全 文 ：第 ３５ 卷第 ８ 期
２０１５年 ４月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．８
Ａｐｒ．，２０１５
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：国家科技支撑项目（“三北”地区防护林体系结构定向调控技术研究与示范）
收稿日期：２０１３⁃１０⁃３０； 　 　 网络出版日期：２０１４⁃０７⁃２５
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｕｘｉｎｘｉａｏ１１＠ １２６．ｃｏｍ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１３１０３０２６２０
孙佳美， 余新晓， 樊登星， 梁洪儒， 常 玉， 李瀚之．模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响．生态学报，２０１５，３５（８）：２５７４⁃２５８０．
Ｓｕｎ Ｊ Ｍ， Ｙｕ Ｘ Ｘ， Ｆａｎ Ｄ Ｘ， Ｌｉａｎｇ Ｈ Ｒ， Ｃｈａｎｇ Ｙ， Ｌｉ Ｈ Ｚ．Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｎｏｆｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ．
Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１５，３５（８）：２５７４⁃２５８０．
模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响
孙佳美， 余新晓∗， 樊登星， 梁洪儒， 常　 玉， 李瀚之
北京林业大学， 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室， 北京　 １０００８３
摘要：通过模拟降雨实验的方法，分析研究了坡度 １０°和 ２０°，降雨强度 ３０ｍｍ ／ ｈ 和 ６０ｍｍ ／ ｈ 条件下不同盖度黑麦草对坡面产流
产沙的调控过程，并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。
研究结果表明：雷诺数随坡度增加而相对增大，随降雨强度增大有明显增大趋势。 黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数，
在各降雨强度和坡度条件下，雷诺数随黑麦草盖度增加而减小，雷诺数大小一般呈现：裸坡＞２０％＞４０％＞６０％＞８０％。 黑麦草盖
度对坡面流弗劳德数有显著影响，随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小，并且弗劳德数随盖度变化为：裸地＞２０％＞４０％＞６０％＞
８０％，坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系，随坡面阻力系数的增大，坡面产沙率呈对数减小，并且阻力系数在 ０—１
时减小速率很大，阻力系数大于 １以后减小曲线较为平缓。
关键词：黑麦草； 坡面流； 模拟降雨； 水力学； 流态
Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｎｏｆｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｉｔｈ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ
ＳＵＮ Ｊｉａｍｅｉ， ＹＵ Ｘｉｎｘｉａｏ∗， ＦＡＮ Ｄｅｎｇｘｉｎｇ， ＬＩＡＮＧ Ｈｏｎｇｒｕ， ＣＨＡＮＧ Ｙｕ， ＬＩ Ｈａｎｚｈｉ
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ ＆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂａｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ｈａｓ ｃａｕｓｅｄ ｓｅｖｅｒｅ ｌａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏ⁃ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｎｙ ａｒｅａｓ ｏｆ
