土質(zhì)路面降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙及水力參數(shù)響應(yīng)

張 強

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

0 引言

黃土高原地區(qū)為滿足居民區(qū)建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和其他經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動需要，進(jìn)行了大規(guī)模的道路建設(shè)，除了借助諸如“村村通工程”等修建的水泥道路外，居民生活區(qū)、農(nóng)田和果園周邊還形成了大量裸露的土質(zhì)道路網(wǎng)系統(tǒng)，成為新的土壤侵蝕源頭和降雨徑流的匯流通道。據(jù)測算［1］，該地區(qū)道路土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)4 萬t∕km2。針對道路侵蝕和匯流的特殊性，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗證明無任何保護(hù)的道路是流域泥沙的重要來源之一［2，3］，路面侵蝕強度是農(nóng)地的8 倍左右［4］。在地形復(fù)雜的山區(qū)采用路面鋪設(shè)石子或水泥硬化等手段防治土壤侵蝕成本較高，比較而言土質(zhì)路面植草是黃土高原地區(qū)道路侵蝕防護(hù)中一種較為經(jīng)濟(jì)合理的措施［5］。該地區(qū)部分土質(zhì)路面邊緣地帶常年生長著雜草，呈散點狀分布，長勢旺盛，為道路周邊雜草的種子通過風(fēng)力搬運或生物攜帶而進(jìn)入路面土壤，或因路邊雜草根系延伸至路面由地下芽而形成。這些土質(zhì)道路平時交通量低，進(jìn)入農(nóng)忙時節(jié)農(nóng)用車輛增加，但破壞路面的車轍面積不到路面的1∕5，經(jīng)過人工補種草種等措施將會形成連片的植被覆蓋層，既可發(fā)揮保持水土的作用又使當(dāng)?shù)夭贿B續(xù)的自然景觀得以修復(fù)。因此，土質(zhì)路面植草應(yīng)用潛力可觀。由于土質(zhì)路面在修建或人為活動下壓實，植草后與自然坡面的植被防護(hù)效果有所不同，需要大量試驗進(jìn)行驗證。

針對黃土高原裸露路面和植草路面，研究不同人工模擬降雨強度、坡度和放水量沖刷條件下土質(zhì)路面植草前后降雨徑流和土壤侵蝕的變化情況，分析土壤剝蝕率與徑流水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，闡明土質(zhì)路面植草的作用機理和效果，旨在為該地區(qū)及類似地區(qū)土質(zhì)路面土壤侵蝕防治的生物措施應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室降雨大廳進(jìn)行，采用自動控制雨強側(cè)噴式人工降雨設(shè)備，放水沖刷試驗用馬氏瓶供水，所用土槽為自制移動變坡式鋼槽，長2.0 m、寬0.55 m、深0.35 m，裝土深度0.3 m。供試土壤采自陜西省延安市安塞縣，土壤類型為黃綿土。土壤自然風(fēng)干后過5 mm篩，按設(shè)計量稱重再均勻分成6 份裝土，邊裝邊壓實，實驗中將裸露路面土壤容重控制在1.5 g∕cm3左右，每次在裝下一層之前將表土打毛，以消除兩層土壤之間的垂直層理。

植草路小區(qū)中的草種為多年生草地早熟禾（Poa pratensis L.），來自預(yù)先移栽培育的草圃。采用條帶方式將草移栽到裸露路小區(qū)，用數(shù)碼相機垂直植草路面對小區(qū)進(jìn)行圖像采集，利用ERDAS Imagine 8.4分析軟件對圖像進(jìn)行處理測定草的覆蓋度，并通過適當(dāng)修剪到基本符合試驗所設(shè)計50%的覆蓋度要求為止，人工降雨前草的長勢穩(wěn)定，草高約為20 cm左右。

模擬降雨實驗中，坡度固定為15°時（處理A），雨強為1、1.5、2、2.5、3 mm∕min；雨強固定為2 mm∕min 時（處理B），坡度為6°、9°、12°、15°、18°；降雨與放水沖刷組合實驗（處理C）采用固定雨強2 mm∕min 和坡度15°，其中裸露路5 個放水流量分別為2.3×10-5、4.6×10-5、6.9×10-5、9.2×10-5、11.5×10-5m3∕s，而植草路5個放水流量為1.4×10-5、2.8×10-5、4.2×10-5、5.6×10-5、7.0×10-5m3∕s。試驗中路面徑流流速采用染色劑法測定；土壤侵蝕量通過相應(yīng)時段收集徑流后靜置、過濾和烘干稱重獲得。

