土质路面降雨产流产沙及水力参数响应

张 强

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

黄土高原地区为满足居民区建设、农业生产经营和其他经济建设活动需要，进行了大规模的道路建设，除了借助诸如“村村通工程”等修建的水泥道路外，居民生活区、农田和果园周边还形成了大量裸露的土质道路网系统，成为新的土壤侵蚀源头和降雨径流的汇流通道。据测算［1］，该地区道路土壤侵蚀模数高达4 万t∕km2。针对道路侵蚀和汇流的特殊性，国内外学者通过试验证明无任何保护的道路是流域泥沙的重要来源之一［2，3］，路面侵蚀强度是农地的8 倍左右［4］。在地形复杂的山区采用路面铺设石子或水泥硬化等手段防治土壤侵蚀成本较高，比较而言土质路面植草是黄土高原地区道路侵蚀防护中一种较为经济合理的措施［5］。该地区部分土质路面边缘地带常年生长着杂草，呈散点状分布，长势旺盛，为道路周边杂草的种子通过风力搬运或生物携带而进入路面土壤，或因路边杂草根系延伸至路面由地下芽而形成。这些土质道路平时交通量低，进入农忙时节农用车辆增加，但破坏路面的车辙面积不到路面的1∕5，经过人工补种草种等措施将会形成连片的植被覆盖层，既可发挥保持水土的作用又使当地不连续的自然景观得以修复。因此，土质路面植草应用潜力可观。由于土质路面在修建或人为活动下压实，植草后与自然坡面的植被防护效果有所不同，需要大量试验进行验证。

针对黄土高原裸露路面和植草路面，研究不同人工模拟降雨强度、坡度和放水量冲刷条件下土质路面植草前后降雨径流和土壤侵蚀的变化情况，分析土壤剥蚀率与径流水力学参数的关系，阐明土质路面植草的作用机理和效果，旨在为该地区及类似地区土质路面土壤侵蚀防治的生物措施应用提供科学参考。

1.1 试验设计

本试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅进行，采用自动控制雨强侧喷式人工降雨设备，放水冲刷试验用马氏瓶供水，所用土槽为自制移动变坡式钢槽，长2.0 m、宽0.55 m、深0.35 m，装土深度0.3 m。供试土壤采自陕西省延安市安塞县，土壤类型为黄绵土。土壤自然风干后过5 mm筛，按设计量称重再均匀分成6 份装土，边装边压实，实验中将裸露路面土壤容重控制在1.5 g∕cm3左右，每次在装下一层之前将表土打毛，以消除两层土壤之间的垂直层理。

植草路小区中的草种为多年生草地早熟禾（Poa pratensis L.），来自预先移栽培育的草圃。采用条带方式将草移栽到裸露路小区，用数码相机垂直植草路面对小区进行图像采集，利用ERDAS Imagine 8.4分析软件对图像进行处理测定草的覆盖度，并通过适当修剪到基本符合试验所设计50%的覆盖度要求为止，人工降雨前草的长势稳定，草高约为20 cm左右。

模拟降雨实验中，坡度固定为15°时（处理A），雨强为1、1.5、2、2.5、3 mm∕min；
雨强固定为2 mm∕min 时（处理B），坡度为6°、9°、12°、15°、18°；
降雨与放水冲刷组合实验（处理C）采用固定雨强2 mm∕min 和坡度15°，其中裸露路5 个放水流量分别为2.3×10-5、4.6×10-5、6.9×10-5、9.2×10-5、11.5×10-5m3∕s，而植草路5个放水流量为1.4×10-5、2.8×10-5、4.2×10-5、5.6×10-5、7.0×10-5m3∕s。试验中路面径流流速采用染色剂法测定；
土壤侵蚀量通过相应时段收集径流后静置、过滤和烘干称重获得。

1.2 数据分析

当作用于土壤的水流动力或能量足以破坏土壤黏结力时，土壤分离过程就开始发生，因此坡面水蚀过程的土壤剥蚀率为单位时间、单位面积的土体上，在侵蚀动力的作用下被剥蚀掉的土壤颗粒的质量［6］。根据每分钟泥沙量的观测值分别除以相应径流宽度和试验坡长即为相应不同坡度和流量下土壤剥蚀率（Dr）。在国际上流行的几个土壤侵蚀过程模型中，使用了不同的水动力学变量来模拟径流冲刷引起的土壤分离过程。在美国的WEPP 模型中，采用了水流剪切力概念τ；
在澳大利亚的GUEST 模型中，采用了水流功率ω的概念。水流剪切力是沿着坡面梯度方向运动的水流在其运动方向上产生的一个作用力，这种作用力就是径流冲刷动力。Foster［7］等提出水流剪切力可以用下式计算：

