不同植物邊坡的糙率系數和水力學特征參數

劉慧博, 高二鵬, 王冰潔, 楊海龍, 張 嬙, 王志剛, 張成梁

(1.北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,

北京 100083; 2.輕工業環境保護研究所, 北京 100089)

不同植物邊坡的糙率系數和水力學特征參數

劉慧博1, 高二鵬1, 王冰潔1, 楊海龍1, 張 嬙1, 王志剛1, 張成梁2

(1.北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,

北京 100083; 2.輕工業環境保護研究所, 北京 100089)

摘要：[目的] 研究北方土石山區植物邊坡糙度，為坡面生態防護的最佳植物配置選擇提供依據。 [方法] 在北京市昌平區試驗基地設置多組不同地表類型的徑流小區，設計了控制流速、流量的野外放水沖刷試驗。[結果] (1) 與喬灌植被相比較，草本植被對地表徑流流速具有良好的阻滯作用，毛白楊對地表流速有加速作用。 (2) 草地的平均糙率系數最大，裸地最小。對裸地進行處理后發現，鋪設枯枝物，可以有效提高地表糙率系數值，通過礫石壓蓋處理的地表糙率系數并未有明顯改變。 (3) 各類地表下墊面的雷諾系數Rspan均介于21.34～23.49之間，枯落物小區Rspan最大，毛白楊小區Rspan最小，水流均為層流，紊動性弱；弗勞德數Fspan介于0.35～2.55之間；阻力系數f介于1.03～54.43之間。 [結論] 枯落物和草地可以有效減緩地表徑流流速；毛白楊下墊面防蝕功能最弱。

關鍵詞：糙率系數; 生態護坡; 植被; 土壤侵蝕

隨著社會經濟發展和人們對生態環境的日益重視，生態護坡已經是河道、濕地、公路邊坡等處防治水土流失、改善生態環境的常見措施之一。灌木和草本植物通常為邊坡常見的植被類型，研究土質邊坡不同坡面植被配置類型對坡面流阻力的影響過程及特征，對于研究喬、灌、草植被對坡面流的阻滯作用均具有重要意義。國內外在相關方面開展了廣泛的研究[1-6]，但多集中于草本植被坡面，針對喬、灌、草植被配置對坡面流阻滯效果及邊坡糙率系數和水力學參數的影響研究較少。為此，本研究通過野外設置徑流小區和放水試驗，探究不同流量、不同植被配置條件下喬、灌、草植被坡面糙率系數和流速的變化特征，揭示喬、灌、草植被對坡面流阻滯的效果，為北京市土質邊坡防治土壤侵蝕提供理論依據。

1試驗區概況

試驗區位于北京市西北部的昌平區，區域地理坐標為東經115°50′17″—116°29′49″,北緯40°2′18″—40°23′13″。昌平區屬暖溫帶，半濕潤大陸性季風氣候。全年四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷干燥。全區多年平均氣溫11.8 ℃，月平均氣溫-4.2 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-9.6 ℃。多年平均積溫4 591.3 ℃，無霜期約為200～203 d。多年平均降水量為550.3 mm，最大年降雨量為1 002.5 mm，最小年降雨量為318 mm。雨量多集中在夏季，占全年總降水量的76%；春、秋兩季雨量較少，占全年降水量的22%；冬季降水量不足全年的2%。全年平均日照總時數為2 684 h，春季最多，冬季最少。

本試驗在北京市昌平區馬池口鎮亭自莊輕工業環境保護研究所生態修復試驗基地人工修筑邊坡上，以不同植被類型作為試驗對象，以裸地作對照，模擬野外邊坡在坡面流沖刷下地表糙率系數和水力學特征參數的變化過程。邊坡頂寬2 m，底寬8 m，高3 m等腰梯形，坡度45°。在人工修筑邊坡上設置徑流小區，分別選擇裸地、碎石壓蓋面、枯落物覆蓋、金絲柳(Salixaureo-pendula)、草地(狗尾草Setariaviridis.)、毛白楊(Populustomentosa)、小葉黃楊(Buxussinicavar.parvifolia)共7種試驗樣地。各試驗樣地的特征詳見表1。

