植被類型對河岸帶坡面流水動力特性的影響

梁瀟瑜, 信忠保, 夏曉平

(北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083)

河岸帶具有調節徑流、凈化環境、提供生物棲息地等功能，對于生態系統服務的維持起重要作用[1-2]。近年來，受自然因素和人為頻繁干擾的影響，河岸帶的生態功能退化。植被覆蓋可以提高土壤的抗侵蝕能力，并且在攔截徑流和穩定岸坡方面具有非常重要的作用[3-4]。一方面植被覆蓋增加了水流阻力，可減少徑流沖刷；另一方面植物根系固持土壤，增強了土壤抗蝕性，從而減少水土流失[5-6]。坡面流是侵蝕的主要動力，研究河岸帶坡面流水動力學特性有助于了解坡面侵蝕的機制。

國內外學者對于坡面流水力學特征做了大量研究[7-10]。袁和第等[11]通過人工模擬降雨得出長時間降雨與徑流流速、水力學參數關系顯著。曾榮昌等[12]通過室內放水沖刷模擬試驗發現坡度、沖刷流量、巖石與坡面夾角共同影響地表集中流的水力學特性。吉靜怡等[13]通過模擬降雨試驗，研究生物結皮分布格局是影響水動力學特征的重要因素。薛夢華等[14]通過室內放水沖刷試驗，發現了不同草被格局影響坡面流的水力學特性。已有的研究主要是在室內水槽模擬或者野外人工植被覆蓋條件下的試驗，河岸帶具有陡峭、坡短、易遭受侵蝕、干擾因素多的特點，對河岸帶坡面侵蝕的研究非常必要。但是目前對于河岸帶邊坡自然植被類型下的水動力學特性了解知之甚少。

本研究通過野外設置簡易徑流小區放水試驗，分析河岸帶不同原生植被類型、不同流量下的坡面流水動力學參數，探討河岸帶邊坡自然植被在上方來水情況下水動力學特征，為河岸帶植被攔截徑流泥沙提供理論基礎，同時為河岸帶植被生態修復提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗區位于北京市懷柔區西南部(東經116°19′54.3″—116°34′3.5″，北緯 40°18′59.5″—40°26′51.6″)。研究區氣候類型屬于大陸性季風氣候，氣溫差較大，年最高氣溫38℃，最低氣溫-18℃。懷九河是北京山區的典型河流，長達37.4 km，海拔約65～320 m。上游部分河岸多靠丘陵臺地，下游部分以地勢低的小洪積扇群組成。河岸坡面的土壤類型主要為砂壤土，平均土壤粒徑組成主要為：黏粒(<0.002 mm)為3.9%±0.67%，粉粒為(0.002～0.05 mm)55.55%±4.6%，砂粒為(0.05～2 mm)40.55%±5.26%，土壤容重為(1.22±0.03) g/cm3，平均土壤層厚度<20 cm[15]。

1.2 試驗布設

本試驗于2017年6月在懷九河流域中游覆蓋有不同植被類型且受人為干擾活動較小的河岸邊坡上進行，自然坡面坡度較為均勻，約為30.7±0.67°。邊坡坡長4 m，寬0.5 m，在邊坡上設置簡易徑流小區進行野外邊坡放水沖刷試驗。本研究以不同坡面植被類型作為試驗對象，裸地作對照，研究不同坡面類型下的坡面流水動力學參數的變化過程。分別選取裸地、荊條(Vitexnegundovar. heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、狗牙根(Cynodondactylon)、荊條+茵陳蒿(灌草)共6種簡易徑流小區，基本特征見表1。

表1 徑流小區基本特征

放水試驗裝置由供水桶、穩壓桶、溢流槽、集流槽組成，水流由供水桶提供并流經穩壓桶穩定水壓，保證在試驗過程中出水口出水流量相同。簡易徑流小區兩側利用PVC擋板(1.5 m × 0.2 m)隔開，集流槽主要收集上方來水來沙。本試驗采用定水頭方法來控制放水流量，調整后的水流經過溢流槽使之平穩的流入徑流小區，自簡易徑流小區上方每隔1 m設置一個斷面，共坡上、坡中、坡下3個斷面用以測量徑流流速。

