河岸植被类型对坡面流水动力特性影响研究

齐鸿雁

(上饶市科信水土保持监测有限公司，江西 上饶 334000)

0 引言

近年来，由于自然环境变化和人为活动对环境不断干扰，二者综合作用，导致河流生态环境的自我调节功能下降。然而，丰富的植被覆盖可发挥降流阻沙及保护水土的重要作用。由于植被自身的根系结构特征，因而多覆盖具有提升水流阻力作用，有效减弱径流冲刷。此外，植被根系可以固结坡面土壤，减缓土壤水土流失。因此，开展坡面流水动力特性研究，对探讨坡面侵蚀具有理论与现实双重意义。

国内外学者已对坡面流水里特性做了大量研究。唐科明等[1]分析了动床作用下植被盖度对坡面流水动力参数的规律。通过改变坡水槽坡度2°～10°、流量0.25～2.00L/s、盖度0%～25%进行试验，系统研究了动床条件下植被盖度对坡面流流速、流型、流态、阻力系数等水动力参数的影响。孙菊英等[2]基于系列坡面流试验，分析了柔性植被不同高度对坡面流水动力特性的影响，得出了柔性植被高度与坡面流水动力特性的作用规律。李盼盼等[3]采用黄土高原白羊草为研究对象，通过设置多种施氮处理模拟氮沉降，利用人工模拟降雨，探究了土壤有效氮升高对白羊草群落坡面流水动力特征的影响。刘文剑等[4]研究了刚性植被覆盖与地表粗糙复合作用下坡面流水动力特性规律，开展了大量定床水槽冲刷试验，分析了陡坡条件下10组流量、5种覆盖率、4种不同地表粗糙度坡面流流速、流型流态、阻力系数等变化特性。现有研究主要是在室内模拟条件或野外人工预设植被试验条件下进行，但对河岸带边坡自然植被类型下的水动力特性分析研究较少。

本研究通过计算植被类型与流量耦合作用下的雷诺数与弗劳德数等水动力参数，详细研究了边坡植被在径流作用下水动力特性变化规律，研究结果可为河岸植被修复与水土保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验研究区位于江西省上饶市某河流沿岸，河岸坡面的主要类型为沙壤土，土壤主要粒径：黏粒为4.0%±0.65%，粉粒为54.45%±4.4%，沙粒为41.55%±3.26%，土壤平均厚度小于13cm，土壤容重为(1.02±0.05)g/cm3。

1.2 试验布设

试验设置在6—9月进行，试验场地自然边坡坡度约28.5°。边坡试验坡长5.0m，宽1.2m，对不同植被类型与坡面流水动力学参数规律试验研究。其中，选用裸地、荆条、胡枝子、茵陈蒿、狗牙根与荆条+茵陈蒿，分6种植被类型，开展径流模拟试验，基本指标参数见表1所示。

表1 不同植被类型下径流指标参数

径流模拟主要利用供水设备、恒压设备、汇流装置等主要试验装置进行。要求在供水设备与稳压装置共同作用下，有效保证试验过程中的水流量作为定量因素，集流槽的主要作用为收集上方来水来沙。

试验进行前，需要对试验区域坡面土壤进行预处理。通过喷水处理，使土壤达到饱和状态，可有效防止试验结果因坡面含水量不同而出现较大误差。模拟试验测量之前，需对出水流量进行测定。主要利用高锰酸钾染色法，进行表面流速测定。但实际情况为，表面流速不能达到完全表征平均流速。因此，在已测定表面流速的基础上，融合纠偏修正系数，最终通过上述计算所得流速，作为平均流速。试验放水流量，主要参考河北地区所能达到的最大降雨强度110mm/h，通过定量计算，得到3、5、7L/min等3种流量参数。

1.3 水力参数计算

由于试验过程中实测水流数值相较实况真实值差距较大，因此，研究假设坡面水流分布均匀。径流深度计算公式：

(1)

式中，T—流量，m3；D—过流宽度，m，取为1.2m；v—水流断面平均流速，m/s；t为取样时间，s。

研究中，设计雷诺数(Re)、弗劳德数(Fr)、阻力系数(f)、曼宁糙率系数，计算公式[5]：

(2)

式中，a—水运动黏性系数，m2/s；F—水温，℃；g—重力加速度，取9.8m/s2；L—水力坡度，L=sinθ，θ—径流坡面的坡度，(°)。

1.4 试验数据统计分析

本研究数据统计方法主要为SPSS与Origin软件，采用SPSS软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 流速特征

