劉 洋，孫保平，楊坪坪，肖恩邦

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

模擬植被地表覆蓋率與地表粗糙度對坡面流流速的影響

劉 洋，孫保平*，楊坪坪，肖恩邦

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

采用定床沖刷實(shí)驗(yàn)，在3個(gè)坡度(5°、10°、15°)，9個(gè)單寬流量(0.2～0.6 L·m-1·s-1)，4個(gè)地表覆蓋率(0、1.7%、3.5%、6.1%)及4個(gè)粗糙度(0.009，0.12，0.18，0.38)影響下，系統(tǒng)研究坡面流流速與地表覆蓋率、粗糙度、坡度及流量間的關(guān)系。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)條件下，坡面流流速的變化范圍為0.25～0.60 m·s-1，各工況條件下坡面流流速隨著流量增加呈冪指數(shù)增加，隨著坡度的增加而顯著增加，隨著粗糙度、地表覆蓋率的增加而減小。各影響因子對坡面流直接作用的影響程度大小排序?yàn)槠露?0.821)>流量(0.358)>粗糙度(-0.287)>地表覆蓋率(-0.123)。所有坡面流能量都是以克服阻力做功為主(m>0.5)，轉(zhuǎn)化動(dòng)能為輔。隨著粗糙度的增加，坡面流用于克服阻力做功的能量也在增加。當(dāng)?shù)乇砀采w率最大時(shí)，能量消耗于阻力做功最多；但在地表覆蓋率較小時(shí)，能量消耗差異不明顯。

坡面流流速；地表覆蓋率；粗糙度；流態(tài)指數(shù)

坡面流是指降雨或者融雪在重力作用下沿坡面向下的水流[1]。在水力侵蝕地區(qū)，坡面流為侵蝕地表的主要侵蝕營力，因此，土壤侵蝕受坡面流水動(dòng)力學(xué)特性影響顯著[2-4]。坡面流流速是研究坡面薄層流水動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，它可以計(jì)算坡面流的侵蝕切應(yīng)力，同時(shí)也是表征地表對水流阻力的基本參數(shù)。目前，對各復(fù)雜下墊面坡面薄層流流速的研究取得了一定的進(jìn)展。江忠善等[5]通過分析國內(nèi)外坡面流流速的實(shí)驗(yàn)資料，將流速的計(jì)算歸結(jié)為以下公式：

v=KqnSm。

(1)