式中：τ为水流剪切力，Pa；
γ为水流容重，N∕m3；
R为水力半径，m；
J为坡能比降；
g为重力加速度，m∕s2。在坡面上由于水流为典型的薄层水流，所以可以直接用径流深h和地面坡度S替换R和J。

Bagnold［8］提出水流功率的概念，即单位面积水体的水流功率，其表达式如下：

式中：ω为水流功率，N∕（m·s）；
V为水流平均流速，m∕s。

过水断面单位能量可用下式计算［9］：

式中：ε为过水断面单位能量，cm。

2.1 土壤侵蚀速率与径流系数

坡度为15°时不同人工模拟降雨强度下裸露路和植物路的径流系数和土壤剥蚀率如图1所示：不同降雨强度条件下，植草路的土壤剥蚀率均低于裸露路的土壤剥蚀率，降低幅度介于18.25%～63.28%之间，且两种路面的土壤剥蚀率均随着降雨强度的提高而增加，与孙蓓等［10］的研究结果相似；
径流系数则表现为裸露路（0.17～0.81）低于植草路（0.63～0.96），植草路径流系数增加了18.50%～255.21%。土壤剥蚀率的差异充分说明了植草这种生物措施在田间土质路面上可以起到降低土壤侵蚀的作用［11］，与自然坡面上采取的植物措施有着相同的防蚀效果［12］，只需要选择能够在田间土质路面正常生长、一定辗轧次数下存活率较高、对农业生产交通工具不产生影响的草本即可。植草前后的土质路面径流系数均高于自然坡面的径流系数［13］，侧面反映出土质路面更易形成径流和土壤侵蚀的潜在威胁，这是因为土质路面经过压实处理，其土壤密度比自然坡面土壤大0.3 g∕cm3左右，地表水入渗速率极大程度的降低导致；
而植草路面的径流系数高于裸露路面，作者分析认为降雨过程中部分草叶被雨滴击打匍匐于地面，从而阻碍了水分入渗，且短时间移栽后的植物根系没能发挥疏松土壤和增加水分入渗的作用，室内试验两种因素叠加导致此种表现。如果植草后经过足够长的时间，草本根系能够在土中自由伸展，将在很大程度上增加水分入渗速率，降低径流系数［14］。

图1 不同降雨强度条件下土质路面土壤剥蚀率和径流系数Fig.1 Soil detachment rate and runoff coefficient on road surface under different rain intensity

图2 为人工模拟降雨强度达到2 mm∕min 时不同坡度条件下裸露路和植物路的径流系数和土壤剥蚀率：不同坡度条件下，植草路的土壤剥蚀率均低于裸露路的土壤剥蚀率，降低幅度介于8.62%～40.61%之间，且两种路面的土壤剥蚀率在实验坡度范围内随坡度增加而递增；
径流系数则表现为裸露路（0.54～0.71）低于植草路（0.88～0.97），植草路径流系数增加了35.06%～63.94%。相对于裸露路面，植草路面较小的土壤剥蚀率说明了在实验坡度范围内植草措施对土质路面仍具有良好的防蚀效果。两种路面均产生较高的径流系数，其原因同样与前文不同降雨强度条件中的两种叠加作用有关。

图2 不同坡度条件下土质路面土壤剥蚀率和径流系数Fig.2 Soil detachment rate and runoff coefficient on road surface under different slop gradient

2.2 土壤剥蚀率与径流水力学参数的关系

2.2.1 土壤剥蚀率与径流流速的关系

黄土高原地区的降雨产流归因于超渗产流，而径流是水力侵蚀的重要动力，其造成的土壤侵蚀普遍存在于塬面、自然坡面、土质路面、农田等各种环境中。径流流速大小决定着水流对泥沙的搬运强度［15］。相对于裸露路面，植草路面的径流流速降低了17.16%～46.70%，两种路面的径流流速均随着降雨强度、坡度和放水流量的增加而增加。

有研究表明，土壤剥蚀率与径流流速呈幂函数关系［16］。由表1 可知，本实验中裸露路和植草路的土壤剥蚀率与径流流速分别呈显著的指数关系和直线关系。由图3 可见，在相同条件下，植草路面的径流流速明显低于裸露路面的径流流速，径流侵蚀动力减弱，土壤剥蚀率降低，与实验中观测到的土壤侵蚀结果相一致。