不同坡面类型径流流速特征见表2。坡面平均流流速与坡面植被类型存在较为明显的关联。试验研究发现，裸坡坡面的平均流速最高，其中，狗牙根坡面平均流速较其他坡面类型较低。研究结果表明，植被的存在对水流具有明显的阻流作用，可以提升水流的能量损失，导致径流流速降低。放水量为3L/min，狗牙根的坡面平均径流流速为(0.052±0.003)m/s，明显低于其他植被类型，仅为裸坡平均径流流速的0.28倍。当径流流量为7L/min时，荆条坡面的平均径流流速增长速率最大，约为86.14%，灌草坡面的平均流流速增长速率最低，仅为10.39%。

表2 不同坡面类型径流流速特征 单位：m/s

从径流流速平均变化规律统计结果可以看出，裸坡径流流速始终明显高于其他植被类型坡面径流流速，随着时间不断变化而趋向稳定状态。荆条与灌草坡面径流流速与时间呈正比关系。试验模拟过程中，经计算，得出平均径流流速分别提高了30.4%、39.8%。然而，狗牙根的径流流速与其他植被类型相比，明显较低，随时间不断变化而变化的幅度不明显。这是由于狗牙根的根系分布密度大，一定程度上增加了土壤粗糙程度，有效分散了坡面径流[6-7]。

2.2 流速流态

水流形态是表征坡面薄层水力特性的重要指标参数。坡面径流水力学参数与水量、坡型有很大的相关性。基于明渠均匀流动的基本理论，利用雷诺数Re来判断水流流型：500≤Re≤5000，定义为过度流；Re<500，定义为层流；Re>5000，定义为紊流。

研究发现，河岸带边坡对径流的黏滞影响较大，雷诺数约46.30～129.21，水流流态属于层流，如表3所示。水流相同的条件下，坡面流的湍流度与坡面流的雷诺数成正比，裸坡的雷诺数比其他类型的坡面更显著。所有坡面雷诺数均随水流量的增加而变大，表明水流量的大小比植被类型对坡面流的影响更大[8-9]。

表3 不同坡面类型水力学指标参数

在多种水流条件下，不同植被类型雷诺数和时间的变化规律统计结果表明，前期雷诺数迅速增加，但在后期趋于平缓。对于不同植被类型的坡面，水流经过坡面时，由于坡面植被特征和根系分布的不同，形成不同类型的尾涡，坡面水流最终趋于稳定。当水流量为3L/min时，狗牙根的雷诺数相对稳定。这表明，在低流量条件下狗牙根具有明显的阻流效果。

根据径流流型的判别标准公式计算，各个坡面的弗劳德数均大于1，定义为急流状态。计算结果表明，除裸坡外，不同植被类型的弗劳德数与时间的关系相对稳定，同时植被覆盖使坡面流阻力增加，流速降低而引起弗劳德数下降。此外，狗牙根的弗劳德数为1.01，较其他坡面类型明显降低(p<0.05)

2.3 阻力特征

科学研究中，通常使用阻力系数和曼宁粗糙度来表示流动过程中的阻力。阻力系数越高，水流消耗的能量越大，输沙能力越小。裸坡的阻力系数明显低于其他植被类型(p<0.05)，如表4所示，主要由于植被根系增加了地表的粗糙度，具有固结表层土壤的作用，提高了对坡面水流阻力。

表4 不同流量条件下水动力特征参数

研究表明，狗牙根具有显著的抑制效果，平均阻力系数可达3.57，为裸坡阻力系数的10.2倍。同时，狗牙根和灌草植被类型条件下的阻力系数与雷诺数呈正比例关系，表明低草本植物具备良好的阻流作用。不同坡面类型下，曼宁粗糙度系数和阻力系数的变化规律基本相同，其中，裸坡曼宁粗糙度系数平均值最低为0.016。狗牙根坡面曼宁糙率系数平均值约为0.062，明显高于其他植被类型(p<0.05)。

3 结论

本文采用模拟试验的方法分析植被治理对坡面径流条件下的水力学特性，得到如下结论。

(1)坡面平均径流流速与流量和时间呈正相关关系，不同坡面、植被类型下雷诺数Re在46.30～129.21范围内变化，流态始终保持为层流状态(Re<500)。

(2)弗劳德数Fr随时间变化呈现先增加后减小的规律，各坡面径流流态均表现为急流(Fr>1)，植被坡面的阻力系数在0.58～5.35之间，裸坡阻力系数在0.21～0.48之间，植被对坡面径流具有良好的抑制作用。

(3)低草本类型植物可有效抑制水流对土壤的侵蚀作用，降低坡面水流流速。狗牙根对减缓径流速度的作用最明显，采用狗牙根具有突出的减流阻沙效益，能有效减少水流量。研究结果为植被恢复和水土保护提供理论支撑。