朱永杰， 畢華興， 霍云梅， 常譯方， 王曉賢， 蔡智才

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

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坡度與降雨強(qiáng)度對(duì)狗牙根草地產(chǎn)流的影響

朱永杰， 畢華興?， 霍云梅， 常譯方， 王曉賢， 蔡智才

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

摘要：通過室內(nèi)人工降雨模擬試驗(yàn)，對(duì)不同暴雨條件下坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)狗牙根草地產(chǎn)流的影響及整個(gè)產(chǎn)流過程中徑流系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：1)狗牙根草地徑流量和場(chǎng)降雨徑流系數(shù)均隨著坡度、降雨強(qiáng)度的增大而增大，徑流量最大可達(dá)33.77 L/m2；其他條件不變的情況下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，不同坡度間的徑流量以及徑流系數(shù)差距逐漸縮小；2)初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡度和降雨強(qiáng)度的增加而縮短，各降雨條件下從開始產(chǎn)流到降雨結(jié)束，整個(gè)過程徑流系數(shù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律都是呈先快速增加，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；從產(chǎn)流開始到徑流系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定所需要時(shí)間最短的為降雨強(qiáng)度90 mm/h、坡度5°的降雨條件，所需時(shí)間最長的為降雨強(qiáng)度30 mm/h、坡度5°的降雨條件； 3)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析得到降雨強(qiáng)度、坡度對(duì)徑流量的關(guān)聯(lián)度分別為0.61和0.60，關(guān)聯(lián)度較好，降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流影響程度略大于坡度；4)回歸分析得到徑流量與坡度和降雨強(qiáng)度的線性回歸方程，且相關(guān)性顯著，R2達(dá)到0.89，擬合結(jié)果較好，降雨強(qiáng)度、坡度與徑流量均呈極顯著相關(guān)水平。

關(guān)鍵詞：人工模擬降雨； 坡度； 降雨強(qiáng)度； 徑流量； 徑流系數(shù)； 狗牙根； 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

項(xiàng)目名稱： 國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)“城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究”(2013ZX07304-001)

狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers)是南方典型的匍匐莖草被植物，由于其氣候適應(yīng)能力強(qiáng)，在南方的草坪綠地得到廣泛運(yùn)用與研究[1-4]。狗牙根有較為密集的根系，在邊坡護(hù)坡上有很好的水土保持效益及研究[5-8]。相關(guān)研究表明：狗牙根等護(hù)坡植物具有截留降雨、削弱雨滴擊濺和固結(jié)土壤、減控地表徑流產(chǎn)生等多種水文效應(yīng)[9]，不同的坡面坡度條件會(huì)對(duì)護(hù)坡植物的保水保土效果產(chǎn)生影響[10]；因此研究狗牙根草地在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下的產(chǎn)流規(guī)律對(duì)于探索狗牙根草地的保水保土作用具有一定參考價(jià)值。目前，國內(nèi)外大多數(shù)針對(duì)徑流的研究主要以徑流的水力學(xué)特征和產(chǎn)流機(jī)制以及徑流中污染物、養(yǎng)分流失為主。吳普特等[11]采用人工模擬降雨的試驗(yàn)方法,研究了地表坡度對(duì)坡面徑流流速的影響。范昊明等[12]對(duì)不同坡形坡面徑流流速時(shí)空分異特征研究發(fā)現(xiàn)在同坡形條件下，坡面流速隨降雨強(qiáng)度、坡度的增加而增加。王進(jìn)鑫等[13]對(duì)反坡梯田坡面狀況的內(nèi)在產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行了研究，表明地面坡度能夠提高坡面產(chǎn)流率，產(chǎn)流量與坡度坡長均呈正相關(guān)。王云琦等[14]認(rèn)為坡面產(chǎn)流模型在現(xiàn)在的觀測(cè)試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛?？傮w來說，現(xiàn)有大多數(shù)研究都表明，降雨強(qiáng)度和坡度與坡面徑流量呈正相關(guān)關(guān)系[15-16]，泥沙以及土壤養(yǎng)分在一定范圍內(nèi)均會(huì)隨著坡度的增加而加劇流失[17-20]；然而，針對(duì)降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)坡面徑流的交互影響，尤其是純草地覆蓋條件下降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)徑流及動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)報(bào)道相對(duì)較少。筆者以狗牙根草地(以下簡稱草地)為試驗(yàn)對(duì)象，采用人工模擬降雨試驗(yàn)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)徑流的影響程度以及不同條件下的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)，并擬合回歸方程，以期為以后更加深入探索在某一特定條件下狗牙根草地產(chǎn)流規(guī)律提供參考，同時(shí)為坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)草地徑流系數(shù)及徑流量的定量研究以及草地對(duì)徑流的動(dòng)態(tài)削減作用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)在位于首都圈森林生態(tài)系統(tǒng)定位站的北京林業(yè)大學(xué)鷲峰降雨大廳進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括人工降雨系統(tǒng)、坡地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)、供水系統(tǒng)4部分。其中，降雨裝置為下噴式，有效降雨高度12 m，雨滴終點(diǎn)速度接近自然降雨速度，可模擬10～300 mm/h的降雨強(qiáng)度，經(jīng)標(biāo)定，該降雨系統(tǒng)降雨均勻度超過85%。

