人工降雨下草被对黄土丘陵沟壑区坡面径流的调控及临界阈值

陈戎欣，吕锡芝，倪用鑫，魏义长

1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450003；2. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院/水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003

黄土高原丘陵沟壑区的生态环境脆弱，水土流失情况十分严重，造成该区严重水土流失的主要外动力是坡面径流，而草地植被对于坡面径流具有明显的干扰作用（朱冰冰等，2010；李勉等，2007）。明晰黄土丘陵沟壑区的草地植被对坡面产流过程的作用及其调控的机理对于揭示土壤侵蚀机理具有相当重大的意义。

诸多学者的研究表明，植物能够改变土壤的入渗、改善土壤参数，进而对坡面径流起到干扰作用（刘营营等，2013；何子淼等，2018；莫斌等，2016）。大量的研究还表明，草地植被对径流有阻延作用（Wang et al.，2013；Sun et al.，2013；潘成忠等，2009；张宽地等，2014；张晓艳等，2015），对产流特征以及坡面流水力学参数具有重要影响（Moir et al.，2000；Neave et al.，2002；吴钦孝等，2001；余新晓等，2004）。

还有学者的研究表明了草地植被对于抑制坡面径流产生与发育有着良好的调控作用，草地植被能够对雨滴能量、土壤入渗率产生影响，还能减小坡面径流量、影响坡面径流系数以及坡面流产生的开始时间（焦菊英等，2001）。

另外还有对裸地、草地以及灌木地的产流过程与水力学参数之间的响应关系进行研究，结果表明，随着降雨强度的增加，土壤初始阶段和最终阶段的入渗率差异增大（姚文艺等，2011；肖培青等，2011）。在覆有草地植被的坡面上，坡面流为过渡流和紊流；雷诺数和弗劳德数会受到草地植被覆盖的变化而随之产生改变；而坡面流的阻延作用受到草地植被的影响伴随着径流量的上升而下降（Zuo et al.，2016；杨春霞等，2008；张宽地等，2014；孙佳美等，2015）。

上述研究都是单方面从水力学或者水文学角度入手进行研究，对野外人工降雨条件下不同草地植被覆盖度下的水动力学特性研究较少。在黄土高原丘陵沟壑区，不同草被覆盖度下，坡面产流过程发生变化的原因是什么？坡面产流过程发生变化时，临界的草被覆盖度阈值又是多少？这些问题尚不明确。因此，本研究针对降雨-产流过程对不同草被覆盖度的响应规律，探索草地植被对坡面产流过程的调控机理及模式，定量分析产流过程变化下的临界草被覆盖度阈值，为坡面水文模型及土壤侵蚀模型研究提供理论支持，并进一步丰富区域产汇流理论，可为该区域水土保持与生态建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验方法

本研究采用野外人工降雨技术研究径流过程和坡面径流水动力学特征。拟选取的野外试验地位于黄土丘陵沟壑区黄河水利委员会天水水土保持试验站罗玉沟流域，流域内现有1个小气候观测站、6个雨量站及多个野外径流观测小区，为本项目提供了野外研究的试验基地。试验区土壤为低液限黄土，同时该试验站近几十年积累的气象数据（降雨量、雨强、温湿度等）、下垫面情况（坡度、坡向、土壤含水量等）以及径流泥沙方面的数据也可为本研究提供数据支撑。

1.1.1 试验设计要点

（1）草地植被覆盖度的设定

研究选择黄土高原丘陵沟壑区最常见的草本植物紫花苜蓿（Medicago sativa L.）为研究对象。在试验区内选择坡面平整、人为扰动小、附近有水源和电源且无鼠洞和树洞等深层渗漏发生的坡地，选择6个不同草被覆盖度的草地坡面和一个裸坡对照坡面，在选择草被坡面时先采用点-框法选出 2个低密度草被覆盖度坡面（20%、35%）、2个中密度草被覆盖度坡面（50%、65%）和1个高密度草被覆盖度坡面（80%）。径流小区长5 m，宽1 m，小区四周用铁板设置围埂，尾部设置V形收集口，用来收集形成的径流。各个覆盖度的坡面均在原位进行不同雨强的人工降雨。

（2）降雨强度及降雨历时

根据黄土高原多年的降雨特征，试验区常年降水以暴雨为主，年最大日降水最小值为 32.7 mm·d-1，最大值为 110.5 mm·d-1，平均值约为 59.2 mm·d-1（李悦等，2015）。本试验选取3种不同的降雨强度（60、90、120 mm·h-1，每次降雨持续60 min）研究降雨产流过程的基本特征。

