不同黑麥草覆蓋密度對坡面水流能量特征的影響研究

龍藝 張安田

摘要：四川省是長江上游水土流失的策源地，也是長江流域主要泥沙來源區，而且該地區降水集中、坡耕地多，坡面能量匯聚過程是產生水土流失的主要成因。為了治理坡耕地的土壤侵蝕并合理配置植物措施，依據四川省植被及土壤侵蝕分布情況，設計多組坡面覆蓋條件，研究了水流在不同黑麥草覆蓋密度下流動時的坡面水流能量、能耗及動能變化規律。試驗結果表明：卵石覆蓋坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面，且坡面植被密度為中等時水流能量最小，阻水效果最好。坡面流量較小時，坡面上部為卵石坡面的水流能耗較大，下部則是植被與卵石耦合坡面能耗大;流量較大時，能耗變化規律與小流量時相反。

關鍵詞：坡面流;能量能耗;植被密度;黑麥草覆蓋密度;水土流失;四川省

中圖法分類號：S157.1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.011

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0053 - 06

1 研究背景

長江上游地形高差大，河流切割強烈，陡坡開墾利用強度大，坡耕地面積占全國耕地總面積的32.85%，占長江流域坡耕地面積的77.49%。長江上游坡耕地主要集中在金沙江中下游、嘉陵江流域及川中丘陵區，這些區域坡度陡，降雨強度大且集中，是四川省水土流失的策源地和泥沙主要來源區。據調查，四川省每年水土流失量達3.8億t，僅次于我國北方黃土區。因此，在長江上游地區開展坡耕地治理具有重要意義。

為了有效減緩徑流沖刷力，改變徑流切應力，需研究坡面流水力學特性，從而有效配置相應措施，以改善生態環境，促進區域經濟及生態環境的可持續發展。目前，在長江上游開展了大量坡耕地治理及生態修復工程。對于大面積的生態環境改善工程，均采用植物措施以減緩坡面徑流、增加土壤抗蝕性和改善生態環境。

多年生黑麥草根系發達，入土較淺，直立生長一般不發叉，發芽并發揮護坡作用的時間要快于其他草種，能夠在-30 ℃的低溫條件下安全過冬。同時，黑麥草施工速度快，可迅速形成覆蓋層穩定土壤，地面覆蓋程度較大，水土保持性能強，被廣泛應用于道路護坡綠化。此外，黑麥草屬優質牧草，尤其在川中及川北低山區域較為常見，可在丘陵地區坡耕地搭配小麥等種植或在牧區單獨種植，在環境保護與生態農業等方面應用廣泛。

為了揭示植被對坡面流的調節轉化規律，本研究以川中及川北低山丘陵區較為常見的黑麥草作為試驗草種，研究植被覆蓋下坡面流水力特性及能量變化。

2 試驗裝置及試驗方法

2.1 試驗設置

本試驗在四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點試驗室進行，試驗設備包括有機玻璃水槽、水箱以及放水設備。水槽長6.0 m，寬0.5 m，深0.1 m，試驗段長2.0 m。

研究無植被卵石坡面、不同密度植被與卵石耦合坡面對水流能量耗散和水流結構的影響。在5°坡度下設置4組密度試驗，根據前期對自然狀態下植被的調查結果，分別用38，68株/m2和82株/m2這3種密度代表自然界坡面植被稀疏、中等、密集3種密度狀態;無植被卵石坡面為對照。試驗工況設置見表1。

試驗采用有機玻璃水槽，槽中鋪設自然狀態下土壤并種植3種不同密度植被，整個試驗過程水深不淹沒草被，草被按柔性植被考慮。為了模擬天然下墊面的阻力情況，水槽底部覆蓋厚5 cm的自然土壤，土壤表面壓實，采用粒徑小于1.5 cm的卵石壓蓋。通過移栽的方式種植黑麥草，密度1為種植82株/m2，密度2為68株/m2，密度3為38株/m2。采用品字型布置方式，沿坡長方向兩排植被中心距為12.5 cm，橫向布置如圖1所示。同時，設置一組無植被覆蓋坡面對照。草被長勢良好，草高為20 cm左右。