降雨均勻度標(biāo)定的具體方法為：正式降雨前，在試驗(yàn)雨區(qū)按照10 cm×10 cm間距擺放100個(gè)雨量筒，將降雨強(qiáng)度調(diào)至試驗(yàn)所需要的降雨強(qiáng)度，降雨一定時(shí)間后，分別測(cè)定各個(gè)雨量筒的雨量值。據(jù)此計(jì)算降雨均勻度，如此反復(fù)調(diào)試，直到降雨均勻度超過85%。

本試驗(yàn)所采用的土槽規(guī)格為1 m(寬)×2 m(長)×0.30 m(深)，中間用隔板分隔成2個(gè)大小一樣寬度為0.50 m的土槽，底部留有直徑5 mm的小孔，以便土壤水自由下滲。土槽坡度在0～30°范圍內(nèi)自由可調(diào)。

試驗(yàn)用土取自江蘇省無錫市耕作土，無錫處于江蘇南部，太湖流域，受成土母質(zhì)的影響，土壤類型以水稻土為主，為南方典型黏壤土，土壤質(zhì)地為黏重，土壤密度為1.40 g/cm3。通過Microtrac公司生產(chǎn)激光粒徑分析儀(S3500)得到其粒徑組成(表1)。

表1　供試土壤機(jī)械組成

1.2試驗(yàn)方法與測(cè)定

試驗(yàn)時(shí)，先將土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干過10 mm土篩，除去其他雜質(zhì)備用。試驗(yàn)用草為狗牙根，試驗(yàn)時(shí)將狗牙根草皮盡量除去所帶的土，草皮厚度約1～2 cm，平鋪在填好的土壤上，在土槽上生長穩(wěn)定后備用。生長后的草皮能夠較為真實(shí)的模擬自然草地。參考前人研究[21-22]，本試驗(yàn)共設(shè)3種降雨強(qiáng)度(30、60、90 mm/h)、3個(gè)坡度(5°、10°、20°)共9組試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)區(qū)為江蘇地區(qū)，該區(qū)夏季位于南亞高壓頻繁活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，6—7月為梅雨季節(jié)，梅雨季節(jié)該區(qū)暴雨及大暴雨頻發(fā)，為了解該區(qū)狗牙根草地在大暴雨條件下的產(chǎn)流過程，根據(jù)降雨等級(jí)劃分，將降雨量確定為90 mm。每組試驗(yàn)有2個(gè)分槽，可以獲得2組平行數(shù)據(jù)，對(duì)2組平行數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，在差異性不顯著的情況下取二者均值，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。填土前，用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度，根據(jù)測(cè)定的土壤密度和土層厚度(20 cm)計(jì)算填土量，分4層填土并壓實(shí)。填土前在底部鋪10 cm厚的細(xì)沙，以保證透水性良好。為了排除土壤初始含水率對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)采用6 050X3K1B-MiniTrase Kit土壤水分測(cè)定儀每天不間斷監(jiān)測(cè)土壤水分，以期每次試驗(yàn)前土壤含水率基本相同。植被覆蓋度采用方格法測(cè)定[23]，本實(shí)驗(yàn)采用90%的植被蓋度。