图3 土壤剥蚀率与径流流速关系Fig.3 Relationship of soil detachment rate and runoff velocity

2.2.2 土壤剥蚀率与径流剪切力的关系

径流剪切力作为一种基本的水动力学参数，对了解侵蚀机理和建立侵蚀模型有重要的意义。图4表明，降雨强度由1 mm∕min 增强至3 mm∕min，裸露路径流剪切力增长至13.30 倍，植草路径流剪切力增长至3.11 倍；
坡度由6°增加至9°，裸露路径流剪切力增长至2.14 倍，植草路径流剪切力增长至1.31 倍；
随着放水流量增大，裸露路径流剪切力增长至2.73 倍，植草路径流剪切力增长至1.34 倍；
不同条件下的实验结果说明，地表草本植物的存在减弱了径流剪切力的大幅度增长，起到了削弱径流侵蚀动力的作用。相比裸露路面，植草路面的径流剪切力增加了42.48%～509.07%，主要源于植草后的降雨径流系数较高，即植草路具有较高的径流深。吴卿等［17］认为径流剪切力与土壤剥蚀率呈正相关关系。部分研究学者构建出径流剪切力与土壤剥蚀率的关系［18］，并认为可用径流剪切力作为土壤侵蚀预测的参数［19］。从表1 可以看出，综合几种试验条件下的土壤剥蚀率与水流剪切力呈极显著的乘幂函数关系，裸露路和植草路的方程决定系数R2分别为0.933 2和0.676 5。

图4 土壤剥蚀率与水流剪切力关系Fig.4 Relationship of soil detachment rate and shear stress

表1 土壤剥蚀率与径流水力参数的拟合关系Tab.1 Regression of soil detachment rate and runoff hydraulic parameters

2.2.3 土壤剥蚀率与水流功率的关系

径流能量是坡面径流水动力学性能的综合体现，采用水流功率表征坡面径流能量的方法在研究中占重要地位［20］。本实验中，降雨强度由1 mm∕min 增强至3 mm∕min，裸露路水流功率增长至16.88 倍，植草路水流功率增长至4.68 倍；
坡度由6°增加至9°，裸露路水流功率增长至3.68 倍，植草路水流功率增长至3.18 倍；
随着放水流量增大，裸露路水流功率增长至3.28 倍，植草路水流功率增长至2.04 倍；
相对于裸露路面，植草路面的水流功率增加了18.03%～325.78%，由于水流功率的数值等于水流剪切力与流速的乘积，如前文所述，植草路的水流剪切力增加的幅度远远超过了流速降低的幅度，因此，植草路的水流功率计算值也呈增加趋势。在澳大利亚的GUEST模型中，采用了水流功率作为预测土壤侵蚀的参数，关于土壤剥蚀率与水流功率的关系，国内研究结果有直线关系［21］、指数关系［22］或幂函数关系［23］。从表2 可以看出，土壤剥蚀率与水流功率呈极显著的乘幂函数关系，裸露路和植草路的方程决定系数R2分别为0.983 4和0.663 5，裸露路的拟合效果更优；
结合表1 与图5 所示，在相同条件下，植草路的水流功率均小于裸露路的水流功率。

图5 土壤剥蚀率与水流功率关系Fig.5 Relationship of soil detachment rate and stream power

2.2.4 土壤剥蚀率与过水断面单位能量的关系

过水断面单位能量是指以过水断面最低点作基准面的单位水重的动能及势能之和，其大小对土壤侵蚀具有很大影响［24］。本实验中，降雨强度由1 mm∕min 增强至3 mm∕min，裸露路过水断面单位能量增长至2.08 倍，植草路过水断面单位能量增长至2.55 倍；
坡度由6°增加至9°，裸露路过水断面单位能量增长至1.95 倍，植草路过水断面单位能量增长至1.06 倍；
随着放水流量增大，裸露路过水断面单位能量增长至1.57 倍，植草路过水断面单位能量增长至1.81 倍；
相对于裸露路面，植草路面的过水断面单位能量降低了51.20%～81.77%，过水断面单位能量的大小受径流水深和流速影响，且径流流速更为重要，虽然植草路的径流水深略深，但流速降低较多，综合效果为过水断面单位能量呈降低趋势。

有学者［25］认为土壤剥蚀率与过水断面单位能量呈幂函数关系，本研究结果表明两者呈极显著的乘幂函数关系（表1和图6），并且公式中的系数表现为裸露路远高于植草路，说明过水断面单位能量增加相同数值时，裸露路的土壤剥蚀率增加更为迅速，即土壤侵蚀程度更为严重，因此，裸露路面植草防蚀措施显得尤为重要且有效。

图6 土壤剥蚀率与过水断面单位能量关系Fig.6 Relationship of soil detachment rate and unit energy of water-carrying section

（1）覆盖度达到50%的植草土质路面在不同降雨强度、坡度和放水流量条件下，土壤剥蚀率可以降低18.25%～63.28%。

（2）两种路面的土壤剥蚀率与径流水力学参数均有显著的相关关系，其中，裸露土质路面可用水流功率或径流剪切力预测土壤剥蚀率的大小，植草土质路面可用径流流速或径流剪切力预测土壤剥蚀率的大小。