表1　試驗樣地基本特征

2試驗方法

由于室內模擬植草坡面對地表徑流阻力系數的影響，在裝填土體和栽植植被上都會不同程度的對土體造成破壞，室內植被與野外近自然的植被生長狀況并不相同，不能最大限度地反映野外植生邊坡的下墊面的實際情況，為此本試驗采用野外實地沖刷水槽法。

試驗裝置由供水桶、穩壓桶、薄層水流堰，試驗區、集流槽組成。具體步驟如下：在試驗區坡面，先將兩塊長30 cm，寬20 cm的鋼板砸入土體內(防止流水側漏，并保證插入面平行)。用容積各為100和30 L的水桶分別作為供水桶和穩壓桶(調節出流量，保持桶內液面高度不變)，穩壓桶下部順接薄層水流堰后，依次流入試驗區坡面。坡面下端連接集流槽，最后用燒杯承接徑流水樣。試驗前，先在試驗區坡面灑水，直至坡面土壤水分飽和。試驗過程中，利用穩壓桶閥門調節出流量，待流速均勻后利用染色劑滴定法測定徑流流速，實測流速乘以修正系數為斷面平均流速。利用量筒計測出入流量。在試驗區下方采集水樣，用烘干過濾法測定地表徑流的泥沙含量。以上步驟重復測定5次，取各結果的平均值作為最終試驗結果。放水過程，采取每隔3 min采集一次試樣，量測試驗區土壤侵蝕量，通過繪制土壤侵蝕量(A)—時間(t)過程曲線表征實際土壤侵蝕過程。采用水體染色法進行流速測定，使用精度為0.01 s的秒表計時。然后，采用相關公式計算出平均流速VS，曼寧糙率系數n，雷諾數Re，運動黏滯性系數v，弗勞德數Fr，Darcy—Weisbach阻力系數f等水動力學參數。

3結果分析

3.1　不同流量下坡面平均流速的變化特征

試驗結果采用流體表面平均流速VS表示。根據Abraham等[7]的相關研究確定當流態為層流、過渡流、紊流時，相應的各修正系數k分別為0.67，0.70和0.80，根據坡面徑流特征，判斷實際的徑流流態，選擇不同的流速修正系數。根據所測得的流速乘以相應的修正系數，確定坡面徑流平均流速VS(圖1)。由圖1可知，隨著流量的增加，坡面薄層水流的平均流速呈增加趨勢，不同下墊面邊坡徑流平均流速和單寬流量的關系并不一致。當流量從5 ml/s增大到30 ml/s時，5種地表流速變化依次為：裸地(0.031~0.069 m/s)，草地(0.017~0.051 m/s)，金絲柳(0.020~0.055 m/s)，毛白楊(0.023~0.061 m/s)，小葉黃楊(0.015~0.062 m/s)。其中小葉黃楊的地表徑流流速變化最大，其他幾種類型在流量為5 ml/s時，流速相差不大，相應流速從大到小依次為：裸地(0.031 m/s)>毛白楊(0.023 m/s)>金絲柳(0.020 m/s)>草地(0.017 m/s)>小葉黃楊(0.015 m/s)。當流量從5 ml/s增加到30 ml/s時，相應流速從大到小依次為：裸地(0.069 m/s)>小葉黃楊(0.062 m/s)、毛白楊(0.061 m/s)>金絲柳(0.055 m/s)>草地(0.051 m/s)。在相同流量下，草地的流速相對于其他植被覆蓋類型坡面流速除流量為5 ml/s時始終為最小值，裸地坡面流速則始終為最大值；但當流量逐漸增加到20 ml/s時，小葉黃楊地表流速增長趨勢最明顯，超過毛白楊和金絲柳，表明隨著入流量的增加，小葉黃楊對地表流速有促進作用；草地坡面與喬、灌植被覆蓋坡面相比，草地坡面對地表徑流有更好的阻滯效果。