1.2 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)作用于土壤的水流動力或能量足以破壞土壤黏結(jié)力時，土壤分離過程就開始發(fā)生，因此坡面水蝕過程的土壤剝蝕率為單位時間、單位面積的土體上，在侵蝕動力的作用下被剝蝕掉的土壤顆粒的質(zhì)量［6］。根據(jù)每分鐘泥沙量的觀測值分別除以相應(yīng)徑流寬度和試驗坡長即為相應(yīng)不同坡度和流量下土壤剝蝕率（Dr）。在國際上流行的幾個土壤侵蝕過程模型中，使用了不同的水動力學(xué)變量來模擬徑流沖刷引起的土壤分離過程。在美國的WEPP 模型中，采用了水流剪切力概念τ；在澳大利亞的GUEST 模型中，采用了水流功率ω的概念。水流剪切力是沿著坡面梯度方向運動的水流在其運動方向上產(chǎn)生的一個作用力，這種作用力就是徑流沖刷動力。Foster［7］等提出水流剪切力可以用下式計算：

式中：τ為水流剪切力，Pa；γ為水流容重，N∕m3；R為水力半徑，m；J為坡能比降；g為重力加速度，m∕s2。在坡面上由于水流為典型的薄層水流，所以可以直接用徑流深h和地面坡度S替換R和J。

Bagnold［8］提出水流功率的概念，即單位面積水體的水流功率，其表達(dá)式如下：

式中：ω為水流功率，N∕（m·s）；V為水流平均流速，m∕s。

過水?dāng)嗝鎲挝荒芰靠捎孟率接嬎悖?］：

式中：ε為過水?dāng)嗝鎲挝荒芰?，cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕速率與徑流系數(shù)

坡度為15°時不同人工模擬降雨強度下裸露路和植物路的徑流系數(shù)和土壤剝蝕率如圖1所示：不同降雨強度條件下，植草路的土壤剝蝕率均低于裸露路的土壤剝蝕率，降低幅度介于18.25%～63.28%之間，且兩種路面的土壤剝蝕率均隨著降雨強度的提高而增加，與孫蓓等［10］的研究結(jié)果相似；徑流系數(shù)則表現(xiàn)為裸露路（0.17～0.81）低于植草路（0.63～0.96），植草路徑流系數(shù)增加了18.50%～255.21%。土壤剝蝕率的差異充分說明了植草這種生物措施在田間土質(zhì)路面上可以起到降低土壤侵蝕的作用［11］，與自然坡面上采取的植物措施有著相同的防蝕效果［12］，只需要選擇能夠在田間土質(zhì)路面正常生長、一定輾軋次數(shù)下存活率較高、對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通工具不產(chǎn)生影響的草本即可。植草前后的土質(zhì)路面徑流系數(shù)均高于自然坡面的徑流系數(shù)［13］，側(cè)面反映出土質(zhì)路面更易形成徑流和土壤侵蝕的潛在威脅，這是因為土質(zhì)路面經(jīng)過壓實處理，其土壤密度比自然坡面土壤大0.3 g∕cm3左右，地表水入滲速率極大程度的降低導(dǎo)致；而植草路面的徑流系數(shù)高于裸露路面，作者分析認(rèn)為降雨過程中部分草葉被雨滴擊打匍匐于地面，從而阻礙了水分入滲，且短時間移栽后的植物根系沒能發(fā)揮疏松土壤和增加水分入滲的作用，室內(nèi)試驗兩種因素疊加導(dǎo)致此種表現(xiàn)。如果植草后經(jīng)過足夠長的時間，草本根系能夠在土中自由伸展，將在很大程度上增加水分入滲速率，降低徑流系數(shù)［14］。

圖1 不同降雨強度條件下土質(zhì)路面土壤剝蝕率和徑流系數(shù)Fig.1 Soil detachment rate and runoff coefficient on road surface under different rain intensity