通過總結分析國內對于坡面流的研究，發現坡面流研究流量基本為0.06～5.00 L/s，結合每小時降雨強度的劃分，本文研究流量范圍確定為0～2.5 L/s，分為0.5，1.0，1.5，2.0 L/s和2.5 L/s這5個梯度，分別代表自然情況下小雨到中雨降雨情況下坡面匯流流量。最大流量采用2.5 L/s，相當于土壤入滲飽和時，實際雨強為中雨產生的地表徑流。試驗結果表明，流量在2.5 L/s時已有部分植被傾覆于水中，3個密度的植被對水流作用差異變小，若流量繼續增大，植被將全部傾覆于水中，不同密度植被對水流阻力可能差異不大，所以，不再進行增大流量研究。

利用放水設備通過進水管道閘門調節流量，水箱出水處裝有卵石以使水流均勻流下，水箱中水位不變，水流為恒定流，如圖2所示。

2.2 試驗方法

試驗開始時打開閥門，先放小流量，讓水流流入水槽。待坡面土壤飽和后，按設計流量放水，待坡面產流穩定開始測量。流量、流速及水深等水力學要素共測4次后取平均值。

（1）流速測量。采用滴定管染料滴入水流測量表面流速，記錄有色試劑出入試驗段坡面的時間以計算流速。為了避免坡面橫向傾斜帶來誤差，在橫斷面左、中、右分別測量。為了避免槽壁面對流速測定的影響，左、右測點距離槽壁為10 cm。

（2）流量測量。采用稱重法測徑流流量，每次測量時調節閥門后，待水流流過整個坡面且穩定后，在水槽出水口采用集流桶收集水流，同時記錄收集時間。對收集水流稱重并計算得到徑流流量。

（3）水深測量。測量沿程各斷面水深，每個斷面測量左、中、右3次并取平均，利用鋼尺測量讀數（可精確到0.5 mm）。水深測點布置于坡長為17，36，55，74，93，112，131，150，169 cm和188 cm的10個斷面。

3 試驗結果分析

本文采用李占斌等[1]提出的坡面流能量守恒定律研究坡面徑流能量問題，基于能量的分布特性分析植被與水流的關系。

將試驗段坡面水流出口所在平面設為基準面，設水槽寬度為b，坡度為i，坡面任意一斷面到坡頂的距離為x，該斷面相對于基準面坡面水流總能E：

式中：L為試驗段坡長，m;g為重力加速度，m/s2;ρ為水流密度，kg/m3;[qx]為斷面流量，m3/s;u為流速，m/s;x為斷面距坡頂坡長，m。

坡面徑流從上一斷面[E上]到下一斷面[E下]的能量耗損[E損]為

根據試驗實測資料，可計算得到整個試驗過程中不同斷面徑流能量以及相鄰斷面水流運動消耗總能量。

3.1 不同密度對總能量的影響

圖3為4個方案坡面斷面能量隨坡長、流量的變化圖。

如圖3（a）可看出，當流量較?。≦=0.5 L/s）時，水流在不同植被密度作用下能量差異不明顯，說明在小流量坡面流開始發展階段，水深較小，坡面不平整度起主要影響作用，能量受密度影響較小。

由圖3（b），（c），（d）可看出，隨著流量增大，不同方案曲線間距增大，表明植被密度引起的水流能量差異逐漸體現。但隨著流量增大，不同種植密度下坡面能量并不隨密度增加而減小，能量體現為E方案2

通過分析上述試驗結果可知，由于試驗中植被的存在，坡面過水斷面減少，植被阻礙水流產生壅水。而且，植被為叢狀，當植被密度小時壅水水深較淺，植被貼近地面部分剛度較大，莖葉密集且透水性差，水流流經時多體現為剛性植被特性，即繞流。植被密度大時壅水水深較深，莖葉開散且莖葉間存在縫隙，剛度減小。由于水流總是沿著能量損失較小的方向流動，當表面水流流經植被時，從植被莖葉間穿過而不是繞流，縮短了水流流動路徑，減小了與坡面、植被的摩擦，體現出柔性植被阻流特性。因此，密度大的植被（方案1）能量大于密度較小的植被（方案2）能量。當植被密度不足以將水深增至植被莖葉開散處時，水流阻力隨植被密度增大而增大，基本體現剛性植被繞流特性（方案3）。

