式中：v為水運(yùn)動(dòng)黏滯力系數(shù)(m2/s)，v=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2)，t為水溫(℃)；R為水力半徑(m)；h為徑流深度(m)。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù)計(jì)算公式[20]為：

(5)

式中：J為水力坡度(m/m)；V為徑流速度(m/s)；R為水力半徑(m)。

徑流剪切力計(jì)算公式[20]為：

τ=γRJ

(6)

式中：τ為徑流剪切力(Pa)；γ為水流重度(N/m)。

徑流功率計(jì)算公式[20]為：

ω=τV

(7)

式中：ω為徑流功率〔N/(m·s)〕。

單位徑流功率計(jì)算公式[20]為：

(8)

式中：J為水力坡度(m/m)；P為徑流功率(m/s)。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本研究中所有統(tǒng)計(jì)均在SPSS 17.0軟件(芝加哥，伊利諾伊州，美國(guó))環(huán)境中進(jìn)行分析。研究結(jié)果列出的數(shù)據(jù)為平均值以及其標(biāo)準(zhǔn)差。降雨強(qiáng)度、植被類(lèi)型等試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的顯著性分析采用ANOVA方差分析，置信區(qū)間在95%水平。

3 結(jié)果與討論

3.1 植被對(duì)坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙量的影響

各試驗(yàn)植被坡面在不同降雨條件下坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量結(jié)果見(jiàn)下詳見(jiàn)表2。由表2的結(jié)果對(duì)比可以看出，降雨強(qiáng)度對(duì)坡面總產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量有顯著影響，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡面的總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量均有顯著的增加(單向方差分析，顯著性水平為0.05)。植被類(lèi)型對(duì)坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量也有顯著的影響(單項(xiàng)方差分析，顯著性水平為0.05)，同時(shí)雙向方差分析顯示兩個(gè)因素對(duì)總產(chǎn)流和產(chǎn)沙量具有交互作用，在兩個(gè)因素的共同作用下，總產(chǎn)沙量在降雨強(qiáng)度為90 mm/h條件下，栓皮櫟坡面最高達(dá)到2 591.87±14.19 g。本研究中的6個(gè)植被類(lèi)型中，側(cè)柏坡面的產(chǎn)流量最大，隨著降雨強(qiáng)度從30增大到90 mm/h，其坡面總產(chǎn)流量從17.12 L增大到97.10 L，平均總產(chǎn)流量為56.85 L。而產(chǎn)沙量最高的則是栓皮櫟坡面，平均產(chǎn)沙量高達(dá)1 189.15 g，隨著降雨強(qiáng)度從30增大到90 mm/h，其總產(chǎn)沙量從208.48 g增大到2 591.87 g。

3.2 植被坡面土壤侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制

各植被覆蓋坡面的水動(dòng)力學(xué)特性因子詳見(jiàn)表3。由表3可知，植被類(lèi)型和降雨強(qiáng)度均是影響坡面徑流流速的重要因子(雙向方差分析，顯著性水平為0.05)。各植被覆蓋坡面徑流流速范圍在0.803±0.213至4.276±0.430，同時(shí)隨著降雨強(qiáng)度的增大，覆蓋坡面的徑流流速顯著增大，降雨強(qiáng)度對(duì)各植被覆蓋坡面的徑流流速影響顯著(單向方差分析，顯著性水平為0.05)。4種覆蓋類(lèi)型中，栓皮櫟覆蓋坡面徑流流速最快，平均流速為2.930 m/min，流速最慢的為酸棗覆蓋坡面，平均流速為1.516 m/min。植被覆蓋坡面徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)范圍分別為7.271～62.630，0.177～0.900，徑流雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。植被覆蓋坡面徑流阻力系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小，范圍為2.858至73.418，隨降雨強(qiáng)度的增大而減小，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度增大了坡面徑流流速，增大了水深，使阻力系數(shù)顯著減小[12]。坡面徑流剪切力在各植被影響下范圍為0.829～3.394，徑流功率范圍為0.017～0.131，單位徑流功率范圍為0.005～0.019，均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。