圖2 為人工模擬降雨強度達(dá)到2 mm∕min 時不同坡度條件下裸露路和植物路的徑流系數(shù)和土壤剝蝕率：不同坡度條件下，植草路的土壤剝蝕率均低于裸露路的土壤剝蝕率，降低幅度介于8.62%～40.61%之間，且兩種路面的土壤剝蝕率在實驗坡度范圍內(nèi)隨坡度增加而遞增；徑流系數(shù)則表現(xiàn)為裸露路（0.54～0.71）低于植草路（0.88～0.97），植草路徑流系數(shù)增加了35.06%～63.94%。相對于裸露路面，植草路面較小的土壤剝蝕率說明了在實驗坡度范圍內(nèi)植草措施對土質(zhì)路面仍具有良好的防蝕效果。兩種路面均產(chǎn)生較高的徑流系數(shù)，其原因同樣與前文不同降雨強度條件中的兩種疊加作用有關(guān)。

圖2 不同坡度條件下土質(zhì)路面土壤剝蝕率和徑流系數(shù)Fig.2 Soil detachment rate and runoff coefficient on road surface under different slop gradient

2.2 土壤剝蝕率與徑流水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

2.2.1 土壤剝蝕率與徑流流速的關(guān)系

黃土高原地區(qū)的降雨產(chǎn)流歸因于超滲產(chǎn)流，而徑流是水力侵蝕的重要動力，其造成的土壤侵蝕普遍存在于塬面、自然坡面、土質(zhì)路面、農(nóng)田等各種環(huán)境中。徑流流速大小決定著水流對泥沙的搬運強度［15］。相對于裸露路面，植草路面的徑流流速降低了17.16%～46.70%，兩種路面的徑流流速均隨著降雨強度、坡度和放水流量的增加而增加。

有研究表明，土壤剝蝕率與徑流流速呈冪函數(shù)關(guān)系［16］。由表1 可知，本實驗中裸露路和植草路的土壤剝蝕率與徑流流速分別呈顯著的指數(shù)關(guān)系和直線關(guān)系。由圖3 可見，在相同條件下，植草路面的徑流流速明顯低于裸露路面的徑流流速，徑流侵蝕動力減弱，土壤剝蝕率降低，與實驗中觀測到的土壤侵蝕結(jié)果相一致。

圖3 土壤剝蝕率與徑流流速關(guān)系Fig.3 Relationship of soil detachment rate and runoff velocity

2.2.2 土壤剝蝕率與徑流剪切力的關(guān)系

徑流剪切力作為一種基本的水動力學(xué)參數(shù)，對了解侵蝕機理和建立侵蝕模型有重要的意義。圖4表明，降雨強度由1 mm∕min 增強至3 mm∕min，裸露路徑流剪切力增長至13.30 倍，植草路徑流剪切力增長至3.11 倍；坡度由6°增加至9°，裸露路徑流剪切力增長至2.14 倍，植草路徑流剪切力增長至1.31 倍；隨著放水流量增大，裸露路徑流剪切力增長至2.73 倍，植草路徑流剪切力增長至1.34 倍；不同條件下的實驗結(jié)果說明，地表草本植物的存在減弱了徑流剪切力的大幅度增長，起到了削弱徑流侵蝕動力的作用。相比裸露路面，植草路面的徑流剪切力增加了42.48%～509.07%，主要源于植草后的降雨徑流系數(shù)較高，即植草路具有較高的徑流深。吳卿等［17］認(rèn)為徑流剪切力與土壤剝蝕率呈正相關(guān)關(guān)系。部分研究學(xué)者構(gòu)建出徑流剪切力與土壤剝蝕率的關(guān)系［18］，并認(rèn)為可用徑流剪切力作為土壤侵蝕預(yù)測的參數(shù)［19］。從表1 可以看出，綜合幾種試驗條件下的土壤剝蝕率與水流剪切力呈極顯著的乘冪函數(shù)關(guān)系，裸露路和植草路的方程決定系數(shù)R2分別為0.933 2和0.676 5。

圖4 土壤剝蝕率與水流剪切力關(guān)系Fig.4 Relationship of soil detachment rate and shear stress

表1 土壤剝蝕率與徑流水力參數(shù)的擬合關(guān)系Tab.1 Regression of soil detachment rate and runoff hydraulic parameters