（3）坡度

试验区径流小区坡度均为该地区原始坡度20°，符合黄土高原统计数据。

1.1.2 试验准备

预处理：在正式试验之前，首先用 30 mm·h-1的降雨强度对坡面进行持续降雨，至该坡面开始产生坡面流之后停止降雨（产流时间由于覆盖度与雨强的差异，最短94 s，最长297 s），再用塑料布将坡面覆盖保护起来静置24 h。为了保证每次正式开始测量的时候坡面下垫面土壤的初始含水量基本一致，在试验坡面静置结束之后以及试验结束之后，对土壤的容重以及土壤的含水量进行测定（降雨前土壤含水量约为26.43%，试验后土壤含水量约为38.87%）。

1.1.3 降雨产流过程测定

降雨产流过程测定：设定好降雨强度，进行降雨，记录好降雨的时间，在坡面流产生的时候，记录下产流的时间；之后的10 min，每隔1 min收集1次水样；10 min之后，再每间隔2 min收集1次水样。

1.1.4 坡面流水动力学参数测定

（1）坡面流流速：采用染色剂示踪法测定，设置 5个测量断面，距试验小区坡底的距离分别为0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m，每个测量断面上取3个点进行流速的测定，测量点距小区边界的距离分别为0.3、0.5、0.7 m。每个测量点测定6次流速，取平均值，根据流态进行修正，得到最终的平均流速。

（2）坡面流水深：在流速测量点上采用数显测针（精度0.01 mm）同步测定径流水深，每个测量点测量4次，取平均值。流速水深测量示意图见图1。

图1 坡面流水动力学参数测定Fig. 1 Measurement of hydrodynamic parameters of slope flow

（3）细沟宽度：采用直尺测量，如坡面流流速，在设置的5个横断面上测量各细沟流宽度，取其平均值。

1.1.5 模拟降雨实验系统

野外人工模拟降雨装置选择北京师范大学和北京交通大学研发的槽式下喷人工模拟降雨机，该降雨机使用Spraying Systems Co.Veejet 80150喷头，水压0.04 MPa，喷头高度2.5 m以上，雨滴可达到终点速度。通过控制喷头摆动频率可获得不同的雨强，可模拟雨强范围20—200 mm·h-1，共10个雨强档次。

1.2 水力参数计算

坡面流水力学的参数可通过流速、水深、雷诺数、弗劳德数、阻力系数来具体表示。

1.2.1 水流水深

这需要单位把长期投资方案的现金进行流出，然后把相关建设投资各年所获得的现金流入，该方法主要是利用相同时点的数值来进行表示，最后则需要进行对比分析。对相关数据进行对比分析的目的是为了能够了解到方案的经济性，从而把各方案的投资利益都归纳到客观的基础上。

式中，H为水流深度（cm）；A为过水断面面积（cm2）；X为湿周周长（cm）。

若横断面为矩形，那么：

式中，B为细沟宽度（cm）；h为细沟水流的深度（cm）。

1.2.2 雷诺数

式中，R为雷诺数；v为流速（cm·s-1）；υ为运动粘滞系数（cm2·s-1）。

式中，t为试验时水的温度。

1.2.3 弗劳德数

1.2.4 阻力系数

式中，f为阻力系数；J为水力坡度，对于均匀流，J=i=sinθ，θ为小区坡度。

2 结果与分析

2.1 径流量变化规律

不同试验条件下，径流量-降雨时间曲线如图2所示。从图中可以看出，在试验初期，径流量快速增长，然后逐渐平稳；同时草地植被对径流量有明显的抑制产流作用，在各降雨强度条件下，80%草地植被覆盖度的坡面稳定径流量最小。本试验中，在降雨强度为 60 mm-1的条件下，裸坡坡面的每分钟稳定径流量是0.93 m3·min-1，20%—80%覆盖度的坡面每分钟稳定径流量为 0.78、0.65、0.55、0.45 m3·min-1、0.04 m3·min-1。本试验设置的最高（80%）草地植被覆盖度坡面，在60 mm·h-1的降雨强度下，能够最大限度地降低 95%的径流量。90 mm·h-1以及 120 mm·h-1的降雨条件下，裸坡坡面最终的稳定径流量分别为1.34 m3·min-1和1.91 m3·min-1，而80%草地植被覆盖度的坡面稳定径流量分别 0.37 m3·min-1和 0.87 m3·min-1，能降低72.2%和54.8%。