表2 植被覆蓋坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量

表3 植被覆蓋坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特征

3.2.1 坡面徑流剪切力對(duì)土壤侵蝕的影響 坡面土壤侵蝕是土壤顆粒在徑流剪切力以及土壤顆粒本身的重力共同作用下發(fā)生位移，沿著坡面運(yùn)移的過(guò)程，徑流剪切力能夠打破土壤顆粒之間的黏結(jié)力，分離土壤顆粒從而為土壤侵蝕提供物質(zhì)來(lái)源[17]。因此徑流剪切力越大時(shí)，能剝離更多的土壤顆粒，從而增大侵蝕程度。徑流剪切力與土壤侵蝕產(chǎn)沙有顯著的相關(guān)關(guān)系，因此本研究對(duì)徑流剪切力與坡面產(chǎn)沙率進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果顯示坡面徑流剪切力與產(chǎn)沙率呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。在相關(guān)方程中，當(dāng)剪切力太小時(shí)，土壤顆粒的黏結(jié)程度較強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)不易受破壞，不發(fā)生土壤顆粒運(yùn)移，當(dāng)徑流剪切力增大后，徑流剪切力大于其本身結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度，能夠發(fā)生土壤侵蝕。

圖1 不同試驗(yàn)條件下植被覆蓋坡面徑流剪切力與產(chǎn)沙率的相關(guān)關(guān)系

3.2.2 徑流功率對(duì)土壤侵蝕的影響 徑流作用于土壤顆粒發(fā)生運(yùn)移的過(guò)程也是徑流耗能的過(guò)程，因此引入徑流功率來(lái)評(píng)價(jià)徑流對(duì)土壤顆粒的搬運(yùn)能力[2]。徑流功率越大，則其所蘊(yùn)含的勢(shì)能越大，則其能夠侵蝕更多的土壤。因此本研究對(duì)各植被坡面產(chǎn)沙率與徑流功率的相關(guān)性進(jìn)行了研究，相關(guān)結(jié)果如圖2所示，由圖2可以看出，坡面徑流功率與產(chǎn)沙率呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)關(guān)系。

3.3 討 論

土壤侵蝕的物理原理為徑流搬運(yùn)泥沙的耗能做功過(guò)程，因此徑流所蘊(yùn)含的能量對(duì)土壤團(tuán)粒分散、泥沙顆粒輸移有物理作用[21]，因此徑流功率是評(píng)估侵蝕量的重要因素，徑流功率可以作為描述徑流做功快慢的物理量，因此其值與徑流對(duì)土壤顆粒的作用密切相關(guān)[22]。

在功率理論基礎(chǔ)上，Yang[21]提出了單位水流功率計(jì)算公式，其定義為流速與坡降的乘積，即在長(zhǎng)度為x，總落差為y的明渠上，單位重量的水體具備的用于輸送水和泥沙的能量率。該公式量綱簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，能夠描述徑流的功率特性，但是單位徑流功率理論在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用實(shí)踐不足，Moor和Burch[23]在1986年首次采用單位徑流功率來(lái)計(jì)算侵蝕率；崔文濱等[24]闡述了徑流功率理論在黃土坡面侵蝕產(chǎn)沙計(jì)算中的應(yīng)用；肖培青等[8]使用單位徑流功率預(yù)測(cè)苜蓿草地的產(chǎn)沙率，其結(jié)果均證明單位徑流功率與徑流功率能夠很好地預(yù)測(cè)產(chǎn)沙率。植被的存在能夠減緩徑流流速，降低徑流功率，引起徑流輸移泥沙和徑流剪切土壤的能力下降[25]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于剪切力的計(jì)算過(guò)程反映的為剪切力在坡面的平均分布狀況，但是實(shí)際侵蝕過(guò)程并非均勻分布在坡面，植被以及坡面粗糙程度均會(huì)造成徑流的水深不一，因此徑流深的點(diǎn)剪切力較大，使剪切力呈點(diǎn)狀分布[26]。而徑流功率理論能夠消除這一誤差，其描述的為徑流的初始與終結(jié)狀態(tài)的坡面距離，通過(guò)計(jì)算坡面徑流在坡面頂端和坡面底端的能量差值，從而得到由于侵蝕而消耗的能量[22]。