式(1)中v為流速，q為流量，S為坡度，K、n、m為參數(shù)。該式表明坡面流流速與流量、坡度間呈冪指數(shù)關(guān)系，且隨著流量與坡度的增加而增加。然而，坡面流流速也受地表特征影響顯著，在上式中地表特征被概化為系數(shù)K值，因此難以表現(xiàn)出不同地表特征下坡面流流速的規(guī)律。在有植被的坡面上，植被與地表的粗糙程度會(huì)影響坡面流流速。關(guān)于植被對坡面流流速的影響：Zhao等[6]、曹穎等[7]發(fā)現(xiàn)，水流流速隨著覆蓋率的增加而顯著地以指數(shù)函數(shù)級減少；李勉等[8]通過放水沖刷人工種草發(fā)現(xiàn)，坡面平均流速隨著草被覆蓋率的增加呈指數(shù)下降趨勢；李瀚之等[9]探討了5種覆蓋率的黑麥草對坡面流流速的影響，發(fā)現(xiàn)流速隨著覆蓋率的增加而減少。在地表粗糙度對坡面流流速的影響方面：施明新等[10]通過變坡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著地表粗糙度的增加流速呈指數(shù)函數(shù)減小；翟艷賓等[11]的研究結(jié)果表明，隨著地表粗糙度的增加坡面流平均流速減?。籞hang[12]研究了生物結(jié)皮坡面對坡面流的影響，結(jié)果表明，生物結(jié)皮通過增加地表的粗糙度從而減少了坡面的流速。由此而見，植被地表覆蓋率和地表粗糙度會(huì)顯著影響坡面流流速，大多數(shù)的文章僅關(guān)注其中一個(gè)地表特征在不同坡度與流量下的變化規(guī)律。本研究擬通過室內(nèi)定床沖刷試驗(yàn)，人工模擬植被和地表粗糙度，并嘗試結(jié)合經(jīng)典流速計(jì)算公式，揭示坡面流流速在不同坡度、流量、植被密度與地表粗糙度下的變化特征。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)在重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站進(jìn)行，時(shí)間為2015年6—8月。實(shí)驗(yàn)水槽為鋼制，由供水裝置及實(shí)驗(yàn)段組成(圖1)，水槽槽長5.2 m、寬0.4 m、高0.1 m。為使到達(dá)實(shí)驗(yàn)段的水流穩(wěn)定，前端2 m為穩(wěn)流段，不做任何處理，中間2 m為實(shí)驗(yàn)段，鋪設(shè)各工況條件的坡面，后端1 m為尾水段。實(shí)驗(yàn)測流段選擇2 m是因?yàn)槿旧珓y量過長會(huì)導(dǎo)致顏色變淺致使人眼難以識(shí)別，且有學(xué)者研究得出染色劑測流速的最佳范圍是2 m[13]。水泵將水箱中的水壓至供水箱為實(shí)驗(yàn)提供水源，閥門控制流量并可通過壓力表的讀數(shù)來確定流量，流量的標(biāo)定采用體積法。為得出普遍規(guī)律，基于之前學(xué)者的試驗(yàn)設(shè)計(jì)[7，14-16]，水槽的坡度變化范圍在0～25°之間，單寬流量的變化范圍為0.069～2.5 L·m-1·s-1，據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)流量9個(gè)，分別為0.212、0.290、0.314、0.357、0.385、0.412、0.456、0.505、0.557 L·m-1·s-1，試驗(yàn)坡度分別設(shè)為5°、10°、15°。流速測定采用染色劑法，使用高錳酸鉀在實(shí)驗(yàn)段前端0.5 m處滴定，待染色劑前端到達(dá)實(shí)驗(yàn)段開始計(jì)時(shí)，染色劑前端離開實(shí)驗(yàn)段結(jié)束計(jì)時(shí)。流速測量10次取平均值。

(2)

v平均=αv測。

(3)

式(2)、(3)中：v測為染色劑測量流速，單位為m·s-1；s為測量距離，2 m；t為測量時(shí)間，單位為s；v平均為平均流速，單位為m·s-1；α為修正系數(shù)，據(jù)前人研究結(jié)果[17-20]，α表征的是水流表層流速與平均流速間的關(guān)系，直接受流速縱向輪廓的影響，并不是一個(gè)固定的值，其影響因素包括水流特征及地表下墊面特征，因此，水流流態(tài)、流量、含沙量、植被、土壤等都會(huì)影響α的大小。為較為準(zhǔn)確地描述實(shí)驗(yàn)坡面條件下的平均流速，選擇趙春紅等[20]在植被及地表粗糙度影響下、坡度為9°時(shí)的平均流量修正系數(shù)α=0.63。該值與廣泛使用的層流及過渡流條件下0.67、0.7的流速修正系數(shù)差異不大。

植被模擬采用PVC管，高10 cm以保證伸出水面。以PVC管橫截面的總面積與坡面面積之比表示植被地表覆蓋率，因此可用不同的管徑模擬不同的地表覆蓋率，根據(jù)縉云山每平方米植被地徑橫截面積的調(diào)查數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4組地表覆蓋率，分別為0、1.7%、3.5%、6.1%。不同地表覆蓋率下植被的排列均采用矩形排列，以避免空間格局的不同對實(shí)驗(yàn)的影響，坡面的布置如圖1右部所示，植被橫向共5株，縱向共20排(由于空間限制在圖中只畫出10排)。用不同目數(shù)的水砂紙模擬地表粗糙度，按尼古拉茲提出的地表粗糙度表示方法[21]，共有4組粗糙度：0.009(對照，無水砂紙坡面)、0.12、0.18、0.38 mm。水砂紙與水槽、植被與水砂紙之間的黏合使用玻璃膠，用刀片將邊緣刮平。本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行沖刷9×4×4×3=432場次。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental flume

