模拟降雨条件下黄土区边坡植物护坡效应

窦增宁 胡夏嵩 刘昌义 徐志闻

摘要：為研究寒旱环境下草本和灌木植物固土护坡作用，以西宁盆地作为研究区，采用野外模拟降雨试验装置，分别对自建试验区草本植物垂穗披碱草和细茎冰草、灌木植物柠条锦鸡儿和霸王以及裸坡开展模拟降雨试验。试验结果表明：在降雨强度为35mm/h、降雨历时为90min时，裸坡坡面单位面积累计产流量与累计产沙量均相对较大，分别为4816.52ml/m2、30.10g/m2，霸王与柠条锦鸡儿边坡的分别为4082.79mL/m2、18.58g/m2与4329.01mL/m2、21.70g/m2，垂穗披碱草与细茎冰草边坡的分别为3693.18mL/m2、13.92g/m2与3469.35mL/m2、10.20g/m2；裸坡雷诺数（平均值为132）与弗劳德数（平均值为0.11）比灌木与草本植物边坡的大，反映了裸坡坡面水流侵蚀现象最严重；草本植物边坡阻力系数比灌木边坡的大，说明草本阻滞坡面径流作用比灌木的大。

关键词：模拟降雨；水土保持；植物护坡；地表径流；黄土边坡

中图分类号：S157.1 文献标志码：A doi ：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.019

随着基础设施建设力度不断加大，一些不合理的边坡开挖和施工方法对坡面原生植物群落产生不同程度影响，从而造成坡体表层水土流失，甚至发生滑坡、崩塌等地质灾害现象川。边坡防护措施通常有植物护坡、工程护坡以及植物与工程相结合等，以坡面长期稳定、恢复生态系统、防治水土流失为目的。已有研究表明，降雨是引起地面水土流失以及滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害发生的重要因素之一，植物具有从根本上治理水土流失的作用。荐圣淇等在降雨强度为0.2～2.0mm/h的条件下对尺寸为10m×10m的柠条锦鸡儿和沙棘边坡进行试验，结果表明柠条锦鸡儿降雨截留量为28.0%、沙棘截留量为18.3%。Curran等指出植物影响坡面水文效应主要是通过植物地上茎叶部分截留部分降雨且缓冲和分散高速下落雨滴。张俊云对尺寸为10.5m×3.5m的狗牙根边坡进行试验，结果得出降雨强度为20mm/h，降雨历时为190min时，边坡表层产生的径流量占降雨量的15.9%。Peng等对三峡库区工程堆积体边坡进行了冲刷试验，结果表明径流流量由5L/min增加至2502L/min时，平均产沙率从0.28g/（m2·min）增至177.37g/（m2·min）。Assouline等在降雨强度为24、60mm/h的条件下对坡度为3°～14°的5个边坡进行了降雨试验，结果表明径流量与产沙率随降雨历时的延长先增大后趋于稳定。

植物护坡能有效减少地表径流，起到防治边坡水土流失和浅层滑坡的作用，因此开展植物护坡水文效应的深入研究非常必要。由于自然降雨常受到降雨历时、降雨量、地域等诸多因素的限制，因此定量评价植物在防治坡面水土流失和浅层滑坡的贡献尚存在一定困难。采用人工模拟降雨试验方法有助于实现模拟天然降雨条件下不同植物的护坡贡献，并可根据试验需要设置不同降雨强度，有效缩短试验周期。

本研究采用课题组自行设计的野外模拟降雨试验装置，选取西宁盆地作为研究区，通过自建试验区的方式，对生长期为3a的草本植物垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡和灌木植物霸王边坡、柠条锦鸡儿边坡以及裸坡进行野外原位模拟降雨试验，探讨试验区5种类型边坡在相同降雨强度条件下不同降雨历时的坡面地表径流量和产沙量；在此基础上，利用水动力学参数分析试验区草本和灌木植物的护坡水文效应。