Ｃｈｉｎａ， ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ａｓ ａ ｓｅｖｅｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｐｒｏｂｌｅｍ， ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｍａｎｙ ｒｅｓｐｅｃｔｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｎａｔｕｒｅ， ｅｃｏｎｏｍｙ， ｓｏｃｉｅｔｙ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｃｅ． Ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ， Ｐｌａｎｔ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ， ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ， ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｔｅｘｔｕｒｅ， ｅｔｃ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｗｅ ｃｈｏｓｅ ｓｌｏｐｅ， ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｓ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ． Ｐｌａｎｔ
ｒｙｅｇｒａｓｓ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｗｅ
ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｔｏ
ｅｘｐｌｏｒｅ ｈｏｗ ｒｙｅｇｒａｓｓ ｐｌａｙ ａ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ３０ ｍｍ ／ ｈ ａｎｄ
６０ ｍｍ ／ ｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅｓ ｏｆ １０° ａｎｄ ２０° ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｒｙｅｇｒａｓｓ （０， ２０％， ４０％， ６０％， ８０％ ａｎｄ
１００％） ｉｎ Ｊｉｕｆｅｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆｏｒｅｓｔ ｆａｒｍ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ
ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｔ ｆｉｘｅｄ ｔｉｍｅ： ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｅｎ ｍｉｎｕｔｅｓ， ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ｗａｓ ｓａｍｐｌｅｄ ｅｖｅｒｙ ｔｗｏ ｍｉｎｕｔｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｓｔ
ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ａｍｏｕｎｔ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ｗａｓ ｓａｍｐｌｅｄ ｅｖｅｒｙ ｆｉｖｅ ｍｉｎｕｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｆｉｆｔｙ ｍｉｎｕｔｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ
ｒｕｎｏｆｆ ａｍｏｕｎｔ ｗｅｎｔ ｓｌｏｗ． Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ
ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｌａｃｅｄ ａｎｄ ｄｒｉｅｄ ｆｏｒ ２４ ｈｏｕｒｓ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｏｖｅｒｌａｎｄ ｆｌｏｗ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｅｖｅｒｙ ｔｅｎ ｍｉｎｕｔｅｓ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｒｕｎｏｆｆ， ｓｅｄｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｎｏｆｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ． Ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ， Ｆｒｏｕｄｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｄｒａｇ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｓ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｄｖａｎｃｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ： ｔｈｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ
ｎｕｍｂｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ． Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｙｅｇｒａｓｓ ｃｏｕｌｄ ｐｌａｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｒｏｕｄｅ ｎｕｍｂｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｒｏｕｄｅ ｎｕｍｂｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｒｅ： ｂａｒｅ ｌａｎｄ＞２０％＞４０％＞６０％＞８０％ ａｎｄ ｂａｒｅ ｌａｎｄ＞２０％＞４０％＞６０％＞８０％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｗｅｌｌ⁃ｆｉｔｔｉｎｇ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ
ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｚｅｒｏ ａｎｄ ｏｎｅ， ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｂｙ ｔｈｉｓ
ｓｔｕｄｙ， ｗｅ ｋｎｏｗ ｔｈａｔ ｒｙｅｇｒａｓｓ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｙｅｇｒａｓｓ
ｃｏｖｅｒａｇｅ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｙｅｇｒａｓｓ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｒｕｎｏｆｆ
ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｈａｖｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｒｙｅｇｒａｓｓ； ｏｖｅｒｌａｎｄ ｆｌｏｗ； ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ； ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ； ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ
坡面径流是造成水土流失的主导因子，在坡面布设合理的水保措施对防治土壤侵蚀，保持水土，改善生态
环境十分重要。 目前对于坡面流流态的研究很多，包括对水流参数的计算和坡面产流产沙机制的研究［１］。
国内外众多学者致力于坡面流特性研究，国外部分学者从土壤入渗、坡面层流特征［２］、斜坡坡面流水深和流
速测量和预报研究［３］、坡面流细沟侵蚀的水力要素［４］、土壤颗粒分离过程［５⁃６］、泥沙输移启动及运移过程、坡
面流动能和功率等揭示坡面流流态机理的研究做了大量工作［７］。 一般用雷诺数和弗劳德数来表征坡面流态
的特性，坡面流流态主要有混合流、扰动流、过度流、扰动层流、伪层流等多种流态［８］，Ｈｏｒｔｏｎ 认为坡面流流态
是在湍流中间偶有层流的混合流态［９］；Ｅｍｍｅｔｔ 研究表明坡面流流态为扰动流，及同时具有紊流和层流的
特性［１０］。