2 結(jié)果與分析

2.1 流速特征

圖2～4分別表示當(dāng)坡度為5°、10°、15°時(shí)，各坡面條件下坡面薄層流平均流速與單寬流量的變化關(guān)系，其中Cr表示地表覆蓋率，Ks表示地表粗糙度。當(dāng)坡度為緩坡(5°)時(shí)，水流的平均流速為0.25～0.40 m·s-1；當(dāng)坡度為10°時(shí)，水流的平均流速為0.35～0.50 m·s-1；當(dāng)坡度為15°時(shí)，水流的平均流速為0.30～0.60 m·s-1。隨著坡度增加，平均流速明顯增加(單因素方差分析P=0.017<0.05)。從圖2～4可以發(fā)現(xiàn)，隨著坡度增加，粗糙度對流速的影響越來越大，即粗糙度抑制坡面流流速的效果愈加明顯。其原因是隨著坡度的增加，流速明顯增加，而貼近壁面的黏性底層的流速較小，理論上為0，因此流速梯度會(huì)變大，根據(jù)牛頓的內(nèi)摩擦公式可知，壁面對水流的切應(yīng)力會(huì)變大，此時(shí)粗糙度較大的壁面會(huì)對水流產(chǎn)生較大的抑制作用。另外，隨著坡度的增加，曲線的波動(dòng)更加明顯。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是，坡度增加導(dǎo)致水流與植被、壁面間產(chǎn)生劇烈的撞擊，反映在流速上是流速的波動(dòng)較大，在以土壤為下墊面的自然狀態(tài)下，坡度的增加同樣增加坡面流流速，與土壤顆粒之間的撞擊愈加劇烈，亦會(huì)導(dǎo)致流速的波動(dòng)較大。在所有的坡面條件下，流速都隨著流量的增加而呈冪指數(shù)增加(所有工況下平均流速與單寬流量冪指數(shù)回歸R2>0.8)，流速與粗糙度間呈負(fù)相關(guān)，隨著粗糙度的增加，流速減小(由圖所示流速大小關(guān)系為：v0.38

2.2 能量轉(zhuǎn)化分析

由張寬地等[16]推導(dǎo)得出流速與單寬流量之間的關(guān)系為：

v=ηq1-mJn。

(4)

式(4)中v為平均流速，q為單寬流量，J為坡度，η、m、n為參數(shù)。該式與江忠善等[5]通過整理前人研究成果而總結(jié)的形式相同，平均流速與單寬流量的(1-m)次方成正比。張寬地等[16]將m命名為流態(tài)指數(shù)，該指數(shù)表明了單寬流量對流速的貢獻(xiàn)，即表現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化。當(dāng)指數(shù)m值較小時(shí)，流速的增加較快，表明水流的勢能更多地用于增加動(dòng)能，而克服阻力做功較少；當(dāng)m值較大時(shí)，情況相反，流速的增加較小，水流的勢能更多地用于克服坡面阻力。表1所示為各工況條件下的m值，該值的大小與地表?xiàng)l件密切相關(guān)。計(jì)算相同坡度下各項(xiàng)流態(tài)指數(shù)的平均值，結(jié)果為m5°=0.829，m10°=0.792，m15°=0.641。所有坡度下的m值均大于0.5，表明本實(shí)驗(yàn)條件下水流能量以克服阻力做功為主、轉(zhuǎn)化為動(dòng)能為輔。