1 试验区概况

试验区位于西宁盆地，地理坐标为东经101°44′、北纬36°43′，平均海拔为2261m，属于半干旱和高寒气候区。夏季降水量为110.6～479.1mm、水面蒸发量为1350～3000mm、平均日照时数为634.5h、平均气温为13.0℃。试验区气候具有日照长、雨水少、蒸发量大、太阳辐射强、日夜温差大、无霜期短和冰冻期长等特点，层状黄土覆盖层发育。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本项研究通过自建坡度为30°的粉土边坡，选取适应当地气候且根系发达的草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb）和细茎冰草（Agropyron trachy-caulum（Linn.）Gaertn）、灌木植物柠条锦鸡儿（Caragana Korshinskii Kom）和霸王（Zygophyllum xan-thoxylon（Bunge）Maxim）作为试验供试种，以裸坡作为对照。试验区5种边坡类型如图1所示。为保证试验区边坡种植的草本和灌木植物满足覆盖度为100%的试验要求，采用的植物种植方案为：草本植物采用条播方式种植，行距为5cm；灌木植物采用穴播方式种植，株距为5cm、行距为5cm、穴深为3～5cm，每穴3～5粒种子。试验区种植植物生长量指标见表1，边坡土体物理性质指标与土壤颗粒级配见表2、表3（不均匀系数Cu=4.50，曲率系数Cc=0.50，d50=0.006mm）。

2.2 试验方法

课题组自行设计的野外模拟降雨试验装置主要由降雨控制装置、降雨装置、集雨槽3部分组成（见图2）。降雨控制装置主要通过水压表和泄压阀调节水压，以调节降雨强度，降雨供水水源采用管道接入的水源；降雨装置由均匀布设在坡面顶部的9个降雨喷头组成，可通过旋转喷头顶部旋钮调节雨滴直径；集雨槽主要用于试验过程中对坡面地表径流的收集。在边坡四周及中间位置共布设5个雨量筒作为测点，采用均匀系数计算公式得到本试验降雨均匀系数为0.92，可以满足野外试验要求。均匀系数计算公式为式中；k为均匀系数；xi为第i个测点的雨量，mm；x为各测点平均雨量，mm；n为测点数。

根据Gvnn等的研究，当降雨高度为2.2～5.0m时，雨滴终点速度为4.03～4.46m/s，在该降雨高度范围内雨滴终点速度变化不大。故本试验坡面降雨高度取2.4～3.4m，可满足野外试验模拟降雨所需的终点速度。

根据试验区所在的西宁盆地的次平均降雨量和最大暴雨强度，取试验降雨强度35mm/h、降雨历时90min，自降雨开始每5min用集水瓶收集～次产流量与产沙量，并及时密封、编号，带回实验室测量，其中：集水瓶中的径流量采用电子天平直接称量，产沙量采用室内烘干法测量。待降雨过程中坡面产流稳定时，采用染色法测定坡面流速，同时采用Abrahams方法对实测的水流表层流速进行修正（层流修正系数为0.67，过渡流为0.7，紊流为0.8）。

3 结果与分析

3.1 坡面地表产流量与产沙量特征分析

试验区5种类型边坡单位面积产流量与降雨历时关系曲线见图3。由图3可知，5种类型边坡在降雨初期0～25min时坡面产流量均呈增大趋势，但变化幅度不同。在降雨历时60～90min时，5种类型边坡坡面产流量增大趋势相对减缓，裸坡坡面单位面积产流量为331.60～341.32mL/m2，灌木植物霸王边坡与柠条锦鸡儿边坡分别为259.85～271.01、317.13～286.44mL/m2，草本植物垂穗披碱草边坡与细茎冰草边坡分别为244.21～261.27、240.61～279.37mL/m2。

图4为试验区5种类型边坡单位面积产沙量与降雨历时的关系曲线，由图4可知，降雨历时60～90min时5种类型边坡单位面积产沙量增加趋势相对减缓，但减幅不同，裸坡单位面积产沙量相对较大，为1.98～2.01g/m2；灌木植物柠条锦鸡儿边坡、霸王边坡次之，分别为1.31～1.54、1.09～1.04g/m2；草本植物垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡最小，分别为0.58～1.11、0.53～0.81g/m2。

3.2 坡面累计产流量与产沙量特征分析

试验区5种类型边坡单位面积累计产流量随降雨历时变化曲线如图5所示。由图5可知，降雨历时为90min时5种类型边坡单位面积累计产流量由大到小依次为裸坡、柠条锦鸡儿边坡、霸王边坡、垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡，分别为4816.52、4329.01、4082.79、3693.18、3469.35mL/m2。试验区5种类型边坡单位面积累计产沙量随降雨历时变化曲线如图6所示。由图6可知，降雨历时为90min時5种类型边坡单位面积累计产沙量由大到小依次为裸坡、柠条锦鸡儿边坡、霸王边坡、垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡，分别为30.10、21.70、18.58、13.92、10.20g/m2。同样条件下植物边坡较裸坡能相对有效减缓坡面径流的形成，主要原因在于灌木植物冠幅与草本植物分蘖数较大，降水一部分存留在茎叶上，另一部分则通过根系渗入地下；而裸坡无植被，降水直接击打坡面，径流在坡面迅速形成，产流量较植物边坡显著增大。

