雨強及坡度對黃土區草地坡面水流流速的影響

張琪琳 王占禮 張慶瑋 王棟棟 劉俊娥

摘要：黃土區草被覆蓋下的坡面水流流速特征研究對于深刻認識該區草地坡面侵蝕動力和科學決策該區水土保持與生態建設具有重要意義。采用草地小區人工模擬降雨試驗方法，對黃土區草地坡面水流流速隨雨強及坡度的變化特征進行研究，結果表明：①在s個不同雨強及5個不同坡度下，草地坡面流速隨降雨歷時變化均表現為產流初期流速快速增大，持續一段時間之后轉為緩慢增大或保持穩定，且可用冪函數描述；②草地坡面次降雨產流平均流速分別隨單一因子雨強、坡度的增大而增大，且皆可用對數函數描述；③草地坡面次降雨產流平均流速隨雨強及坡度復合因子的變化可用二元對數函數描述，試驗條件下坡度對草地坡面水流平均流速的影響大于雨強的影響。

關鍵詞：草地坡面；流速；雨強：坡度；黃土區

中圖分類號：S157.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.023

我國黃土高原是全球水土流失嚴重地區之一。1999年國家實施退耕還林還草工程以來，黃土區坡面草本植物迅速繁衍。具有草被覆蓋的坡面與裸坡相比，坡面水流流速發生了顯著變化，進而深刻影響坡面土壤侵蝕。開展黃土區草地坡面水流流速特征研究，對于該區水土流失治理與生態建設具有重要意義。

水力侵蝕是水流和土壤相互作用的復雜物理過程，水流動力是坡面水力侵蝕發生發展的重要根源，而流速則是體現坡面水流動力學特征的重要指標。早期學者對坡面流流速研究主要是在裸坡上進行，認為坡度、流量、地表特征和土壤特性等因素都會影響坡面流流速。M.A.Nearing等利用侵蝕動床試驗，得出流量對坡面薄層水流平均流速影響明顯：吳淑芳等進行坡面薄層水流水力學特性試驗，結果表明隨著單寬流量增大，坡面流流速明顯增大，二者之間成冪函數關系：張光輝試驗得出，坡面流平均流速與流量和坡度2個因子成二元冪函數關系，且流量是影響坡面流平均流速的主要因子：焦念等利用陜西安塞黃綿土進行室內模擬降雨試驗，得出黃土坡面細溝水流的平均流速是雨強和坡度的函數，且與二者均成正相關關系，可用二元對數方程很好地描述。

隨著對草被覆蓋條件下侵蝕規律認識不斷加深，學者們發現草被覆蓋是影響坡面水流流速變化的重要因素之一，因而加快了對草被覆蓋條件下的坡面水流流速試驗研究。國外學者普羅托季亞科諾夫最早進行了單寬流量（A）為0.4～9.5L/s、坡度（S）為0.25%～20.7%的草地坡面水流流速觀測試驗，分析得到草地坡面水流流速（V）計算公式為v=kA1/2S3/16（k為坡面粗糙系數）。國內很多學者對草地植被覆蓋下坡面水流流速的變化特征進行了試驗研究，如馬春艷通過野外人工放水沖刷試驗，得出荒草地坡面平均流速與坡度及流量均成正相關關系，流量是影響荒草地坡面水流流速的主要因子：江忠善等根據不穩定流理論，總結國內外研究者得出的計算方程，并將方程中流速用單寬流量（q）和坡度（S）表示，換算成統一形式后得到V=kqnSm（k、m、n為參數）。

國內外學者以往對草地坡面水流流速隨流量及坡度的變化特征進行的試驗研究較多，而對于草地坡面水流流速隨雨強及坡度的變化特征研究則甚少。筆者運用草地小區人工模擬降雨試驗方法，研究草地坡面水流流速在不同雨強及坡度下的變化過程及特征，為深入認識草地坡面水蝕動力特征及其侵蝕作用機理提供參考。