坡度對坡面流能量的轉(zhuǎn)化影響顯著(單因素方差分析P<0.01)，多重比較結(jié)果顯示，15°時(shí)m值極顯著(P<0.01)小于10°和5°，原因是坡度加大則沿坡面方向的分力必然加大，致使水流能量會(huì)更多地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在不同地表下的平均流態(tài)指數(shù)為m6.1%=0.803，m1.7%=0.744，m3.5%=0.735，m0=0.734，可知在地表覆蓋率最大的情況下m值最大，這是因?yàn)檩^大的地表覆蓋率導(dǎo)致水流能量克服坡面阻力較多。而在其他的地表覆蓋率條件下m值的變化并不明顯。在不同粗糙度下的平均流態(tài)指數(shù)值為m0.38=0.781，m0.18=0.774，m0.12=0.758，m0.009=0.703，m0.38>m0.18>m0.12>m0.009，即隨著地表粗糙度的增加，m值是逐漸增大的，表明水流能量隨著粗糙度的增加，用于克服阻力做功的能量增加。方差分析結(jié)果顯示，坡度對流態(tài)指數(shù)影響極顯著(P<0.01)，而粗糙度及地表覆蓋率對流態(tài)指數(shù)影響不顯著(P>0.05)，表明坡面流能量的轉(zhuǎn)化主要受坡度影響。該結(jié)論與張寬地等[16]研究結(jié)果相異，這可能是由于試驗(yàn)時(shí)模擬植被材料不同所致。張寬地等[16]的研究采用的是仿真水草，屬于柔性植被。有關(guān)坡面流阻力的研究發(fā)現(xiàn)，柔性植被和剛性植被條件下阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系大不相同[22-23]，而坡面流阻力與流速本質(zhì)上是同一問題的不同表述[16]，因此很有可能流態(tài)指數(shù)與植被類型關(guān)系密切。

2.3 貢獻(xiàn)率分析

在本實(shí)驗(yàn)中，影響流速的共有4個(gè)變量：粗糙度Ks，地表覆蓋率Cr，坡度J及單寬流量q。為了定量研究這4種因素對坡面流流速的貢獻(xiàn)率，對這4項(xiàng)因素與流速進(jìn)行逐步回歸，結(jié)果如表2所示，表2中B表示回歸后方程中該項(xiàng)自變量的系數(shù)，可以看出，坡面流流速與坡度、流量呈正相關(guān)，與地表覆蓋率、粗糙度呈負(fù)相關(guān)，這與上述的討論相符。從標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)的大小可知，坡度最大而覆蓋度最小，4種因子對坡面流流速的影響程度排序?yàn)椋浩露?0.821)>流量(0.358)>粗糙度(-0.287)>地表覆蓋率(-0.123)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)中數(shù)值的絕對值大小表示對坡面流流速影響程度的大小，負(fù)號表示與坡面流流速呈負(fù)相關(guān)。

Cr表示地表覆蓋率，Ks表示地表粗糙度。圖3～4同Cr represented simulated vegetation coverage rate; Ks represented surface roughness. The same as in Fig. 3 and Fig. 4圖2 坡度為5°時(shí)平均流速隨單寬流量的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between mean flow velocity and unit-width discharge at slope gradient of 5°

圖3 坡度為10°時(shí)平均流速隨單寬流量的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between mean flow velocity and unit-width discharge at slope gradient of 10°

圖4 坡度為15°時(shí)平均流速隨單寬流量的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between mean flow velocity and unit-width discharge at slope gradient of 15°

表1 各工況下流態(tài)指數(shù)值

Table 1 Flow-state indicators of all conditions

坡度Slope/(°)粗糙度KsSurfaceroughness各地表覆蓋率下的流態(tài)指數(shù)Flow-stateindi-catorsundersimulatedvegetationcoverage01.7%3.5%6.1%50.380.7740.8560.8820.8670.180.8040.8310.8600.8890.120.8180.8190.7940.8160.0090.7960.7980.8200.832100.380.7290.7990.7790.8070.180.7980.7900.7910.8090.120.8430.8370.8250.8250.0090.7960.7310.7510.760150.380.6590.7350.6740.8110.180.6410.6770.6080.7890.120.6170.5600.5730.7690.0090.5370.4960.4580.659

表2 逐步回歸分析結(jié)果

Table 2 Stepwise regression result

模型ModelB標(biāo)準(zhǔn)誤差Standarderror相關(guān)系數(shù)Coefficient常量Constantvalue0.1720.06坡度Slope0.9340.0170.821單寬流量Unit-widthdischarge0.2800.0120.358粗糙度Surfaceroughness-0.1700.009-0.287地表覆蓋率Simulatedvegetationcoverage-0.4330.054-0.123

B表示回歸后方程中該項(xiàng)自變量的系數(shù)。

B represented coefficient variables in according regression equations.