試驗前對簡易徑流小區坡面均勻灑水至坡面土壤含水量飽和，避免前期坡面含水量的不同而導致試驗結果誤差。試驗過程中，調整出水流量后進行放水試驗，待流速均勻穩定后每隔2 min利用高錳酸鉀染色劑滴定法測定坡上、坡中、坡下的徑流流速，求其平均值。染色法測定的流速為表面流速，相對于平均流速偏大需乘以修正系數0.75，作為水流斷面平均流速[16]。本試驗放水流量考慮北京土石山區所能達到的最大峰值雨強為120 mm/h，通過試驗小區上所產生的單寬流量計算得到3種設計流量(4 L/min，6 L/min和8 L/min)。每種流量條件下放水時間共計31 min，在試驗前5 min每隔1 min收集一次坡面徑流泥沙混合樣，5 min后每隔2 min收集一次，共計18個徑流泥沙樣。

1.3 水力參數計算

由于坡面流極薄，實測的水流深數值與實際情況相比誤差較大，所以假定坡面薄層水流均勻分布的前提下，徑流深(h)計算公式如下：

式中:Q為徑流量(m3);t為取樣時間(s);V為斷面平均流速(m/s);B為有效過流寬度(m),本研究取坡寬0.5 m。

文中涉及的雷諾數(Re)、弗勞德數(Fr)、Darcy-weisbach阻力系數(f)、曼寧糙率系數的計算公式為：

式中:v為水運動黏性系數(m2/s);t為水溫(℃)；g為重力加速度,取值為9.8 m/s2;J為水力坡度,J=sinθ,θ為簡易徑流小區坡度。

1.4 統計分析

使用SPSS 23.0和Origin 2021軟件進行數據統計和作圖。采用SPSS 23.0軟件的單因素方差分析 (ANOVA)。在0.05水平上確定顯著差異，最小顯著性差異法(LSD)檢驗進行多重比較以區分其平均值。

2 結果與分析

2.1 坡面流流速特征

不同坡面類型的平均徑流流速有顯著差異，裸坡坡面的平均流速〔(0.276±0.065) m/s〕顯著高于其他植被類型，狗牙根坡面的平均流速〔(0.078±0.012) m/s〕顯著低于其他坡面類型(p<0.05)。植被覆蓋有明顯的阻流作用，增加水流的能量損失，導致徑流流速減小。無論是否有植被覆蓋，所有坡面類型的平均徑流流速均隨著來水流量的增加顯著增加(表2)(p<0.05)。當放水流量為4 L/min時，狗牙根坡面平均徑流流速〔(0.061±0.004) m/s〕最小，且顯著低于其他植被類型，約為裸坡平均徑流流速〔(0.198±0.024) m/s〕的0.308倍。各植被類型坡面平均徑流流速均顯著低于裸坡平均徑流流速(p<0.05)。當放水流量為8 L/min時，荊條坡面的平均徑流流速增速最大，達到76.92%，荊條的阻流速率大大降低。而灌草坡面的平均徑流流速增速最緩，僅為13.58%，灌草坡面表現出相對較小的變化。對于狗牙根來說，當來水流量從4 L/min增加到6 L/min時，平均徑流流速增加了39.3%，而當來水流量從6 L/min增加到8 L/min時，平均徑流流速增加僅為0.32%，表明狗牙根起到了很好的減流效益。

表2 不同坡面類型徑流流速特征 m/s

由于裸地坡面土壤松散，徑流流速始終高于其他植被類型坡面徑流流速，并且隨著時間的增加有增加趨勢(圖1)。隨著沖刷時間的增加，加劇了裸坡土壤侵蝕，由面蝕向細溝侵蝕轉變，在溝內形成股流，導致徑流流速隨時間出現增加的趨勢。灌草、荊條坡面徑流流速隨時間也有增加趨勢，試驗期間平均徑流流速分別增加了30.4%和39.8%(圖1)。狗牙根的徑流流速始終低于其他坡面類型，且隨時間變化范圍最小(0.075～0.081 m/s)，徑流流速十分穩定。這是由于草本植物土壤表層高密度根系分布的影響，增加的地表糙率分散了坡面徑流，抑制了侵蝕的發展，細溝并不能完全發育。對于薄層水流，草本植物能很好的起到阻流作用，徑流流速變化的幅度相對較小。茵陳蒿(0.168～0.180 m/s)也發現了相對穩定的徑流流速。

