付寧波

（進(jìn)賢潤泉供水有限公司，江西 進(jìn)賢 331700）

0 引言

土壤的水力侵蝕是當(dāng)前世界性環(huán)境問題之一，它的破壞機(jī)理主要為三個(gè)過程：分離、運(yùn)輸和沉積[1]。長期以來，植被一直被認(rèn)為是抵抗侵蝕的有效方法，并作為土壤保持的一項(xiàng)重要措施得到廣泛應(yīng)用[2]。大量的野外和實(shí)驗(yàn)室研究表明，在不同的環(huán)境條件下，各種土壤表層覆蓋物（如作物殘?bào)w、巖石碎片、有機(jī)覆蓋物、植被、植被的根和莖）對減少徑流和土壤流失是有效的[3]。尤其是植被，可用于恢復(fù)土壤退化地區(qū)或保持新出現(xiàn)的水土流失現(xiàn)象不會進(jìn)一步惡化[4]。

在肥沃的土地上形成的樹冠層和地面覆蓋層是抵御降雨沖擊的天然緩沖層。此外，與裸露的土壤相比，更豐富有機(jī)物改善了土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)了滲透，減少了徑流和土壤侵蝕。過去的一些研究表明，壤中徑流可能被植物根莖截留，從而減少因發(fā)生侵蝕和運(yùn)輸?shù)耐寥懒縖5]。本次研究的主要目的是研究不同密度下的植物覆蓋（植物根莖）對地表徑流特征和土壤侵蝕的影響。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

進(jìn)賢縣位于撫河下游、鄱陽湖區(qū)向江南紅壤丘陵區(qū)的過渡地帶，屬于南昌都市圈的衛(wèi)星城，是南昌市的東大門，戰(zhàn)略地位獨(dú)特。進(jìn)賢縣同時(shí)屬于鄱陽湖丘崗平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)，鄱陽湖平原與江南紅壤丘陵區(qū)的過渡地帶，帶有一定的特殊性，縣內(nèi)各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）間地形、土地利用、人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異顯著。進(jìn)賢縣水土流失以水力侵蝕為主，經(jīng)過多年治理，進(jìn)賢縣仍有水土流失面積87.69km2，強(qiáng)度以輕、中度侵蝕為主，其中水力侵蝕面積84.08km2，分布于全縣各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），且以北部環(huán)軍山湖鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）最為集中，水土流失最嚴(yán)重，水力侵蝕面積占土地面積（不含水面面積）的20%以上，本文選取該縣水侵蝕最嚴(yán)重地區(qū)的土壤進(jìn)行試驗(yàn)。

2 設(shè)備和實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)室中使用的降雨模擬器是EID340ORSTOM型，噴嘴固定在大約4m高度的機(jī)架上。用于測量降雨強(qiáng)度的方法是國際上通用的的容積法。

2.1 整地

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所用的土壤材料是一種農(nóng)業(yè)用土壤（取自進(jìn)賢縣北部環(huán)軍山湖鄉(xiāng)），為了使土壤具有均勻的結(jié)構(gòu)，將其中夾帶的石子與植物的根系殘留去除，處理后的土壤由62.08%粗砂、19.14%細(xì)砂、11.57%粉砂和7.21%粘土組成。經(jīng)檢測成分后的土壤輕輕地鋪在表面托盤上，得到了一個(gè)平坦的土層。用一塊直的硬木將表面弄平，直到表層土壤與托盤的下游端齊平。之后，在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下，用噴壺（細(xì)雨）輕輕濕潤土壤，直至飽和；然后在降雨模擬器上運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。土盤的坡度固定在3°。這個(gè)傾斜角適合于產(chǎn)生溝間坡面流。