降雨開始后用秒表計(jì)時(shí)，記錄開始產(chǎn)生徑流時(shí)間，開始產(chǎn)流后的前20 min每2 min取1次徑流泥沙樣，20～60 min每5 min取1次徑流泥沙樣，1 h后每10 min取1次徑流泥沙樣。

1.3灰色關(guān)聯(lián)度分析法

降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)草地產(chǎn)流均存在不同程度的影響，為了區(qū)分2個(gè)因子對(duì)產(chǎn)流的影響程度，以定量描述這2個(gè)因子對(duì)降雨產(chǎn)流的影響，在此借用灰色關(guān)聯(lián)度分析法[24-25]對(duì)降雨強(qiáng)度、坡度2個(gè)因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。主要步驟如下。

1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。以各個(gè)降雨條件下測(cè)得的徑流量的值為參考數(shù)列，X0={x0(1)，x0(2)，…，x0(k)}(k=1，2，3，…，m)，對(duì)應(yīng)條件下的雨量作為X1，降雨強(qiáng)度作為X2，坡度作為X3。由于各個(gè)因子量綱不同，因此需將各數(shù)列進(jìn)行量綱歸一化處理，即用每一個(gè)數(shù)列第一個(gè)數(shù)xi(1)去除其他數(shù)xi(k)。然后通過求各因子與參考數(shù)列的差值序列。

2)計(jì)算比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)

ξ(k)=

式中：ξ(k)為i因子中第k個(gè)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)，|X0(k)-Xi(k)|為i因子與參考數(shù)列徑流{X0}的絕對(duì)差；min|X0(k)-Xi(k)|為兩級(jí)最小差；max|X0(k)-Xi(k)|為兩級(jí)最大差；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。ri為第i個(gè)因子的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，表明對(duì)參考數(shù)列的影響也越大。

1.4徑流系數(shù)

徑流系數(shù)為某一時(shí)段徑流量與相應(yīng)降雨量之比。

φ=Q/Qs。

式中：φ為徑流系數(shù)；Q為該時(shí)段徑流總量，L；Qs為該時(shí)段降雨總量，L。

采用Microsoft Excel以及SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1場(chǎng)降雨草地徑流量及徑流系數(shù)總體特征

場(chǎng)降雨草地徑流測(cè)定結(jié)果見圖1。可以看出，坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)草地徑流量的影響效果明顯。其他條件不變的情況下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，不同坡度間的徑流量以及徑流系數(shù)差距逐漸縮小，30 mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)，5°坡面與20°坡面徑流量相差10.18 L/m2，60 mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)相差8.89 L/m2，90 mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)相差4.32 L/m2。這說明在一定范圍內(nèi)，在較大降雨強(qiáng)度條件下會(huì)使坡度對(duì)狗牙根草地徑流量的影響程度減弱，同時(shí)，相同降雨強(qiáng)度下隨著坡度的增大，草地徑流量和場(chǎng)降雨徑流系數(shù)均增大。相同坡度不同降雨強(qiáng)度條件下，草地徑流量和場(chǎng)降雨徑流系數(shù)也隨著降雨強(qiáng)度的增加而增大。這主要是因?yàn)槠露群徒涤陱?qiáng)度的增加，都會(huì)使入滲到土壤中的雨水減少，從而使產(chǎn)流增加。

圖1　不同降雨條件下的徑流量Fig.1　Runoff volume under different rainfall conditions

2.2坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)草地徑流系數(shù)的影響

不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下的草地產(chǎn)流徑流系數(shù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律見圖2。可以看出，3種降雨條件下不同坡度草地的徑流系數(shù)變化規(guī)律基本一致：從開始產(chǎn)流后徑流系數(shù)以較快的速度在增大，開始產(chǎn)流10～30 min后趨于穩(wěn)定，并一直持續(xù)到降雨結(jié)束，且穩(wěn)定在某一徑流系數(shù)值上下波動(dòng)。

初始產(chǎn)流時(shí)間隨著降雨強(qiáng)度的增大而明顯縮短。同時(shí)，在相同降雨強(qiáng)度時(shí)，初始產(chǎn)流時(shí)間也隨著坡度的增加而有所提前，但其變動(dòng)幅度要小于不同降雨強(qiáng)度條件下初始產(chǎn)流時(shí)間的變動(dòng)幅度。