2.2 坡面流流型流態

水流流型流態是表征坡面薄層水流水力學特性的重要參數。坡面徑流的水力學參數隨上方來水流量和坡面類型表現出一定的規律性。根據明渠均勻流的基本理論，計算雷諾數(Re)來判別水流流型，當500≤Re≤5 000時，坡面流屬于過渡流；Re<500則屬于層流；Re>5 000時屬于紊流。

整體來看，河岸帶邊坡對徑流的黏滯作用較為明顯，雷諾數變化范圍為11.21～172.96，水流流態始終為層流(表3)。相同流量的情況下，雷諾數越大，坡面流的紊動性也越強。裸坡的雷諾數(128.53)顯著高于其他坡面類型，狗牙根坡面的雷諾數(47.70)顯著低于其他坡面類型(表3)(p<0.05)。隨著上方來水流量的增加，所有坡面類型的雷諾數是顯著增加的(p<0.05)(表4)，說明來水流量的大小相對于植被類型對坡面流的影響更大。

圖1 徑流流速平均變化規律

表3 不同坡面類型水力學參數

各坡地類型在不同來水流量條件下雷諾數隨時間的變化過程見圖2。不同坡地類型條件在前10 min快速增長，然后趨于穩定。在坡面流開始的時候，坡面較為平整，雷諾數隨之增加。隨著坡面流開始產沙，坡面受到的阻力變大，裸坡的雷諾數也趨于穩定。而對于不同植被類型坡面，水流穿過植被迎水面時，由于植被特性和根系分布不同，阻隔形成不同高度壅浪和尾渦，坡面流逐漸穩定。當流量為4 L/min時，狗牙根的雷諾數整體上呈穩定狀態，說明低流量條件下，狗牙根起到了很好的阻流作用。

通過計算弗勞德數(Fr)來判別水流流型流態。一般明渠水流有3種流態，即緩流、臨界流和急流。當 Fr<1，水流為緩流；如果 Fr>1，水流為急流，Fr=1時為臨界流。根據徑流流型的判斷標準，各坡面類型的弗勞德數均大于1，表現為急流狀態。各坡地類型在不同來水流量條件下弗勞德數隨時間的變化過程見圖3。除裸坡外，不同植被類型的弗勞德數隨時間變化相對穩定。植被覆蓋增加了坡面流阻力，流速的減小造成了弗勞德數減小。裸坡的弗勞德數(4.0)顯著高于其他植被類型(p<0.05)，侵蝕最嚴重。在坡面流產生初期，裸坡的弗勞德數減小幅度比較明顯，隨后才趨于穩定。這是由于裸坡的初始流速非常大，坡面的產沙過程逐漸延緩了流速，逐漸趨于穩定。狗牙根的弗勞德數(1.12)顯著低于其他坡地類型(p<0.05)。除了裸坡和狗牙根外，各坡面類型的弗勞德數對于不同來水流量差異性不顯著。

2.3 阻力特征

Darcy-weisbach阻力系數和曼寧糙率來表示水流流動過程中受到的阻力大小。Darcy-weisbach阻力系數越大，水流克服阻力消耗越多，水流用于泥沙輸移的能量越少。植被坡面相對于裸坡坡面來說，植被根系增加了表面的粗糙度，并且固結表層土壤，明顯的對坡面流形成阻力。裸坡的Darcy-weisbach阻力系數(0.28)顯著低于其他植被類型Darcy-weisbach阻力系數(表4)(p<0.05)。

對于不同的植被類型的坡面，水流經過的繞流阻力有所差異。其中狗牙根抑制流速的效果最好，平均阻力系數達到3.71，為裸地阻力系數(0.28)的13.25倍。對于薄層水流，植被阻力和顆粒阻力共同影響水流流動。裸坡的阻力系數隨雷諾數的增加而減小，這是由于沒有植被覆蓋，此時的水流阻力以顆粒阻力為主。而狗牙根和灌草條件下Darcy-weisbach阻力系數隨著雷諾數的增加而增加，說明低草本植被對于阻流作用始終具有很好的效果。隨著流量的增加，灌木類(荊條和胡枝子)的Darcy-weisbach阻力系數呈先增大后減小的趨勢。在上方流量較小的情況下，灌木類植被有一定的阻流作用。但隨著流量的增加，坡面流漫過灌木低密度的根系層，導致水流和植被相對接觸面積減小，植被阻水面積相對較小，植被的阻流效果降低，水流阻力開始向顆粒阻力轉變。不同坡面類型曼寧糙率系數整體上與Darcy-weisbach阻力系數變化趨勢相同。裸坡坡面平均曼寧糙率系數(0.016)最小，且顯著低于其他坡面類型(p<0.05)，狗牙根坡曼寧糙率系數(0.062)最大，且顯著高于其他坡面類型(p<0.05)。