国内学者利用室内人工模拟降雨实验［１１］和变坡水槽放水实验［１２⁃１３］对坡面流流态及其水动力学参数做了
很多研究［１４⁃１５］，对坡面流水力学特性进行了侵蚀机理研究并取得了很多研究成果。 吴普特等认为降雨造成
的坡面流流态是扰动层流，这是由于雨滴的扰动引起的［１６］；姚文艺等经过研究认为降雨时的坡面流不是简单
的层流，而是同时存在着层流、紊流和过度流 ３ 种流态水流［１７］；张光辉等认为坡面流流态主要为过度流和紊
流［３］。 众多研究均表明坡面薄层水流水力学特性是一个及其复杂的过程，当地表有草本植物覆盖时问题会
更加复杂［１８］，草本植物对于坡面流有明显的阻碍作用［１９］，可以减小坡面流流速［２０］。
学者们对于坡面土壤侵蚀过程的研究主要集中在黄土高原［１２］，但是褐土作为北京市主要土壤类型，２００５
年调查数据显示，北京市水土流失面积有 ５４６２１ ｈｍ２，分布在昌平，延庆，房山等区县，因此对于褐土坡面土壤
侵蚀的研究十分重要［１９］。 本文通过模拟降雨实验研究褐土坡面不同降雨强度，不同坡度和不同盖度黑麦草
（Ｌｏｌｉｕｍ ｐｅｒｅｎｎｅ Ｌ．）草地坡面流形态变化规律及特征，对揭示坡面侵蚀机理非常有意义。
１　 试验设计与方法
１．１　 试验设计
模拟降雨实验在北京林业大学降雨大厅进行，降雨大厅位于北京市鹫峰实验林场，主要由降水系统、坡面
系统、控制系统构成，共 ４个 ８ｍ×８ｍ的降雨区，实际降雨控制总面积 ２５６ｍ２。 划分为 ４个独立降雨区，可以分
别降雨，也可以同时降雨，计算机可进行不同降雨状态的自动调控，有效降雨高度 １２ｍ，降雨过程计算机全自
动控制，支持手动操作台、计算机监控、计算机全自动模拟降雨控制。 采用旋转下喷式喷头，叠加式喷头模拟
自然降雨。 降雨分布均匀度达到 ８５％以上，坡面系统为可自由调节坡度的土槽，土槽规格为 ２ｍ×０．５ｍ×０􀆰 ３ｍ，
槽内盛放褐土，取自北京市昌平区。 土槽尾部设置 Ｖ形收集口，用来收集形成的径流和泥沙，底部打孔，使土
壤水可以渗透出土槽外。 其他 ３边额外加 １０ｃｍ 高度，防止雨滴使侵蚀的泥沙溅出土槽之外，造成泥沙量的
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损失。 实验坡度为 １０°和 ２０°，降雨强度选定 ３０ｍｍ ／ ｈ和 ６０ｍｍ ／ ｈ。
黑麦草种植控制盖度分别为 ０， ２０％， ４０％， ６０％， ８０％和 １００％，采用条带状种植的方法达到控制效果，
首先通过种业公司调查黑麦草种植的最优密度，将按照最优密度种植作为 １００％的盖度，然后按照控制盖度
比例确定单位面积需要的黑麦草种子质量，将这些种子条带状均匀种植，每天保证其日晒时间确保可以正常
光合作用生长，根据其实际生长状况并咨询草业专家认为一般种植 ２ 个月后即可用于实验，在进行降水实验
时要进一步确定其真实的盖度，对草进行修剪使其最大化符合实验控制的盖度。
１．２　 试验方法
按照设计容重分层回填土，设计实验容重为 １．３４ｇ ／ ｃｍ３，每 １０ｃｍ 为一层，下面两层分层填天然细沙，然后
铺一层纱布，上面装实验用土。 装土时要注意土面保持平整，每层装完要刻意制造一定的地表糙度，防止土的
滑移；为保证实验初始含水量相同，对坡面进行预降雨，待土壤达到饱和刚开始产流停止降雨，用塑料布盖上
静置 ２４ｈ用于降雨实验［２１］；降雨过程中，记录产流时间，产流开始后前 １０ｍｉｎ 每 ２ｍｉｎ 接 １ 组径流，以后每
５ｍｉｎ １组径流，称量径流体积进行分析。 降雨过程中同时采用染色剂法测定坡面流速，由于坡面流在刚产生
初期不易稳定，因此流速测量断面选择在坡下部，具体位置从坡底部向上 ３０—１３０ｃｍ，并沿坡面流水平方向均
匀布设 ５个点，沿坡面流流动方向测定 ５个流速，求其平均值，并乘以修正系数 ０．７５，作为水流断面平均流速。
１．３　 分析方法
坡面流极薄，实测方法测定的水流深误差较大，并不能代表真实状况，因此采用反推的方法求得坡面薄层
水流水深。 因此在假定坡面薄层水流是均匀分布的条件下，采用以下公式计算坡面薄层水流水深［７］：
ｈ ＝ ｑ ／ Ｕ ＝ Ｑ ／ （ｕ Ｂ ｔ） （１）
式中，ｈ为薄层水流水深（ｍ）；ｑ为单宽流量（ｍ３ ｍｉｎ－１ ｍ－１）； Ｑ 为 ｔ 时间内径流量（ｍ３）；ｔ 径流取样间隔时间
（ｍｉｎ）；Ｕ为断面平均流速（ｍ ／ ｍｉｎ）；Ｂ为过水断面宽度（ｍ）。
雷诺数 Ｒｅ在流体力学中是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲量，通过雷诺数可以判定
水流流态。 根据明渠均匀流的水力学理论，当雷诺数＞５００ 时，坡面流流态为紊流；当雷诺数＜５００ 时，坡面流
流态为层流；当雷诺数在 ５００左右时，流态为过度流。 采用以下公式计算雷诺数 Ｒｅ［２２］：