1 材料與方法

本試驗在中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人工模擬降雨大廳中進行。試驗采用側噴式人工降雨設備，降雨高度為16m，降雨均勻度大于80%。試驗采用可移動式變坡度徑流小區，通過調節小區下方的升降架，可調節的坡度范圍為00～300，小區尺寸為80CmX60Cmx25cm，底部按IOcmX10cm間距開孔。

選取陜西省安塞縣黃綿土，試驗前將土壤進行自然風干并過5mm篩，試驗設計的土壤含水量為14%，土壤容重為1.2g/cm3。試驗之前首先建設裸土小區：在試驗小區的底部鋪上一層5cm厚的細沙，然后在細沙上方鋪一層透水紗布，模擬坡面在天然條件下的透水情況，最后在透水紗布上分層裝填土壤，每層土壤厚5cm，共4層。之后種草建成草地小區，待草地植被生長穩定后進行降雨試驗。

試驗草種選用早熟禾，條帶狀種植，草被覆蓋度設計為40%，每場降雨試驗之前先用相機對草地小區進行拍照，然后將照片采用ImageJ軟件分析之后得到準確的草被覆蓋度，若與40%差異過大，則對草冠部分進行修剪，保證降雨試驗時草被蓋度為40%。

試驗設計雨強（I）分別為0.7、1.0、1.5、2.0、2.5mm/min，同時坡度為7°的試驗5場；設計坡度（S）分別為7°、10°、15°、20°、25°，同時雨強為0.7mm/min的試驗5場。設計1個重復，共計18場次試驗。

試驗每一場降雨時長均為40min，降雨產流之后的第1min、第3min、第6min各取樣觀測一次，之后每隔3min取樣一次。試驗時，采用高錳酸鉀染色法測定水流表面流速，然后根據水流流態確定流速修正系數χ值，最后計算出坡面水流平均流速。

采用Excel 2007對試驗數據進行處理分析，得出經驗方程、決定系數和顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 草地坡面水流流速隨降雨歷時變化特征

2.1.1 不同雨強下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化特征

圖1為不同雨強下草地坡面水流流速隨降雨歷時的變化曲線。由圖1可知，不同雨強下降雨產流開始階段草地坡面水流流速不斷增大，在產流約20min之后流速緩慢增大或基本保持穩定。不同雨強下流速隨降雨歷時變化趨勢基本相似，但0.7mm/min雨強下的流速明顯小于其他雨強下的流速，其他雨強下流速值之間的差異較小。

不同雨強下的草地坡面降雨產流過程中，在開始降雨后的短時間內，土壤的人滲率較大，降雨全部人滲于土壤中，地表無徑流產生。隨著降雨繼續進行，坡面表層土壤含水量增大，土壤人滲率迅速減小至降雨強度以下時，草地坡面開始產生徑流，流量和流速增大較快，在降雨持續20min左有時，土壤人滲率趨于緩慢減小或穩定變化，草地坡面水流流量及相應的流速呈現為緩慢增大或穩定變化。

表1為不同雨強下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化的擬合方程及檢驗結果。由表1可知，不同雨強下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化均可用冪函數方程進行描述，決定系數為0.704～0.943，顯著性水平皆為0.01。

2.1.2 不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化特征

圖2為不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時的變化。由圖2可知，不同坡度下流速隨降雨歷時變化趨勢與不同雨強下的基本相似，流速隨降雨歷時延長，剛開始快速增大，一段時間之后基本保持不變。稍有不同的是，不同坡度下坡面水流流速在開始產流大約15min之后基本保持不變，不同雨強下流速則是在20min之后趨于平穩的。

表2為不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化的擬合方程及檢驗結果。由表2可知，不同坡度下草地坡面水流流速隨降雨歷時變化均可用冪函數方程進行描述，相關性較不同雨強下的弱，決定系數為0.420～0.943，顯著性水平為0.01～0.10。