宋维峰等对坡度为10°、15°的裸坡和刺槐边坡进行模拟降雨试验，得出裸坡比刺槐边坡径流量高15%～48%、含沙量高55.5%～133.0%；李华坦等在降雨强度为35mm/h、坡度为30°的条件下，通过试验模拟裸坡与覆盖度为100%的草本植物垂穗披碱草、细茎冰草边坡在降雨历时为1h的坡面径流量，得出径流量由大到小依次为裸坡、细茎冰草边坡、垂穗披碱草边坡，分别为26.8、1.10、0.65L。本研究与上述学者的研究结论基本一致。

3.3 边坡坡面流水动力学参数对比

本研究根据坡面流水动力学参数雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）、Darcy-Weisbach阻力系数（f），分别对5种类型边坡产流能力进行计算对比分析，进一步评价草本和灌木植物的护坡水文效应。

试验区5种类型边坡降雨历时与雷诺数的关系如图7所示。由图7可知，在降雨历时为60～90min时，5种类型边坡Re均小于500且变化不大，流态为层流。裸坡坡面Re显著大于植物边坡的，说明植被可减小水流的Re。试验区5种类型边坡降雨历时与弗劳德数的关系如图8所示。由图8可知，坡面径流稳定后Fr均小于1，水流流态为缓流，但裸坡比其他4种有植被的边坡Fr显著偏大，主要原因是坡面糙率不同，植被能在有效消减径流能量和分散径流的同时增大坡面糙率，从而增大坡面流阻力，减缓流速，使Fr减小_

杨春霞等利用裸坡、低草被覆盖和高草被覆盖的15°边坡进行流量为5L/min的模拟径流冲刷试验，结果表明：3种边坡的雷诺数大小顺序为裸坡>低草被覆盖边坡>高草被覆盖边坡。本研究结果表明，同样降雨条件下的裸坡Re与Fr均显著大于灌木植物边坡和草本植物边坡的，表现出植被能有效延缓坡面流速、减小产流产沙量，与上述学者的研究结论一致。

降雨过程中边坡植物造成的阻力直接影响边坡产汇流方式，从而影响土壤侵蚀过程。阻力系数f反映坡面流所受的阻力大小，f愈大，则水流克服坡面阻力所消耗的能量就愈大。图9为试验区5种类型边坡阻力系数与降雨历时关系曲线，由图9可知，裸坡坡面阻力系数比植被边坡的小，裸坡、霸王边坡、柠条锦鸡儿边坡平均阻力系数分别为0.206、0.229、0.278，草本植物垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡的则分别为0.284、0.299，由此可以看出草本植物边坡比灌木植物边坡阻力系数大一些。

肖培青等分别对坡长5m、宽m3、高0.6m的裸坡、紫花首蓿边坡和紫穗槐边坡进行模拟降雨试验，结果表明裸坡阻力系数显著小于紫穗槐边坡和紫花首蓿边坡的，与本研究结论一致。综合上述研究可知，草本植物边坡相对于灌木植物边坡具有显著减缓坡面流速、增大边坡阻力系数的作用。

4 结论

（1）试验区裸坡、霸王边坡、柠条锦鸡儿边坡、垂穗披碱草边坡、细茎冰草边坡随降雨历时的增加，坡面单位面积产流量与产沙量均呈现先急剧增大后增大减缓的变化趋势。

（2）通过分析试验区5种类型边坡单位面积累计产流量与产沙量可知，相同降雨强度下裸坡受到雨水冲蚀作用最大，灌木植物边坡次之，草本植物边坡最小，表现出草本和灌木植物在减小坡面土壤侵蚀方面起到较为显著的作用。

（3）本研究通过雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr），Darcy-Weisbach阻力系数（f）对比分析了试验区5种类型边坡坡面流态，结果表明：在同样降雨强度下，草本植物边坡Re、Fr均显著小于灌木边坡与裸坡的，而f则大于灌木边坡与裸坡的。