2.2 草地植被覆盖度阈值分析

对草地植被覆盖度与不同降雨强度下的径流量的关系进行拟合，结果如图 3—5所示。随着草地植被覆盖度的增加，坡面的产流量逐渐下降，不同降雨强度下，径流量的变化有所差异。在 60 mm·h-1的降雨强度下，草地植被对坡面径流量的影响显著，径流量的变化随着覆盖度的增加而较快下降，后趋于平缓，之后再快速下降。前一段较为快速下降体现了草地植被对径流量的抑制作用，第二段快速下降体现了草地植被覆盖度的阈值情况。而在90 mm·h-1与120 mm·h-1的降雨强度下，这一变化不显著，这是由于暴雨导致草地植被不能充分发挥其功效，降雨产生的坡面径流直接冲刷坡面。在黄土丘陵沟壑区多暴雨的情况下，光凭草地植被不能有效地应对该区域的降雨情况，草地植被对于90 mm·h-1以上的降雨强度的所产生的径流量的影响逐渐减弱。

图2 不同试验条件下坡面产流过程Fig. 2 Runoff generation on slopes under different experimental conditions

图3 60 mm·h-1降雨强度下径流量-覆盖度变化Fig. 3 Volume of runoff-coverage change under 60 mm·h-1 rainfall intensity

图4 90 mm·h-1降雨强度下径流量-覆盖度变化Fig. 4 Volume of runoff-coverage change under 90 mm·h-1 rainfall intensity

图5 120 mm·h-1降雨强度下径流量-覆盖度变化Fig. 5 Volume of runoff-coverage change under 120 mm·h-1 rainfall intensity

草地植被覆盖度的阈值由于研究的对象与区域不同，并未形成一致结论，但是在达到草地植被覆盖度阈值的情况下，相较于裸坡，草地都有效地减少了约80%的径流量（朱冰冰等，2010；孙佳美等，2015；王晗生等，1999）。本研究 60 mm·h-1降雨强度下，75%的草地植被覆盖度能够有效减少80%的径流量；而 90 mm·h-1的降雨强度下，则需要90%的草地植被覆盖度；在面对120 mm·h-1的降雨强度时，草地植被对径流量的影响不显著。

2.3 水力学参数研究

2.3.1 不同雨强下雷诺数随时间的变化

由图6可知，在60 mm·h-1降雨强度下，雷诺数的增长不明显，雷诺数呈现先增加后稳定的态势，这是由于降雨初期，由于土壤的作用会引起水分入渗，当土壤入渗达到饱和时，雷诺数由增长趋于稳定。在60 mm·h-1降雨强度下，坡面流雷诺数都小于580；而当降雨强度增加到90 mm·h-1时，雷诺数达到稳定（346—611），在覆盖度低的坡面雷诺数大于580，坡面流由层流转为紊流；120 mm·h-1降雨强度下，雷诺数稳定后的数值范围在 435—663，低盖度和高盖度的坡面差异明显。

图6 不同试验条件下雷诺数（R）变化Fig. 6 Variation of Reynolds Number (R) under different test conditions

从图6中可以看出，雷诺数趋于稳定的时间随着植被盖度的增加而有所延长，这是因为植被能够有效提高土壤入渗率，植被盖度的增加使得在降雨前期土壤达到饱和所需的时间增多；而且草地植被能够改变坡面径流的流态，使坡面流更加稳定。

2.3.2 不同雨强下弗劳德数的变化

弗劳德数反映的是水流的惯性力与重力之间的关系，能够对水流的流型进行判别，是判断坡面水流为急流或缓流的依据。一般而言，坡面水流有3种流型，分别是缓流、临界流和急流。泥沙运动学研究表示，当弗劳德数F＜1时，水流为缓流；当弗劳德数F＞1时，水流为急流。

如图7所示，本试验中，弗劳德数在0.33—1.56之间，其在裸坡坡面的降雨初期下降明显，最终趋于稳定。当延长试验持续时间和增大草地植被覆盖度时，弗劳德数相应减小。草地植被的增加加强了坡面流的摩擦力，使得径流相较于裸坡的变化更为平缓，弗劳德数的变化也显得较小。试验的前期坡面较为光滑，水流所受的阻力较小，流速较快，而随着试验的进行，坡面受到的侵蚀逐渐加剧，出现坡沟，对水流的阻力加大，弗劳德数逐渐降低。

2.3.3 不同雨强下阻力系数的变化

坡面流在坡面运动过程中所受到的总阻力可以用阻力系数来表示。水流阻力系数与试验时间和草地植被覆盖度呈正相关。试验时间延长和草地植被覆盖变大，阻力系数也会随之上升。从图8可以看出，在试验前20 min，阻力系数增长比较平缓，在20 min之后，阻力系数增长趋势更快，这是因为阻力系数的变化受到土壤性质、水流结构状况和坡面的条件影响，细沟流还会因为细沟发育的形态变化而发生改变。