實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)長2m、寬0.5m、深0.15m的實(shí)驗(yàn)地塊（土壤托盤）進(jìn)行，使用的土壤為農(nóng)業(yè)沙土（62.08%粗砂、19.14%細(xì)砂、11.57%淤泥和7.21%粘土）；直徑4mm使用塑料棒模擬不同密度的植物根莖。本研究不考慮根系對入滲、土壤強(qiáng)度的影響，以及植物引起的水文效應(yīng)（如:截留、莖流、葉片排水、蒸發(fā)等）。植物覆蓋密度與莖之間的間距有關(guān)，除裸土地塊外，設(shè)置了2cm、5cm、7cm和10cm間距的對照試驗(yàn)。詳見表1。

表1 莖間距及其密度

2.2 地表徑流量和沉積物濃度

模擬持續(xù)時(shí)間為30min，雨量強(qiáng)度為73mm的降雨實(shí)驗(yàn)。通過容積法測量流量，使用1000mm的鋼瓶和0.01s精度的秒表記錄收集時(shí)間，從開始流動起每3min在集管器的輸出端取樣。

對于每次實(shí)驗(yàn)過程，記錄地表徑流開始的時(shí)間，將所有流量和沉積物樣本收集在一個(gè)桶中。在試驗(yàn)期間，每隔3min測量一次流速。使用105C°的烘箱中放置24h，從水、沉積物的混合物中分離沉積物，重量之間的差異代表沉積物濃度。含沙量由干泥沙質(zhì)量與地表流量之比確定。

2.3 地表流速測量

使用高錳酸鉀染料示蹤劑測量地表流速（Vs）。根據(jù)示蹤劑色鋒傳播停止，確定穿越標(biāo)記距離（50cm）的時(shí)間（V）。根據(jù)Vs的測量值，通過公式V=kVs估計(jì)剖面平均速度，其中k是一個(gè)矯正系數(shù)。假設(shè)層流中的垂直速度分布，深度遵循二次方程，k的值為0.67。

2.4 坡面流特征

深度是地表水流的一個(gè)重要參數(shù)，但由于農(nóng)業(yè)用地表面的侵蝕現(xiàn)象，很難對其進(jìn)行測量。故假設(shè)斜坡流是均勻的，那么平均流深可以由下式計(jì)算:

式中：h——水流深度，cm；

Q——t時(shí)間內(nèi)的徑流總量，ml；

B——過水?dāng)嗝鎸挾龋琧m；

q——單寬流量，cm2/s；

v——平均流速，cm/s。

植物莖通過將水流分成莖之間的單獨(dú)流動來改變水力半徑，每個(gè)流動路徑被認(rèn)為是土壤表面上的一個(gè)矩形通道。莖線形成通道側(cè)面，然后根據(jù)間距和流動深度，計(jì)算出修正后的水力半徑RS，計(jì)算公式：

式中：SS——莖之間的距離（空間），cm；

k——莖的高度。

流量的雷諾數(shù)（Re）和弗勞德數(shù)（Fr）分別由（3）和

（4）計(jì)算得出：

式中：V——運(yùn)動粘度，cm2/s；

g——重力加速度，cm/s2。

達(dá)西-威斯巴赫（f）系數(shù)和曼寧摩擦系數(shù)（n）用于表示流動阻滯，可分別通過（5）和（6）估算：

式中：s——表面坡度，m。

有些文獻(xiàn)用公式（7）計(jì)算植被土壤的達(dá)西-威斯巴赫系數(shù)：

3 結(jié)果和討論

3.1 莖類植物對坡面流的水力學(xué)性質(zhì)的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，平均流速隨著莖干密度的增加而降低（圖1），與裸土相比，莖干將坡面流速降低至約27.45%。

圖1 平均流速與莖密度的關(guān)系

本次實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果類似于一些現(xiàn)有結(jié)論，結(jié)果表明，流速隨著覆蓋的增加而降低。除此之外，草被對坡面流速的影響，比莖干坡面流速更大。

將平均流速（V）和莖干密度（d）之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)理分析，使用冪函數(shù)可以對其進(jìn)行比較好的描述。

土壤上的水流在通過莖植物時(shí)的平均流速，比裸露土壤低14.11%~27.45%，流速決定了水流輸送沉積物的速度。

表2展示了水力半徑、曼寧系數(shù)、達(dá)西威斯巴赫系數(shù)、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)隨莖密度的變化。弗勞德數(shù)隨著莖密度的增加而減少。與裸地相比，莖減少了20%~38%。表3展示了曼寧系數(shù)、達(dá)西威斯巴赫系數(shù)、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的變化率。