2.4 流速定量模擬

有研究結(jié)果表明[7，16]，坡面存在植被與不存在植被狀況下會(huì)對水動(dòng)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，特別是張寬地等[16]研究發(fā)現(xiàn)，存在一個(gè)臨界植被地表覆蓋率(Cr=1.4%)，大于或小于該臨界值都會(huì)使坡面阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系完全不同：大于阻力系數(shù)時(shí)與雷諾數(shù)為正相關(guān)，小于時(shí)則兩者間為負(fù)相關(guān)。阻力系數(shù)與流速在本質(zhì)上描述的是同一個(gè)問題，因此流速的預(yù)測應(yīng)在植被存在與否的情況下分類探討。本實(shí)驗(yàn)通過多元回歸分析數(shù)據(jù)得到如下模型：

v=5.47J0.336Ks-0.044q0.265，R2=0.87 (Cr=0)；

(5)

v=4.7J0.348(1-Cr)1.069Ks-0.034q0.239，R2=0.87 (Cr≠0)。

(6)

該模型與江忠善等[5]總結(jié)的模型，張寬地等[16]推導(dǎo)的方程形式相同，都為冪指數(shù)的形式，決定系數(shù)都為0.87。圖5所示為模擬值與實(shí)測值之間的對比結(jié)果，可以看出模擬效果較好。即本實(shí)驗(yàn)所得到的模型較好地表征了坡面流流速與地表植被覆蓋率、地表粗糙度之間的關(guān)系，即坡面流流速隨著地表覆蓋率和粗糙度的增加而呈冪指數(shù)減少。

3 結(jié)論

坡面流流速受地表特征影響顯著，探討復(fù)雜下墊面條件下坡面流流速的變化特征，有利于深化對坡面水力侵蝕的認(rèn)識(shí)。本研究通過定床沖刷試驗(yàn)，人工模擬植被和地表粗糙度，得到以下結(jié)論：坡面流流速與植被地表覆蓋率、地表粗糙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與坡度、流量呈正相關(guān)關(guān)系。通過分析前述4個(gè)因子對坡面流流速的直接作用，得到其對流速的貢獻(xiàn)率排序?yàn)槠露?0.821)>流量(0.358)>粗糙度(-0.287)>地表覆蓋率(-0.123)。通過計(jì)算流態(tài)指數(shù)值，得到坡面流的能量轉(zhuǎn)化情況，在本實(shí)驗(yàn)條件下，所有坡面都是以克服阻力做功為主(m>0.5)，隨著粗糙度的增加用于克服阻力做功的能量也在增加(m0.38>m0.18>m0.12>m0.009)，在地表覆蓋率高時(shí)水流能量克服阻力做功最多(m6.1%=0.803)，但在較小地表覆蓋率下差異不大(m1.7%=0.744，m3.5%=0.735，m0=0.734)。坡度對坡面流能量的轉(zhuǎn)化影響顯著，而粗糙度、地表覆蓋率影響不顯著。

圖5 坡面流平均流速實(shí)測值與模擬值比較Fig.5 Comparison of predicted and measured values of overland flow velocity

[1] 姚文藝. 坡面流流速計(jì)算的研究[J]. 中國水土保持， 1993 (3):21-25. YAO W Y. Study on calculation of overland flow velocity[J].SoilandWaterConservationinChina， 1993 (3): 21-25. (in Chinese)

[2] HENG S， SUETSUGI T. Comparison of regionalization approaches in parameterizing sediment rating curve in ungauged catchments for subsequent instantaneous sediment yield prediction[J].JournalofHydrology， 2014， 512(10):240-253.