圖1　不同下墊面坡面流速隨流量的變化

3.2　不同流量下地表糙率系數的變化特征

曼寧糙率系數[8]是描述坡面流的重要參數之一，反映地表對徑流攔阻效果。一般曼寧系數越大，表示地表對水流的阻力越大，對土壤侵蝕的防護越有利。曼寧糙率系數是眾多土壤侵蝕預測模型的基本參數之一。各類植被覆蓋坡面曼寧糙率系數變化如圖2所示。從圖2可知，不同植被覆蓋坡面糙率系數值隨著入流量的增加呈現總體下降趨勢。當入流量為5 ml/s時，各地表曼寧糙率系數大小順序依次為：小葉黃楊(0.867 1)>草地(0.704 8)>金絲柳(0.538 3)>毛白楊(0.426 9)>裸地(0.260 1)。當入流量為30 ml/s時，各地表糙率系數大小順序依次為：草地(0.369 4)>金絲柳(0.326 1)>毛白楊(0.274 9)>小葉黃楊(0.267 6)>裸地(0.224 3)。與坡面流速的分布特征一致，小葉黃楊變化趨勢最顯著，由流量較小時的糙率系數最大值隨著流量的增加迅速降低至最小值。另外，除小葉黃楊之外，其他4種植被覆蓋坡面的糙率系數隨著流量的增大呈現出先上升后逐步降低的變化，其原因主要是由于植物種類不同，根系分布亦不相同，從而導致各地表土壤的疏松程度不同，當流量較小時，隨著水流的沖刷，一部分水分下滲到土壤中，使得VS變小，從而糙率系數變大。當流量逐步增大時，土壤中水分逐漸達到飽和，此時隨著徑流量的增加，VS越來越大，從而糙率系數呈現一個減小的趨勢。從圖2可知，小葉黃楊始終呈現下降趨勢，這可能是由于小葉黃楊地表土壤狀況與其他4類不同，所以變化趨勢不盡相同。此外，當流量較小時，各地表糙率系數的差異顯著；但隨著入流量的逐漸增大，糙率系數之間差異明顯縮小。坡面徑流深理論上也相應增大，但由于研究對象為地表薄層水流，故認為徑流深未發生明顯改變。依據糙率系數公式知，糙率系數在數值上與坡面流速呈反勢，且從上一個結論得到坡面流速隨流量增加而顯著增大，故地表糙率系數會顯著減少。

圖2　變流量下地表糙率系數的變化

3.3　相同流量下糙率系數的變化特征

根據北京地區多年實測平均降雨量數據，采取單寬定流量為0.25 cm3/(s·cm)，徑流系數按照0.5計算，相當于北京地區10年一遇1 h降雨量。由圖3可知，在單寬定流量為0.25 cm3/(s·cm)的條件下，草地的平均糙率系數最大，其值為0.248 8。其次為枯落物地表(0.093 6)和小葉黃楊地表(0.063 5)；其中地表糙率系數較小的幾種地類分別為毛白楊(0.027 3)、裸地(0.041 4)、礫石覆蓋(0.045 9)、金絲柳(0.060 3)。

腐爛的枯落物可增加土體有機質及生物和微生物的種類和數量，有利于促進土壤團粒結構的形成[9],進而增大土壤透水性能，減少地表徑流量[10]，而半分解和未分解的枯落物可直接增大地表粗糙度，使地表徑流流速降低，減少地表徑流沖刷表層土壤的能力。