Ｒｅ＝Ｕｈ ／ ｖ （２）
式中，ｖ为水运动黏性系数，取值为 ７．０×１０－５ｍ２ ／ ｓ。
弗劳德数 Ｆｒ是流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数，它表示惯性力和重力量
级的比。 当 Ｆｒ＞１时，惯性力对水流起主导作用，水流为急流；Ｆｒ ＜ １ 时，重力起主导作用，水流为缓流；Ｆｒ ＝ １
时，重力、惯性力作用相等，水流为临界流。 采用以下公式计算弗劳德数 Ｆｒ［７］：
Ｆｒ ＝ Ｕ ／ ｇｈ （３）
式中，ｇ为重力加速度（ｍ ／ ｓ２）。
坡面流阻力是分析坡面流水力学特性的重要因子，主要来自四个方面：即颗粒阻力 ｆｇ、形态阻力 ｆｆ、波阻
力 ｆｗ和降雨阻力 ｆｒ，这 ４个阻力的加和即为坡面流阻力 ｆ，计算公式为［７］：
ｆ＝ ｆｇ＋ｆｆ＋ｆｗ＋ｆｒ （４）
式中，ｆｇ ＝ ３．１９Ｒｅ
－０．４５；ｆｆ ＝ ４．８∑Ａｉ ／ Ａｂ ，Ａｉ为局部地形改变后的面积（ｍ２），Ａｂ为过水断面的总面积（ｍ２）；ｆｗ ＝
２􀆰 ８Ｃ，Ｃ为地表覆被盖度（％）。
２　 结果与分析
２．１　 黑麦草覆盖调控坡面流雷诺数
各盖度在不同坡度和降雨强度条件下雷诺数随降雨历时变化过程如图 １所示。 从图中可以看出，在降雨
强度为 ３０ｍｍ ／ ｈ，坡度为 １０°和 ２０°，各个盖度覆被条件下的雷诺数均呈现在前 ３０ｍｉｎ稳定增长，然后趋于稳定
状态阶段，雷诺数始终小于 ５００，流态始终为层流。 而当降雨强度为 ６０ｍｍ ／ ｈ，坡度为 １０°和 ２０°，各个盖度覆
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被条件下的雷诺数随降雨历时增大，但是变化不明显，整体处于稳定状态，流态也始终为层流，说明降雨强度
相对与坡度和盖度对坡面流流态影响更大，并且在降雨刚开始时，坡面较为平整，坡面流流速不稳定，雷诺数
较小，随着降雨的进行，坡面阻力增大，雷诺数也增大到稳定状态，坡面流更加不稳定。 当降雨强度较大时，坡
面流会很快趋于稳定，整个降雨过程雷诺数变化不大，组间雷诺数差异性显著（Ｐ＝ １．０１×１０－７＜０．０５）。
雷诺数随坡度增加而相对增大，随降雨强度增大有明显增大趋势。 在各降雨强度和坡度条件下，雷诺数
随黑麦草盖度增加而减小，雷诺数大小一般呈现：裸坡＞２０％＞４０％＞６０％＞８０％。 并且在降雨强度为 ３０ｍｍ ／ ｈ
时，雷诺数随盖度变化不明显，在降雨强度为 ６０ｍｍ ／ ｈ时，盖度从 ０ 增大到 ４０％雷诺数变化不大，当黑麦草盖
度为 ６０％和 ８０％雷诺数减小非常明显，说明当盖度在 ６０％以上时对坡面流流态有较大干扰，此时黑麦草影响
坡面产流过程和产沙过程较明显，能够显著减少径流和泥沙的产生，减少土壤侵蚀。
图 １　 不同黑麦草盖度下径流雷诺数变化过程
Ｆｉｇ．１　 Ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｙｅｇｒａｓｓ ｃｏｖｅｒａｇｅ
２．２　 黑麦草覆盖调控坡面流弗劳德数
各盖度在不同坡度和降雨强度条件下弗劳德数随降雨历时变化过程如图 ２所示。 由图 ２可以看出，降雨
强度、坡度和黑麦草的盖度均对坡面流弗劳德数有较大影响。 与雷诺数变化相似，降雨强度为 ３０ｍｍ ／ ｈ 时，弗
劳德数随着降雨进行表现为开始明显增大，然后逐渐达到稳定状态，当降雨强度为 ６０ｍｍ ／ ｈ，弗劳德数随降雨
历时变化不显著，并且弗劳德数均小于 １，流态为缓流。 黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响，随着黑麦
草盖度增加弗劳德数减小，在坡度 ２０°时，降雨强度 ３０ｍｍ ／ ｈ和 ６０ｍｍ ／ ｈ均呈现弗劳德数随盖度变化为：裸地＞
２０％＞４０％＞６０％＞８０％，当坡面有黑麦草覆盖时增加了坡面流阻力，延缓了流速，造成弗劳德数减小。 但是在
坡度为 １０°时这种随黑麦草盖度增加弗劳德数减小的差异不明显，这个现象主要是由于坡度较小时，坡面流
速相对较小，组间弗劳德数差异性显著（Ｐ＝ ３．５９×１０－９＜０．０５）。
２．３　 黑麦草覆盖调控坡面流阻力
坡面流阻力能够影响产流汇流的方式，影响土壤侵蚀过程，因此坡面流阻力的研究对于表征坡面产流和
产沙过程有重要意义，影响坡面流阻力的因子有很多，包括降雨强度、地表特征、坡度等。 本文采用阻力叠加
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图 ２　 不同草本盖度下径流弗劳德数变化过程