[3] 和繼軍， 宮輝力， 李小娟，等. 細(xì)溝形成對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 2014， 25(1):90-97. HE J J， GONG H L， LI X J， et al. Effects of rill development on runoff and sediment yielding processes[J].AdvancesinWaterScience， 2014， 25(1): 90-97. (in Chinese with English abstract)

[4] ALATORRE L C， BEGUERA S， LANARENAULT N， et al. Soil erosion and sediment delivery in a mountain catchment under scenarios of land use change using a spatially distributed numerical model[J].Hydrology&EarthSystemSciences， 2012， 16(5):1321-1334.

[5] 江忠善， 宋文經(jīng). 坡面流速的試驗(yàn)研究[J]. 中國科學(xué)院西北水土保持所集刊，1988， 7:46-52. JIANG Z S， SONG W J. An experimental study on the velocity of slop flow[J].MemoirofNISWC，AcademiaSinica， 1988， 7: 46-52. (in Chinese with English abstract)

[6] ZHAO C， GAO J， HUANG Y， et al. Effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow under varying water discharges[J].LandDegradation&Development， 2016， 27(3):748-757.

[7] 曹穎， 張光輝， 唐科明，等. 地表覆蓋對坡面流流速影響的模擬試驗(yàn)[J]. 山地學(xué)報(bào)， 2011， 29(6):654-659. CAO Y， ZHANG G H， TANG K M， et al. Experiment on the effect of simulated surface cover on the overland flow velocity[J].JournalofMountainScience， 2011， 29(6): 654-659. (in Chinese with English abstract)

[8] 李勉， 姚文藝， 陳江南，等. 草被覆蓋對坡面流流速影響的人工模擬試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2005， 21(12):43-47. LI M， YAO W Y， CHEN J N， et al. Experimental study on the effect of different grass coverages on the overland flow velocity[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering， 2005， 21(12): 43-47. (in Chinese with English abstract)

[9] 李瀚之， 余新曉， 樊登星，等. 模擬降雨條件下黑麥草覆蓋度對褐土坡面徑流流速的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014(5):94-98. LI H Z， YU X X， FAN D X， et al. Effects of ryegrass coverage on runoff velocity of cinnamon soil slope under simulated rainfall[J].JournalofBeijingForestryUniversity， 2014 (5): 94-98. (in Chinese with English abstract)

[10] 施明新， 吳發(fā)啟， 田國成. 地表糙率對坡面流流速影響的試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2015， 34(6):117-124. SHI M X， WU F Q， TIAN G C. Experimental study on effect of surface roughness on overland flow velocity[J].JournalofHydroelectricEngineering， 2015， 34(6): 117-124. (in Chinese with English abstract)

[11] 翟艷賓， 吳發(fā)啟， 王健，等. 不同人工糙率床面水力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J]. 水土保持通報(bào)， 2012， 32(6):38-42. ZHAI Y B， WU F Q， WANG J， et al. Hydraulic characteristics of artificial surface with different roughness[J].BulletinofSoilandWaterConservation， 2012， 32(6): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[12] ZHANG Y. The microstructure and formation of biological soil crusts in their early developmental stage[J].ScienceBulletin， 2005， 50(2):117-121.

[13] 羅榕婷， 張光輝， 沈瑞昌，等. 染色法測量坡面流流速的最佳測流區(qū)長度研究[J]. 水文， 2010， 30(3):5-9. LUO R T， ZHANG G H， SHEN R C， et al. Study on optimal length for measuring velocity of overland flow with dye tracing[J].JournalofChinaHydrology， 2010， 30(3):5-9. (in Chinese with English abstract)

[14] 張寬地， 王光謙， 孫曉敏， 等. 坡面薄層水流水動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30(15):182-189. ZHANG K D， WANG G Q， SUN X M， et al. Experiment on hydraulic characteristics of shallow open channel flow on slope[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering， 2014， 30(15): 182-189. (in Chinese with English abstract)

[15] 張寬地， 王光謙， 王占禮，等. 人工加糙床面薄層滾波流水力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27(4):28-34. ZHANG K D， WANG G Q， WANG Z L， et al. Experiments on hydraulic characteristics of roll wave for sheet flow with artificial rough bed[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering， 2011， 27(4): 28-34. (in Chinese with English abstract)

[16] 張寬地， 王光謙， 孫曉敏，等. 模擬植被覆蓋條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)特性[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 2014， 25(6):825-834. ZHANG K D， WANG G Q， SUN X M， et al. Hydraulic characteristic of overland flow under different vegetation coverage[J].AdvancesinWaterScience， 2014， 25(6): 825-834. (in Chinese with English abstract)

[17] GANG L I， ABRAHAMS A D， ATKINSON J F. Correction factors in the determination of mean velocity of overland flow[J].EarthSurfaceProcessesandLandforms， 1996， 21(6):509-515.