2.2 雨強對草地坡面次降雨產流平均流速的影響

圖3為草地坡面次降雨產流平均流速隨雨強的變化。由圖3可知，雨強從0.7mm/min增大至1.Omm/min.草地坡面平均流速顯著增大，約增大0.04m/s；雨強繼續增大到2.5mm/min時，流速增幅很小，各雨強下草地坡面平均流速的變化范圍為0.06～0.12m/s。試驗條件下草地坡面平均流速隨雨強增大而增大的關系可用對數函數進行描述（決定系數R2=0.747，顯著性水平P<0.1）：

v=0.029InI+0.090式中：V為草地坡面次降雨產流平均流速，m/s；I為雨強，mm/min。

草地坡面水流平均流速隨雨強增大而增大，原因是在同一坡度下，隨著雨強增大，草地坡面徑流量隨之增大，徑流所受沿順坡方向的分力增大，使得流速增大。由圖3可知，雨強從0.7mm/min增大至1.Omm/min時，平均流速增大0.04m/s；雨強從1.Omm/min增大至2.5mm/min時，平均流速增大0.02m/s。在小雨強下，草地坡面水流的動力小，水流分離土壤能力弱，坡面較為平整，坡面阻力較小，水流直接順坡流下，因此當流量增大時，坡面流速快速增大。而在大雨強下，草地坡面水流動力較大，分離土壤能力增強，坡面被沖刷得凹凸不平，坡面阻力增大，使坡面水流動力被大量消耗，從而導致流速增大緩慢。

2.3 坡度對草地坡面次降雨產流平均流速的影響

圖4為草地坡面次降雨產流平均流速隨坡度的變化。由圖4可知，坡度從7°增大至10°時，草地坡面平均流速顯著增大，繼續增大至25°時，平均流速增幅明顯減小，試驗條件下流速變化范圍為0.06～0.14m/s。草地坡面平均流速隨坡度增大而增大的變化關系可用對數函數進行描述：

V=0.0431ns+0.007（R2=0.893.P<0.05）式中：s為坡度，（°）。

草地坡面水流平均流速隨坡度增大而增大，原因是在同一雨強下，隨著坡度增大草地坡面徑流所受沿順坡方向的分力增大，使流速隨之增大。

2.4 雨強及坡度復合因子對草地坡面流速的影響

二元回歸統計分析表明，試驗條件下草地坡面平均流速與雨強及坡度復合因子成正相關關系，其關系可用二元對數函數進行描述：

由式中雨強和坡度因子系數可知，試驗條件下坡度對草地坡面水流平均流速的影響大于雨強的，這與焦念等6的試驗研究結果一致。焦念等人研究所得決定系數為0.90，高于本研究的，原因是其試驗在裸土坡面上進行，在試驗條件確定后，試驗中只有雨強和坡度2個因子是變化的，其他因素基本不變：而本研究的試驗是在草地坡面上進行的，除了雨強和坡度2個主要影響因子外，草被本身帶來的不確定性會影響坡面水流流速，最終導致本試驗條件下得到的方程相關性降低。

3 結論

（1）在試驗條件下，不同雨強草地坡面水流流速隨降雨歷時的變化特征相似，皆表現為產流剛開始時快速增大，產流約20min之后轉為緩慢增大或基本穩定。

（2）在試驗條件下，不同坡度草地坡面水流流速隨降雨歷時變化特征表現為產流剛開始時快速增大，產流約15min之后轉為緩慢增大或基本穩定，可用冪函數描述其隨降雨歷時的變化。

（3）草地坡面次降雨產流平均流速與雨強、坡度單一因子均成正相關關系，均可用對數函數描述。雨強從0.7mm/min增大至2.5mm/min時，平均流速變化范圍為0.06～0.12m/s；坡度從7°增大至25°時，平均流速變化范圍為0.06～0.14m/s。

（4）草地坡面次降雨產流平均流速與雨強及坡度2個復合因子成正相關關系，可用二元對數函數描述。試驗條件下，坡度對草地坡面次降雨產流平均流速的影響大于雨強的。

受試驗條件的限制，未進行草地植被自身屬性對流速影響的相關試驗，而這些因素會不同程度地影響流速。因此，在今后的研究工作中，應進一步開展草地坡面草被種類、覆蓋度、草地植被莖稈、草地落葉層及草地根系形態等對坡面水流流速影響的試驗研究。