3 讨论

草地植被对径流量的影响体现在其改变土壤入渗参数，提高土壤入渗率（何子淼等，2018；莫斌等，2016），其自身也能减小雨滴能量、截留雨水（李勉等，2007），从而对坡面径流进行调控，不同植被覆盖结构对降雨产流的调控作用不同（杨春霞等，2019）。本研究中，各降雨强度下径流量前10 min呈现快速增长趋势，是由于草地植被对雨水进行了截留以及雨水入渗土壤。随着含水量逐渐增加，草地植被对径流量的影响逐渐减小，径流量的增长趋势在试验进行15 min后趋于平缓，最终呈现平稳的态势。

在120 mm·h-1降雨强度下，草地植被对径流量的影响不显著，80%的草地植被覆盖度在减少坡面径流量方面效果不显著，是由于降雨强度过大，降水量远大于植被截留量与下渗量，此时坡面产流为超渗产流。因此，在应对降雨强度过大的情况，草地植被不能充分发挥功效，其对坡面径流的调控作用有限。

图7 不同试验条件下弗劳德数（F）变化Fig. 7 Variation of Froude Number (F) under different test conditions

图8 不同试验条件下阻力系数（f）变化Fig. 8 Variation of resistance coefficient (f) under different test conditions

在阈值分析中，此前大量的研究都未确定一个明确的数值，各学者在分析草被覆盖度的有效盖度与临界盖度的研究表明，当草地植被覆盖度在60%—80%能够有效防止水土流失（张光辉等，1995；朱冰冰等，2010；孙佳美等，2015）。所得到的阈值几乎都是相较于裸坡而言草地植被覆盖度下的径流量限制作用达到 80%左右。本研究中，在 60 mm·h-1降雨强度下，当草地植被覆盖度大于60%，径流量呈现快速下降的趋势，而这一趋势在另外两个降雨强度下不显著，也是由于降雨强度过大导致草地植被与土壤并未充分发挥功效。以草地植被发挥80%抑制作用为基准，在60 mm·h-1与90 mm·h-1降雨强度下，所得出的覆盖度阈值分别为 75%与90%，与上述研究结果基本一致；而120 mm·h-1降雨强度下，草地植被的调控影响不显著，说明仅凭草地植被不足以应对黄土丘陵沟壑区的降雨情况，当出现特大暴雨时，草地植被能起到的水土保持功效有限。因此，针对于黄土丘陵沟壑区的降雨情况，要控制该地区的水土流失应采用林、灌、草相结合的方式。

对于降雨和下垫面条件对水力学参数的影响方面，雷诺数随降雨强度的增加而呈增大趋势，降雨强度对雷诺数变化起着主导作用（白玉洁等，2018），水流阻力系数与降雨强度呈负相关关系，且草地植被对阻力系数有显著性影响（张宽地等，2014；王玲玲等，2009）。本试验中，水力学参数的变化受到下垫面条件的影响，阻力系数最开始增长平缓，后续增长迅速是由于径流的冲蚀改变了径流深度，同时细沟流形态随着试验进行也发生改变，坡面流流速也因此发生变化。弗劳德数与雷诺数在有草地植被覆盖的坡面和裸坡坡面的差异性显著，草地植被改善了土壤入渗率，增加了坡面流的摩擦力。随着试验的进行，坡面径流对水力学参数也存在持续影响。

4 结论

（1）草地植被覆盖对60 mm·h-1降雨强度的坡面径流有显著影响，对90 mm·h-1降雨强度的坡面径流影响减弱，而在120 mm·h-1的降雨强度下，草地植被对径流产生的影响不显著。随着降雨强度的增大，草地植被对坡面径流的影响减小。结合该区域的降雨及下垫面数据，在黄土丘陵沟壑区应采取林、灌、草相结合的方式来控制该区域的水土流失。

（2）在60 mm·h-1降雨强度条件下，草地植被覆盖度在 75.38%的时候相较于裸坡坡面能够减少80%的坡面径流；在 90 mm·h-1降雨强度下，要达到同样效果则需要 90.54%的草地植被覆盖度；而120 mm·h-1降雨强度下草地植被已经不能达到相较于裸坡径流80%的抑制作用。

（3）随着草地植被覆盖度的增加，雷诺数达到稳定所需的时间增长，弗劳德数的变化波动变小。而阻力系数的变化由于草地植被影响细沟流的形态，在裸坡坡面变化显著。