[18] 夏衛(wèi)生， 雷廷武， 趙軍. 泥沙含量對鹽液示蹤法經(jīng)驗(yàn)系數(shù)影響的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2003， 19(4):97-100. XIA W S， LEI T W， ZHAO J. Research of empirical coefficient of salt tracer method affected by sediment[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering， 2003， 19(4): 97-100. (in Chinese with English abstract)

[19] ALI M， STERK G， SEEGER M， et al. Effect of flow discharge and median grain size on mean flow velocity under overland flow[J].JournalofHydrology， 2012， 452(4):150-160.

[20] 趙春紅， 高建恩， 王飛， 等. 阻力形式對坡面流流速修正系數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013， 44(10):130-135. ZHAO C H， GAO J E， WANG F， et al. Effects of resistance forms on velocity correction factor of overland flow[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery， 2013， 44(10): 130-135. (in Chinese with English abstract)

[21] 林建忠，阮曉東，陳邦國，等. 流體力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2005.

[22] 鐘強(qiáng)， 雷孝章， 任海若，等. 柔性植被與剛性植被覆蓋下坡面流阻力特性研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電， 2012 (9):51-54. ZHONG Q， LEI X Z， REN H R， et al. Research on resistance characteristics of overland flow under cover of flexible and rigid vegetation[J].ChinaRuralWaterandHydropower， 2012 (9): 51-54. (in Chinese with English abstract)

[23] ABRAHAMS A D， PARSONS A J， WAINWRIGHT J. Resistance to overland flow on semiarid grassland and shrubland hillslopes， Walnut Gulch， southern Arizona[J].JournalofHydrology， 1994， 156(1/2/3/4):431-446.

(責(zé)任編輯 高 峻)

Effect of simulated vegetation coverage and surface roughness on overland flow velocity

LIU Yang， SUN Baoping*， YANG Pingping， XIAO Enbang

(SchoolofSoilandWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China)

Fix-bed experiment was conducted at the conditions of 3 slope gradients (5°， 10°， 15°)， 9 unit discharge (0.2～0.6 L·m-1·s-1)， 4 vegetation coverage (0， 1.7%， 3.5%， 6.1%) and 4 surface roughness (0.009， 0.12， 0.18， 0.38) to reveal the relationships among overland flow velocity and 4 factors. It was shown that overland flow velocity varied from 0.25 to 0.60 m·s-1under experiment conditions. Overland flow velocity increased with increasing discharge by power function， and increased with increasing slope gradient， while decreased with increasing surface roughness and vegetation coverage on all slopes. The contribution rate of above factors on overland flow velocity decreased in the order of slope gradient (0.821)>discharge (0.358)>roughness (-0.287)>vegetation coverage (-0.123). The main energy consumption was water flow against resistance (m>0.5), while minor energy consumption was converted into kinetic energy. Overland flow against resistance tended to increase with increasing surface roughness. When vegetation cover was the largest， energy consumption in resistance was the highest. However， there was no notable difference when vegetation cover was low.

overland flow velocity; vegetation coverage; roughness; flow-state indicator

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.21

2016-07-19

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201004018)

劉洋(1991—)，男，山西太原人，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail: liu_yang0730@163.com

*通信作者，孫保平，E-mail: sunbp@163.com

S715

A

1004-1524(2017)03-0498-08

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 498-505

http://www.zjnyxb.cn

劉洋，孫保平，楊坪坪，等. 模擬植被地表覆蓋率與地表粗糙度對坡面流流速的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(3)： 498-505.