圖2 不同植被類型徑流雷諾數變化過程

圖3 不同坡面類型下弗勞德數變化過程

表4 各植被類型不同流量下坡面水動力學參數

3 討 論

本研究表明，坡面類型，來水流量，來水時間對坡面流速、水力學參數有顯著影響。本研究表明，薄層水流平均徑流流速隨來水流量的增大而增大，與張寬地等[17]和趙海濱等[18]得到的試驗結果相同。由于植被覆蓋和根系的阻滯作用，降低了坡面流流速[19]。水流流經植被會產生繞流阻力，造成水流的能量損失，從而減少水流能量向動能的轉化[20-21]。對不同坡面類型下的徑流流速進行多元回歸分析，得出流速、沖刷時間、來水流量的定量表達式(表5)。在本研究中，時間變量(T)的冪指數小于流量(Q)的冪指數，說明流量對徑流流速的影響更大。

表5 坡面流流速定量表達式

坡面流水力學特性研究是研究坡面侵蝕的重要內容。雷諾數是坡面流慣性力與黏性力的比值，雷諾數越大表明慣性力更大。在本研究中，雷諾數隨著徑流流量的增大而增大，來水流量的增大導致對顆粒的擾動能力變大，相應增加了土壤侵蝕能力。這與呂威等[22]的研究結果一致。弗勞德數是動能和勢能的對比關系，弗勞德數越大表明坡面徑流的剪切力越大。本研究中，各覆蓋植被的坡面的弗勞德數顯著低于裸坡的弗勞德數(p<0.05)，植被的阻流作用相對減小了坡面徑流的剪切力，降低了徑流挾沙能力。各坡地類型的弗勞德數隨來水流量的增加變化不明顯，楊坪坪等[21]發現坡度是影響弗勞德數的主導因素，而研究區各坡地類型的坡度十分接近(30.7°±0.67°)，植被類型對弗勞德數的影響比來水流量更大。

在本研究中，裸坡的Darcy-weisbach阻力系數和曼寧糙率均顯著低于其他坡面類型(p<0.05)，各植被類型增加了地表糙率，從而起到了減流減沙的效果。不同植被坡面類型的水流阻力與來水流量并不是簡單的線性關系，而更多的與植被性狀有關[23]。植被類型對徑流的阻力主要是植被與水流接觸的面積。狗牙根是一種草本植物，淺根系對于薄層流的抑制效果明顯，并且植被蓋度達到了68.40%(徑流小區中最大的植被蓋度)，具有最大的坡面阻力。夏曉平等[24]已發現狗牙根在攔截徑流泥沙的效益方面具有明顯優勢，阻流效果明顯。低草本植物根系主要分布于表土層，根系作用對表土的固持力能夠有效抑制土壤侵蝕，此外，植被覆蓋增加的地表粗糙度降低了徑流流速，從而減緩了徑流的沖刷[25-26]。對于河岸坡面流來說，狗牙草比灌木類具有更好的減流減沙效益，在今后的河岸帶植被措施中，低草本高密度根系植物可能有更好的阻流攔沙效果。

4 結 論

本文采用野外簡易徑流小區放水沖刷的試驗方法，研究河岸邊坡不同植被類型在不同放水流量條件下坡面徑流的水動力學特性，結果表明：坡面平均徑流流速隨著流量和時間的增加而增加。不同坡面下的雷諾數變化范圍為11.21～172.96，流態始終屬于層流(Re<500)。弗勞德數隨著放水時間的增加呈先減小后趨于穩定，各坡面徑流流態均表現為急流(Fr>1)。植被坡面的Darcy-weisbach阻力系數(0.63～5.54)均高于裸地阻力系數(0.18～0.38)，植被對坡面徑流流速具有抑制作用，其中狗牙根在減緩徑流流速方面效果最顯著。河岸邊坡進行植被恢復有明顯降低徑流流速、減流攔沙的作用。研究結果為河岸邊坡進行植被修復以及水土保持措施提供了基礎理論和參考依據。