圖2 不同試驗(yàn)條件下植被覆蓋坡面徑流功率與產(chǎn)沙率相關(guān)關(guān)系

坡面侵蝕與徑流形態(tài)密切相關(guān)，徑流沖刷會(huì)引起坡面形態(tài)改變，反之形態(tài)變化會(huì)影響徑流形態(tài)以及侵蝕程度，因此二者相互影響，密不可分。描述坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的要素主要有：雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)、徑流功率、徑流深等，這些要素是描述徑流特性的重要因素，也是深入了解坡面侵蝕過(guò)程以及侵蝕規(guī)律的重要途徑。本研究采用弗勞德數(shù)作為流態(tài)表征因子，來(lái)探究徑流功率與徑流流態(tài)的相互關(guān)系，徑流功率的增大會(huì)引起徑流流態(tài)逐漸由層流過(guò)渡到紊流，這是由于坡面徑流在從坡上向坡下流動(dòng)過(guò)程中，其做功主體勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鲃?dòng)能，因此流速會(huì)逐漸增大[27]，同時(shí)坡面的粗糙特性也會(huì)作用于徑流，增大徑流流體內(nèi)部紊動(dòng)程度，從而改變徑流流態(tài)[25]。侵蝕過(guò)程中，土壤表面顆粒的表土團(tuán)聚體的崩解、分散等水土間相互作用，改變了土壤表面結(jié)構(gòu)，也會(huì)加深坡面粗糙程度，從而加深徑流流態(tài)的變化[28]。

本研究中植被覆蓋坡面隨著徑流雷諾數(shù)的增大，坡面徑流的阻力系數(shù)逐漸減小。徑流阻力系數(shù)與徑流雷諾數(shù)的相關(guān)關(guān)系較為復(fù)雜，已發(fā)表研究中二者的關(guān)系多樣，不同坡度等試驗(yàn)條件均會(huì)影響二者的相互關(guān)系。鄭良勇等[29]研究表明阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，其結(jié)果也說(shuō)明坡度是影響相互關(guān)系的主要原因，當(dāng)坡度在15°～30°時(shí)，二者存在正相關(guān)關(guān)系，與鄭良勇等研究結(jié)果相似，而坡度減小后，二者則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究的坡度為10°，二者為負(fù)相關(guān)對(duì)數(shù)關(guān)系，與張科利[4]的研究結(jié)果相似。以上研究結(jié)果顯示，徑流阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系復(fù)雜，尚無(wú)定論，既有可能是正相關(guān)，也有可能是負(fù)相關(guān)關(guān)系。雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的相關(guān)關(guān)系存在臨界坡度，在緩坡下二者呈負(fù)相關(guān)，陡坡下呈正相關(guān)，臨界值約在10°～12°間。除了坡度影響外，二者關(guān)系也受土壤粒徑組成和結(jié)構(gòu)影響，這是由于隨著雷諾數(shù)的增大，徑流會(huì)在坡面底部土壤顆粒的作用形成較小的漩渦，從而減小土壤顆粒的阻滯力。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)人工模擬降雨的試驗(yàn)方法，模擬了油松、側(cè)柏、栓皮櫟、酸棗4種植被覆蓋坡面的侵蝕過(guò)程以及徑流的水動(dòng)力學(xué)特性。4種植被覆被均能有效地減少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生，減弱徑流的輸沙能力，從而減少坡面土壤侵蝕量，發(fā)揮良好的水土保持作用。側(cè)柏坡面的產(chǎn)流量最大，平均總產(chǎn)流量為56.85 L。而產(chǎn)沙量最高的則是栓皮櫟坡面，平均產(chǎn)沙量高達(dá)1 189.15 g。各植被覆蓋坡面徑流流速范圍在0.803±0.213至4.276±0.430，栓皮櫟覆蓋坡面徑流流速最快，平均流速為2.930 m/min，流速最慢的為酸棗覆蓋坡面，平均流速為1.516 m/min。植被覆蓋坡面徑流雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)范圍分別為7.271～62.630，0.177～0.900，徑流雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。坡面徑流剪切力在各植被影響下范圍為0.829～3.394，徑流功率范圍為0.017～0.131，均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。研究結(jié)果對(duì)植被覆蓋坡面徑流水動(dòng)力學(xué)的探究和土壤侵蝕過(guò)程模型的建立具有重要的理論和實(shí)踐意義。