2.2.3 土壤剝蝕率與水流功率的關(guān)系

徑流能量是坡面徑流水動力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)，采用水流功率表征坡面徑流能量的方法在研究中占重要地位［20］。本實驗中，降雨強度由1 mm∕min 增強至3 mm∕min，裸露路水流功率增長至16.88 倍，植草路水流功率增長至4.68 倍；坡度由6°增加至9°，裸露路水流功率增長至3.68 倍，植草路水流功率增長至3.18 倍；隨著放水流量增大，裸露路水流功率增長至3.28 倍，植草路水流功率增長至2.04 倍；相對于裸露路面，植草路面的水流功率增加了18.03%～325.78%，由于水流功率的數(shù)值等于水流剪切力與流速的乘積，如前文所述，植草路的水流剪切力增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了流速降低的幅度，因此，植草路的水流功率計算值也呈增加趨勢。在澳大利亞的GUEST模型中，采用了水流功率作為預(yù)測土壤侵蝕的參數(shù)，關(guān)于土壤剝蝕率與水流功率的關(guān)系，國內(nèi)研究結(jié)果有直線關(guān)系［21］、指數(shù)關(guān)系［22］或冪函數(shù)關(guān)系［23］。從表2 可以看出，土壤剝蝕率與水流功率呈極顯著的乘冪函數(shù)關(guān)系，裸露路和植草路的方程決定系數(shù)R2分別為0.983 4和0.663 5，裸露路的擬合效果更優(yōu)；結(jié)合表1 與圖5 所示，在相同條件下，植草路的水流功率均小于裸露路的水流功率。

圖5 土壤剝蝕率與水流功率關(guān)系Fig.5 Relationship of soil detachment rate and stream power

2.2.4 土壤剝蝕率與過水?dāng)嗝鎲挝荒芰康年P(guān)系

過水?dāng)嗝鎲挝荒芰渴侵敢赃^水?dāng)嗝孀畹忘c作基準(zhǔn)面的單位水重的動能及勢能之和，其大小對土壤侵蝕具有很大影響［24］。本實驗中，降雨強度由1 mm∕min 增強至3 mm∕min，裸露路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至2.08 倍，植草路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至2.55 倍；坡度由6°增加至9°，裸露路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至1.95 倍，植草路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至1.06 倍；隨著放水流量增大，裸露路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至1.57 倍，植草路過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭鲩L至1.81 倍；相對于裸露路面，植草路面的過水?dāng)嗝鎲挝荒芰拷档土?1.20%～81.77%，過水?dāng)嗝鎲挝荒芰康拇笮∈軓搅魉詈土魉儆绊?，且徑流流速更為重要，雖然植草路的徑流水深略深，但流速降低較多，綜合效果為過水?dāng)嗝鎲挝荒芰砍式档挖厔荨?/p>

有學(xué)者［25］認(rèn)為土壤剝蝕率與過水?dāng)嗝鎲挝荒芰砍蕛绾瘮?shù)關(guān)系，本研究結(jié)果表明兩者呈極顯著的乘冪函數(shù)關(guān)系（表1和圖6），并且公式中的系數(shù)表現(xiàn)為裸露路遠(yuǎn)高于植草路，說明過水?dāng)嗝鎲挝荒芰吭黾酉嗤瑪?shù)值時，裸露路的土壤剝蝕率增加更為迅速，即土壤侵蝕程度更為嚴(yán)重，因此，裸露路面植草防蝕措施顯得尤為重要且有效。

圖6 土壤剝蝕率與過水?dāng)嗝鎲挝荒芰筷P(guān)系Fig.6 Relationship of soil detachment rate and unit energy of water-carrying section

3 結(jié)論

（1）覆蓋度達(dá)到50%的植草土質(zhì)路面在不同降雨強度、坡度和放水流量條件下，土壤剝蝕率可以降低18.25%～63.28%。

（2）兩種路面的土壤剝蝕率與徑流水力學(xué)參數(shù)均有顯著的相關(guān)關(guān)系，其中，裸露土質(zhì)路面可用水流功率或徑流剪切力預(yù)測土壤剝蝕率的大小，植草土質(zhì)路面可用徑流流速或徑流剪切力預(yù)測土壤剝蝕率的大小。