如圖2所示：開始產(chǎn)流后的5 min，各降雨強(qiáng)度和坡度條件下的徑流系數(shù)普遍較小，最小的是降雨強(qiáng)度30 mm/h、坡度5°條件下，僅為0.03；在降雨強(qiáng)度90 mm/h、坡度5°時(shí)最大，為0.31，2個(gè)極值相差較大，其他均在0.10～0.30之間。這主要是由于產(chǎn)流初始階段，在不同坡度和降雨強(qiáng)度條件下土壤入滲速率不同，使得初始的徑流系數(shù)相差較大。

產(chǎn)流10 min時(shí)，降雨強(qiáng)度30 mm/h，坡度5°、10°和20°的徑流系數(shù)分別為0.16、0.32、0.33，較初始值增加433.33%、60.00%、200.00%，平均增加231.11%。降雨強(qiáng)度60 mm/h的分別為0.39、0.36、0.31，較初始值增加30.00%、63.63%、80.00%，平均增加57.88%。降雨強(qiáng)度90 mm/h的分別為0.47、0.45、0.31，較初始值增加51.61%、87.50%、135.29%，平均增加91.47%。說明在產(chǎn)流后10 min內(nèi)，草地動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)增加明顯，比初始值增加0.50倍以上，30 mm/h降雨強(qiáng)度條件下增加量最多，增加最為迅速。

從穩(wěn)定后的徑流系數(shù)(圖2)來看，試驗(yàn)條件下相同蓋度狗牙根草地穩(wěn)定后的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)是隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加而增大的。降雨強(qiáng)度30 mm/h，坡度5°、10°和20°的穩(wěn)定徑流系數(shù)分別為0.41、0.45、0.50；降雨強(qiáng)度60 mm/h的依次為0.46、0.48、0.54；降雨強(qiáng)度90 mm/h的依次為0.46、0.50、0.55。開始產(chǎn)流后到產(chǎn)流趨于穩(wěn)定所需要的時(shí)間隨降雨強(qiáng)度和坡度的增加而縮短；在降雨強(qiáng)度或坡度一定時(shí)，同一種類型草地相同蓋度在產(chǎn)流穩(wěn)定后的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)值接近，相差<0.05。

圖2　不同降雨強(qiáng)度、坡度組合條件下的草地徑流系數(shù)Fig.2　Variation of runoff coefficient on grassland in different combinations of rainfall intensity and slope gradient

2.3降雨量、降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)草地產(chǎn)流的交互作用

各因子對(duì)徑流量的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度見表2。降雨強(qiáng)度、坡度對(duì)草地徑流量的影響關(guān)聯(lián)度分別為0.61、0.60。從計(jì)算關(guān)聯(lián)度來看，坡度、降雨強(qiáng)度對(duì)徑流的影響很接近，坡度對(duì)徑流量的關(guān)聯(lián)系數(shù)最大達(dá)到0.91，而降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的關(guān)聯(lián)系數(shù)最大也達(dá)到0.84，關(guān)聯(lián)性都相對(duì)較強(qiáng)，說明對(duì)徑流量的影響較大。

表2　各因子對(duì)徑流量的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

2.4降雨強(qiáng)度、坡度與草地徑流量的回歸分析

為了更好地描述降雨強(qiáng)度、坡度對(duì)徑流量的影響，經(jīng)過線性回歸分析，得到坡度和降雨強(qiáng)度與草地坡面產(chǎn)流的回歸關(guān)系(表3)。

表3　回歸分析

注：**表示P<0.01顯著水平；*表示P<0.05顯著水平。 Note：**represents the significance level ofP<0.01.*represents the significance level ofP<0.05.