圖3　不同下墊面邊坡地表糙率系數分布

單就裸地而言，分別對其進行礫石壓蓋和鋪設枯枝落葉物處理，分析其曼寧糙率系數前后的變化程度。結果發現(表2)，對其進行礫石壓蓋處理后，理論上能在一定程度上增加地表粗糙度，進而影響地表徑流的下流速度。但事實證明，曼寧糙率系數值并未有較大變化，礫石壓蓋地表糙率系數值為0.045 9，較裸地的曼寧糙率系數(0.041 4)相比僅增加0.004 5。這一現象表明，通過礫石壓蓋理論上增加了地表粗糙度，但對曼寧糙率系數并沒有起到明顯的增大的作用。此外裸地人為覆蓋枯落物質，對曼寧糙率系數的影響較大，枯落物覆蓋的地表曼寧糙率系數為0.093 6，約相當于裸地地表曼寧糙率系數值的2倍以上。分析結果表明，對裸露地表鋪設枯枝落葉物，可以有效增加地表粗糙度，提高地表曼寧糙率系數值，通過礫石壓蓋處理的地表糙率系數并未有較明顯變化。

喬木和灌木樹種相比，其中糙率系數最大的是小葉黃楊(0.063 5)，其次從大到小的順序分別為金絲柳(0.060 3)和毛白楊(0.027 3)。由此可知，若邊坡坡度一致，喬木和灌木之間、不同喬木之間地表糙率系數存在差異，灌木樹種地表糙率系數大于喬木樹種。這可能與不同喬灌木樹種地表根系分布不同有關。

表2　不同地表下墊面邊坡地表糙率系數值

3.4　相同流量下坡面流水力學特征參數變化特征

糙率系數是反映下墊面狀況阻延地表徑流的指標，地表粗糙度直接影響著坡面的水力學特征[11]。雷諾數[12]是判定水流流態的重要依據，是水流的慣性力與黏滯力之比值。根據明渠均勻流流態的判定標準，若Re<500，表示水流為層流；若Re≥500，則表示水流為紊流。為了研究不同下墊面地表水流水力學特征，減小流速對試驗結果的影響，本試驗各組的單寬流量變化較小，均在0.25 cm3/(s·cm)左右；平均流速變化范圍為0.03～0.12 m/s，不同地表下墊面邊坡徑流水力學特征詳見表3。由表3可以看出，各地表下墊面的雷諾系數均介于21.34～23.49之間，故可認定各地表下墊面的水流均為層流，紊動性較弱。其中枯落物地表徑流的雷諾系數最大，表明枯落物地表徑流流態紊動性相對較強；而毛白楊地表徑流的雷諾系數值最小，表示毛白楊地表的水流紊動性最弱，水流的流態平緩。弗勞德數Fr[13]是表征水流流型的重要參數，它是水流的慣性力和重力的比值。一般地，判斷Fr是否大于1.0，是判斷該水流急緩的標準。如果Fr<1，水流為緩流；如果Fr≥1，水流為急流。由表1可知，各下墊面流態各異，主要分布在0.35～2.55之間，其中枯落物、草地小區地表徑流為緩流；裸地、礫石壓蓋、金絲柳、毛白楊、小葉黃楊等小區地表徑流為急流，說明枯落物和草地可以有效減緩地表徑流流速。Darcy—Weisbach阻力系數f[14-15]反映了坡面含沙水流在運動中所受的綜合阻力大小，阻力系數越大，說明徑流克服地表阻力所消耗的能量就越大，而用于侵蝕和泥沙輸移的能量就越小，路面侵蝕產沙就越少；反之地表土壤侵蝕越強烈。流速的平方與阻力系數成反比，而流速的大小主要取決于地表糙率系數值，在等流量條件下，地表糙率越大，流速越小，因而Darcy—Weisbach阻力系數f值越大。從表3可以看出，不同坡面的阻力系數變化在1.03~54.43之間，差異較大。7種地表阻力系數大小依次為：草地(54.43)>枯落物(9.34)>小葉黃楊(4.67)>金絲柳(4.27)>裸地(2.17)>礫石壓蓋(1.94)>毛白楊(1.03)，其中阻力系數最大的是草地，是裸地的25倍。阻力系數最小的是毛白楊地表，僅為1.03，為裸地地表阻力系數的47.5%。這與前面分析的定流量下不同地表類型糙率系數的變化特征一致。由此說明，植被對邊坡徑流具有明顯的攔截作用，而毛白楊對邊坡徑流的攔截作用較弱，較裸地反而有加快徑流流速作用。