表2 水力半徑、曼寧系數(shù)、達(dá)西威斯巴赫系數(shù)、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)隨莖密度的變化

表3 曼寧系數(shù)、達(dá)西威斯巴赫系數(shù)、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的變化率

然而，雷諾數(shù)與密度之間有明顯的反比關(guān)系，從密度最大的76.43到裸露土壤的156，百分比從8.76%~34.2%。表2的結(jié)果還表明，弗勞德數(shù)（Fr）的所有值都小于1，雷諾數(shù)（re）的所有值都小于500，因此根據(jù)明渠流的標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)產(chǎn)生的坡面流總是平靜的層流。除了裸露的土壤之外，地面流動似乎是至關(guān)重要的，因?yàn)楦诘聰?shù)等于1（Fr=0.999）。

圖2展示了莖密度對曼寧系數(shù)（n）和達(dá)西威斯巴赫系數(shù)（f）系數(shù)的影響，密度覆蓋的增加會顯著增加達(dá)西-維斯巴赫（f）和曼寧（n）系數(shù)。它們的值分別是裸土的0.243倍~1.959倍和1.47×10-2倍~4.74×10-2倍。

圖2 莖密度對曼寧系數(shù)（n）和達(dá)西威斯巴赫系數(shù)（f）系數(shù)的影響

同樣，馬文明等的研究[1]發(fā)現(xiàn)覆蓋主要?dú)w因于表面粗糙度。摩擦系數(shù)（f）和（n）的大小直接反映了對坡面流的阻力。由較高的f和n值指示的對地面流動的較大阻力的結(jié)果，導(dǎo)致水的勢能較大比例的減弱，同時(shí)水流克服陸地表面阻力，因此降低了流速。

因此，根莖的存在增加了對坡面流的阻力，從而降低了它的速度；植被覆蓋得越密集，速度降低得越多。

3.2 莖類植物對坡面流水力學(xué)的影響

隨著莖干密度的增加，坡面流中的沉積物濃度顯著降低（見表4）。與裸地相比，植被覆蓋地的沉積物濃度降低了17.43%。這種降低主要是由于莖干導(dǎo)致的水力粗糙度增加降低了流速,也可能是由于植物對雨滴的攔截增加，從而降低雨滴接近土壤表面的動能，從而防止土壤侵蝕并降低徑流速度。

表4 流量、流速、水深和含沙量隨樹干密度的變化

表5展示了與裸土相比流量、流速、含沙量和水深的變化率。

表5 與裸土相比流量、流速、含沙量和水深的變化率

通過回歸分析，含沙量（SC）與莖覆蓋密度顯著相關(guān)，其關(guān)系方程式如下:

3.3 速度與沉積物的關(guān)系

圖3所示的結(jié)果表明，沉積物的濃度隨著平均流速的增加而增加。流速決定了徑流過程中沉積物分離的快慢。密集的植物覆蓋會降低流速，從而降低坡面流的分離能力。通過降低流速，植被增加了徑流中沉積物的沉積量。

通過回歸分析，含沙量與平均流速顯著相關(guān)，其關(guān)系方程式如下:

圖3

4 結(jié)論

這項(xiàng)研究工作，主要探尋了根莖植物對降雨產(chǎn)生的坡面流水力學(xué)性質(zhì)的影響。在模擬降雨強(qiáng)度為73mm·h-1、坡度為3°的條件下，設(shè)置了莖密度為0莖/m2、126莖/m2、203莖/m2、461莖/m2和2500莖/m2的五組對照試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，植物莖能有效控制砂壤土的侵蝕，莖的密度影響表面粗糙度。流速、沉積物濃度和樹干密度之間的關(guān)系可以通過用負(fù)冪函數(shù)來描述。植被在恢復(fù)土壤退化以及水土保持方面起著重要的作用。