由表3可得，降雨強(qiáng)度與降雨徑流量之間不是單純的線性關(guān)系，經(jīng)過擬合的坡度和降雨強(qiáng)度與草地徑流量的關(guān)系式為：

Mw=6.780×10-4I2-1.2×10-5I+

0.516S+20.230;

R2=0.89，F(xiàn)=32。

式中：Mw為產(chǎn)流量，L/m2；I為降雨強(qiáng)度，mm/h；S為坡度，(°)。

可以看出：方程相關(guān)性較高，關(guān)系式達(dá)到顯著水平，在一定試驗(yàn)條件下可以很好地預(yù)測(cè)已知坡度和降雨強(qiáng)度狗牙根草地的徑流量；同時(shí)從表中可以看到，2個(gè)因子的系數(shù)與徑流量之間也呈極顯著性相關(guān)，說明因變量與變量之間具有較好的相關(guān)性。

3結(jié)論

1)草地徑流量和場(chǎng)降雨徑流系數(shù)隨著坡度、降雨強(qiáng)度的增大而增大。其他條件不變的情況下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，不同坡度間的徑流量、徑流系數(shù)的差距逐漸縮小。

2)30、60和90 mm/h 3種降雨強(qiáng)度下不同坡度草地產(chǎn)流后的徑流系數(shù)變化規(guī)律均呈先快速增加，一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；初始產(chǎn)流時(shí)間隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增大而明顯縮短；在產(chǎn)流后10 min內(nèi)，草地動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)增加明顯，比初始值增加0.50倍以上，30 mm/h降雨強(qiáng)度條件下增加量最多，增加最為迅速；在降雨強(qiáng)度或坡度一定時(shí)，同一種類型草地相同蓋度在產(chǎn)流穩(wěn)定后的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)值接近。

3)降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的影響程度大于坡度，徑流量與坡度和降雨強(qiáng)度的相關(guān)性顯著，但降雨強(qiáng)度與徑流量不是簡單的線性關(guān)系。

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(責(zé)任編輯：宋如華郭雪芳)

Effects of slope and rainfall intensity on runoff ofCynodondactylonlawn

Zhu Yongjie， Bi Huaxing， HuoYunmei， Chang Yifang， Wang Xiaoxian， Cai Zhicai

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Abstract:By the ways of rainfall simulation, we studied the effects of different slope gradients and rainfall intensities on runoff and runoff coefficient of Cynodon dactylon lawn, and the dynamic laws of runoff coefficient during the whole runoff process .The results showed that: 1) runoff and runoff coefficient of the C. dactylon lawn increased with the increasing slope gradient and rainfall intensity, and the biggest runoff volume (33.77 L/m2) appeared under the condition of rainfall density 90 mm/h and slope degree 20°. If keeping other conditions unchanged, the differences in runoff volume and coefficient at different slope gradients would decrease. 2) The initial runoff time was shortened with the increase of slope gradient and rainfall intensity; the initial runoff time occurred 60 min after rainfall at the density of 30 mm/h, while it was 30 min after rainfall at 60 mm/h and shortened to 20 min after rainfall at 90 mm/h. From the onset of runoff producing to the end of rainfall, the change of runoff coefficient followed a pattern of increasing rapidly at first and tending to be stable afterwards, which means that it increased at least 50% at first. Compared with other rainfall conditions, the coefficient at the 30 mm/h rainfall density increased fastest, then tended to be steady after a certain period in the whole process; the coefficient increased as the slope degree and rainfall density increased, with a small difference within 0.05 when the slope degree or rainfall density were kept unchanged. 3) Based on grey correlation analysis, we come to the conclusion that the correlation degrees of rainfall intensity and slope gradient with runoff were 0.61 and 0.60 respectively, indicating that the rainfall intensity has more effect on runoff than slope gradient. The maximum correlation degree between rainfall intensity and the runoff was 0.84, while that between slope gradient and runoff was 0.91. 4) A linear equation between runoff, slope gradient and rainfall intensity was fitted by regression analysis, with the R2value 0.89, suggesting a good fitting. The significant level of slope gradient and rainfall intensity with the total runoff volume was less than 0.01.

Keywords:rainfall simulation; slope; rainfall intensity; runoff; runoff coefficient; cynodon dactylon; grey correlation analysis

通信作者?簡介： 畢華興(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持，林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：bhx@bjfu.edu.cn

作者簡介：第一 朱永杰(1990—)，男，碩士研究生。主要研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：455710351@qq.com.

收稿日期：2015-02-24修回日期： 2015-11-03

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2015)06-0020-06