表3　不同地表下墊面邊坡徑流水力學特征

4結 論

(1) 在相同流量下，草地的流速始終較小，裸地流速相對較大；隨著流量的增加，草本植被與喬、灌樹種相比較，草本植被對地表徑流流速具有良好的阻滯作用，毛白楊對地表流速有加速作用。

(2) 隨著流量的增加，不同植被覆蓋坡面糙率系數值呈現總體下降趨勢。小葉黃楊變化最為明顯，草地平均糙率最大。流量為5 ml/s時，裸地、喬木、灌木、草地4種不同植被覆蓋地表，灌木的平均糙率系數最大，其中地表糙率系數較小的幾種地類分別為裸地(0.260 1)、礫石覆蓋(0.274 9)、毛白楊(0.426 9)。對裸地進行處理后發現，鋪設枯枝物，可以有效提高地表糙率系數值，通過礫石壓蓋處理的地表糙率系數并沒有明顯改變；不同的灌木樹種下墊面地表糙率系數，若邊坡坡度一致，地表糙率系數的變化較明顯。

(3) 各種下墊面的雷諾系數均介于21.34～23.49之間，各種下墊面的水流均為層流，紊動性弱，其中枯落物地表徑流的雷諾系數最大，毛白楊地表徑流的雷諾系數值最小；各下墊面流態各異，弗勞德數主要介于0.35～2.55之間；不同坡面的Darcy—Weisbach阻力系數變化在1.03~54.43之間，其中草地阻力系數最大，毛白楊地表阻力系數最小。由此可以看出,草地下墊面可以有效抵御徑流的沖刷，毛白楊下墊面的潛在侵蝕力最強，具有產生較大土壤侵蝕量的潛力。

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Roughness Coefficient and Hydraulics Characteristics Parameters of Slopes with Different Plants

LIU Huibo1， GAO Erpeng1， WANG Bingjie1， YANG Hailong1，

ZHANG Qiang1， WANG Zhigang1， ZHANG Chengliang2

(1.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombat,MinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.EnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beijing100089,China)

Abstract：[Objective] In order to determine the optimal plant configuration of slope ecological protection, we designed a washout test by control the velocity and flow of water in runoff plots of different surface type. [Methods] Based on experimental data, we studied the effect of different surface types on both surface roughness coefficient and hydraulics characteristic parameters. [Results] (1) The effect of herbaceous vegetation on the velocity of the block is better than shrub tree species. Populus tomentosa promote the surface velocity. (2) The largest average roughness coefficient is in the lawn plot, the smallest is bare plot. Laying litter in bare ground can effectively increase the surface roughness coefficient value and there is no significantly change by laying gravel. (3) Reynolds coefficient(Rspan) is 21.34～23.49 and the largest is the litter surface, the smallest is Populus tomentosa surface. Water flow is laminar flow, the turbulence is weak, Froude coefficient(Fspan) is 0.35～2.55, Darcy—Weisbach resistance coefficient(f) is 1.03～54.43. [Conclusion] The bare land with litters and grassland surface can effectively resist runoff scour and the Populus tomentosa underlying surface has the potential to cause the most amount of soil erosion.

Keywords:roughness coefficient; ecological slope protection; vegetation; soil erosion

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0064-05

中圖分類號：S157.43

通信作者：楊海龍(1966—),男(漢族),內蒙古自治區赤峰市人,博士,副教授,主要從事流域管理及森林水文方面的研究。E-mail:yang_hlong@163.com。

收稿日期：2014-05-06修回日期：2014-06-09

資助項目：國家林業公益性行業科研專項“建設工程損毀林地植被修復關鍵技術研究與示范”(200904030)

第一作者：劉慧博(1989—),女(漢族),遼寧省本溪市人,碩士研究生,主要研究方向為水土保持。E-mail:liu_huibo@126.com。