Ｆｉｇ．２　 Ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｆｒｏｕｄｅ ｎｕｍｂｅｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅｒｂ ｃｏｖｅｒ
图 ３　 坡面流阻力与坡面产沙率关系
Ｆｉｇ．３　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｅ
的方法计算坡面流阻力，一般坡面流阻力由 ４ 部分组
成，颗粒阻力、形态阻力、波阻力和降雨阻力，根据力学
基本原理将 ４ 个阻力叠加即为坡面流的阻力。 综合 ４
个阻力计算得到次降雨坡面流阻力大小，并和坡面产沙
率进行拟合见下图 ３。 计算结果显示坡面阻力受波阻
力影响最大，波阻力是坡面流受地表障碍物影响产生的
阻力，对于黑麦草覆盖实验，波阻力的大小与黑麦草的
盖度成正比，因此坡面流阻力受盖度影响很大。 地表为
裸坡时，阻力系数在 ０． ２２ － ０． ４８ 之间，黑麦草盖度为
２０％时坡面流阻力系数在 ０．７８—１．１８之间，盖度为 ４０％
时坡面流阻力系数在 １．３４—１．６８ 之间，盖度为 ６０％时
坡面流阻力系数在 １．９４—２．２１ 之间，盖度为 ８０％时坡
面流阻力系数在 ２．５０—２．９７ 之间。 在次降雨中坡面流
阻力直接影响坡面产沙量，坡面流阻力越大，坡面产沙越少，且阻力系数在 ０—１时产沙率随阻力系数变化剧
烈，阻力系数大于 １以后变化幅度减小。 经过对次降雨阻力系数和产沙率进行拟合发现存在良好的拟合关
系，拟合方程如下：
Ｓ＝ － ２．５０２ｌｎ （ ｆ ）＋３．５６７２　 　 Ｒ２ ＝ ０．８５３２ （５）
式中，Ｓ为坡面产沙率，ｆ为坡面阻力系数。
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３　 讨论
对坡面流的水力学特性研究是研究土壤侵蚀机理的重要内容，经过实验研究证明降雨强度、坡度和黑麦
草的盖度对坡面流雷诺数、弗劳德数和阻力系数有显著影响。 本研究表明，褐土坡面随着盖度的增加 Ｒｅ 和
Ｆｒ有显著的减小，与吴淑芳等［７］和肖培青等［２０］进行的苜蓿草地对黄土坡面流水力学特性实验结论相同［４，１３］，
Ｒｅ是坡面流流体惯性力与黏性力的比值，Ｒｅ减小则流体黏性力占主导地位，坡面流扰动因素会因黏性力的阻
碍而减弱，流动稳定，对地表土壤颗粒的扰动也比较弱，带来的土壤侵蚀相应的比较轻微；Ｆｒ 是惯性力和重力
的比值，随盖度增加 Ｆｒ减小，则重力其主导作用，流速相对稳定，对地表产生扰动较少，土壤侵蚀程度降低。
文中采用雷诺数和弗劳德数来表征坡面流流态特征，但是坡面流水力学特征极为复杂，在实际研究当中
只用明渠水力学的方法有很多局限性，尤其在分析过程中有难度，敬向锋等利用二元流雷诺数和扰流雷诺数
以及其与阻力系数的关系判断坡面流流态更为准确［２３］。 同时模拟实验受多种因素的影响，填土的压实均匀
性、草被措施分布的状况以及测量误差都会造成实验结果的不准确，而各水动力学参数受冲刷过程中坡面条
件以及各个外界条件之间的相互关联和影响都会造成实验结果的误差，因此模拟实验不仅要研究单一因素对
坡面流的影响，要着手因素间互相干扰效应。 在实际生产当中，种植草被是常见的水土保持措施之一，实验研
究表明，草本盖度越大坡面流速越小，流态越趋于层流对土壤表明侵蚀力度越小，但是当盖度增大到一定程度
以后其减流效益不再增加，因此也就没有继续增加盖度的意义，本实验中盖度 ６０％以上其水土保持效果达到
稳定。
４　 结论
（１）雷诺数和弗劳德数随降雨历时呈现先急剧增长，然后随着坡面入渗和产流的稳定达到稳定的雷诺数
和弗劳德数，降雨强度较大时增长的时间较短，坡面流更快达到稳定状态。
（２）雷诺数随坡度增加而相对增大，随降雨强度增大有明显增大趋势。 黑麦草覆盖能够明显减小坡面雷
诺数，在各降雨强度和坡度条件下，雷诺数随黑麦草盖度增加而减小，雷诺数大小一般呈现：裸坡＞２０％＞４０％
＞６０％＞８０％，当盖度大于 ６０％以后减弱幅度很小。
（３）黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响，随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小，并且弗劳德数随盖
度变化为：裸地＞２０％＞４０％＞６０％＞８０％，
（４）黑麦草覆盖条件下，随坡面阻力系数的增大，坡面产沙率减小，并且阻力系数在 ０—１时减小速率很
大，阻力系数大于 １以后减小曲线较为平缓。 坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系，随阻力系数增
大产沙率呈对数减小，如公式（５）所示。
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