3.2 不同密度下能量損失

圖4為不同方案能量損失沿程損失規律。對比卵石坡面和植被與卵石耦合坡面（圖4（a）（b）），當流量為0.5 L/s且坡長小于100 cm以及流量為1.0 L/s坡長小于約70 cm時，方案4能耗值略大于其他方案。由圖4（c）可知，流量為1.5 L/s時，方案2植被阻滯作用體現，水流能耗最大;但坡長小于50 cm時，方案4能耗依舊大于方案1與方案3。這表明，坡面流量小時，坡面上部卵石面水流能耗較大，下部則植被與卵石耦合面能耗較大，而且流量越大，方案4能耗損失大于其他方案的坡長范圍越小。由圖4（d）可知，當流量為2.0 L/s時，耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。由圖4（e）可知，當流量增大到2.5 L/s時，與小流量相比，能耗變化呈現相反規律，上部植被與卵石耦合坡面能耗大，而下部則卵石坡面能耗大。

通過試驗分析可知，由于水流剛流入坡面時水深較淺，卵石作用明顯，植被作用難以體現。隨坡長增大，水深增加則植被作用逐漸體現，耦合坡面水流能耗變大。

3.3 不同密度下水流動能沿程變化

不同密度植被覆蓋下坡面流動能沿坡長的變化見圖5。

如圖5（a）所示，流量為0.5 L/s時，方案4動能最小;如圖5（b）～（d）所示，流量大于0.5 L/s時，方案4動能最大。因此，流量較小時，卵石坡面對水流阻礙作用明顯。流量增大時，水深增大則水流逐漸受植被與坡面的共同影響，在植被段水流流動受到葉片阻礙及摩擦，在植被段動能耗散較大，因此動能小于卵石坡面。

不同密度的植被與卵石耦合坡面比較發現：E方案2< E方案1< E方案3，中等種植密度坡面水流動能最小。當流量為2.5 L/s時，無植被或植被密度較小的坡面與植被密度大的坡面比較，坡面末端水流動能變化較小，同時，在植被密度較大情況下，水流流速減小更快。

4結論與建議

4.1 結 論

（1）試驗結果表明：卵石坡面水流能量大于植被與卵石耦合坡面，坡面有植被且密度為中等時，水流能量最小，即阻水效果最好。

（2）在試驗流量范圍內，當坡面徑流量較?。?.5 L/s）時，坡面上部卵石水流能耗比植被與卵石耦合坡面大，下部則植被與卵石耦合坡面能耗大;當流量為2.0 L/s時，耦合坡面水流能量損失均大于卵石坡面。當流量增大到2.5 L/s時，能耗變化規律呈現相反規律，上部植被與卵石耦合坡面能耗大，下部卵石坡面能耗大。

（3）當流量較小時，卵石坡面動能小于植被與卵石耦合坡面;當流量較大時，卵石坡面動能大于植被與卵石耦合坡面。有植被覆蓋的坡面下部，中等種植密度下坡面水流動能最小。

4.2 建 議

（1）本文通過室內試驗模擬坡面流情況，坡面鋪設卵石與實際天然坡面有一定出入，移栽后植被生長情況也發生一定變化，因此得到結果與實際情況可能有不同，建議以后試驗可采取野外進行，利用真實坡面試驗，使結果更具實際指導價值。

（2）由于時間原因，對坡面植被密度進行了概化，未能完全對足夠多的種植密度進行研究。經分析得出，植被一定密度時可使水深達到擾流與穿流的臨界點，此時阻水效果最好，但未得出具體密度值，仍需進一步研究。

參考文獻：

[1] 李占斌，魯克新，丁文峰.? 黃土坡面土壤侵蝕動力過程試驗研究[J]. 水土保持學報，2002（2）：5-7，49.

（編輯：李 慧）