本文是一篇工程硕士论文，本文通过开展草被覆盖条件下水槽试验，研究草被密度与草被格局影响下的坡面薄层流水动力学参数的变化规律，建立草被覆盖下的坡面水流阻力公式。通过开展草被覆盖条件下动床模拟降雨试验，分析研究草被分布格局对坡面流水动力学参数的影响，探究降雨条件下不同草被格局对坡面产流和产沙过程和机理。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
黄土高原生态环境脆弱，自然地理条件较差，是世界上最大、最厚的黄土堆积区，土质较为疏松 (Fu et al. 2016 ; 张光辉 2018）。黄土高原中部地处暖温带半干旱区，西部及北部属于中温带半干旱区，由此造成了该地区 6 至 10 月多雨，而 11 月至次年 5月干旱少雨的降水特征。黄土区内极容易发生暴雨天气，地表径流对坡面土壤产生剧烈侵蚀，水土流失十分严重，是黄河中下游河道淤积泥沙的主要来源(李鹏等 2005；许钦和任立良 2007 ; Shuai et al. 2016)。上世纪农业用地需求剧增使许多不适宜开垦的陡坡地转变为农业用地(唐佐芯等 2013)，使原有地表植被覆盖出现不同程度退化(沈中原等 2006)，导致水土流失进一步加剧。
由降雨形成产流、在重力的作用下沿坡面运动的薄层水流称之为坡面流。当降水量超过土壤入渗能力后，由超渗产流产生地表径流，坡面径流过程成为土壤侵蚀发生的直接动力条件。坡面流通常遍布于整个坡面，并随坡面起伏变化。影响坡面流状态的因素很多，主要包括降雨条件、坡面微地貌形态、植被及其他地表覆盖等，由于部分坡面坡度较陡，坡面流水深很浅，其水动力学特性(流型流态、水力要素及阻力规律)作为表征坡面流运动的主要参数，得到研究者的广泛关注。
植被是陆地生态系统当中一个重要的组成部分，具有截留降雨、滞留径流、防沙固沙等功能，对减少水土流失起着重要作用。因此，恢复黄土高原地区植被覆盖是解决该地区水土流失和土壤侵蚀问题的重要措施，是改善黄河流域生态环境的有效途径。
植被覆盖对水土保持产生了十分积极的影响。一方面，植被的根系可以改良土壤，增加空隙和团粒结构，提高土壤的渗透性、贮水量和导水性，具有拦蓄径流和泥沙的功能。并且，植物根系具有的机械网络作用能提高土壤抗剪强度，强化土壤的抗侵蚀能力。另一方面，当坡面上有植被覆盖的时候，植被的地上部分会对水流产生一定的阻碍和扰动，能有效降低坡面流流速，耗散泥沙颗粒剥蚀起动的能量，进而减少坡面土壤侵蚀(冯浩等 2005)。
1.2 国内外研究进展
坡面薄层水流是指大气降水经植被截流、土壤入渗等损失后，沿坡面流动的片状水流 (Léonard and Richard 2004 ; 姚文艺 1996)。坡面流是黄土区土壤侵蚀过程发生的初级阶段，也是坡面土壤侵蚀过程发生的动力条件之一。通过对坡面水流水动力学特性的研究，可以从机理层面阐述黄土高原土壤水力侵蚀发生的过程及水沙产输演变规律。随着对坡面薄层水流研究的深入，国内外诸多学者以经典水力学理论为基础，参考明渠水动力学研究成果，通过模拟降雨试验和数值模拟等方法对坡面流水动力学特性进行了系统研究(Cheng 2013; 李光录等 2008 ; Ni et al. 2021 ; 王俊杰 2016)。对坡面流的研究逐步由经验性总结向水动力学特征为主的机理研究推进。坡面流水动力学特性主要包括坡面薄层水流的流态、水力关系及阻力规律等。降雨条件下坡面流水沙过程研究的主要内容有坡面流水动力学参数演化规律及产流产沙过程等。
1.2.1 水动力学特性
流速、水深和单宽流量是坡面水流最基本的水力参数。因坡面流水深较小难以测量，故流速和径流流量间的关系成为坡面流研究的主要切入点。国内外学者通过理论推导与试验数据拟合的方法对植被覆盖坡面水流的流态、流速和阻力系数以及它们之间的耦合关系等进行了探索(Anthony J. Parsons 1997 ; Findeling et al. 2003 ; Liu et al. 2020 ; Mu et al., 2019b ; 张光辉 2001)。
流速是影响地表径流和坡面土壤侵蚀过程的重要参数。准确估计平均流速对于预测产流量和产沙量至关重要(李鹏等 2005 ; Montakhab et al. 2012 ; 马小玲等 2017)。Chezy 公式和 Manning 公式在地表径流和侵蚀模型中被广泛用于计算水流流速。Chezy公式和 Manning 公式在十二世纪为确定运河大小而被提出(Mouret 1921 ; Patricia M. Sacoa.T 2020)。但许多学者(Anthony J et al. 1997 ; Busari and Li 2016; C.X. Jin 2000 ; Parsons 1994b ; Smith et al. 2007 ; 张光辉，2017)对 Chezy 公式和 Manning 公式在坡面流的适用性进行了探索。但由于上述方程假设了许多限制条件：水流是均匀流，水流是平行于边界的，水流宽度是恒定的，颗粒粗糙度在湿周上是均匀分布等(Smith et al., 2007)，然而这些条件对于坡面流并不适合。尽管如此，许多研究人员仍试图确定两个方程在坡面流中应用时的准确性。倪晋仁(1988)发现两个方程都可用于坡面流流速估计，且 Manning 公式比 Chezy 公式更准确。Plew (2011)的研究表明，采用与水深相关糙率系数的 Manning 公式可对流速进行更准确的估计。而 García-Díaz et al. (2017)却认为Manning 公式并不适用于层流。
第二章 试验设计与方案
2. 1 试验设计
2.1.1 不同草被空间配置下水槽试验
天然坡面特征十分复杂，为剥离其余因素对水流的影响，试验采用水槽坡面粘贴仿真草进行研究。选取影响坡面流水动力学特性的主要因素为坡度、草被密度和流量。
根据黄土区径流小区试验设计原则(温永福等 2018)，本试验坡度设置为 4°、8°、12°。以往研究表明黄土高原存在引起土壤侵蚀的临界雨强，该临界雨强可定义为 10 ～ 25 mm/h(张宽地等 2012)。由可产生剧烈侵蚀的暴雨雨强及产生的坡面径流流量，换算确定选取试验流量为 5、7.5、10、15、20、25、30、40 L/min 共 8 组流量。
设置裸露坡面和草被覆盖两个坡面特征(表 2-1)。裸露坡面为水槽底部粘贴 40 目砂纸（ES），砂纸坡面草被覆盖（SG）密度大约是 0.58%，1.15%，1.73%，2.3%，2.88%，3.42%，4.03%，4.61%，5.18% 和 5.76%，草被覆盖密度由茎的总数和茎直径计算得出(表 2-2)。仿真草随机成簇排列(图 2-2)。因水动力学试验需计算过流断面面积等参数，本文选用草被密度而非植保学科常用的草被覆盖度表示草被覆盖的多少。因为禾本科植物茎具有伞状形态，5.76%的茎密度即可形成大约 94%的冠层投影面积(图 2-2f)。试验前将坡面及仿真草充分润湿以减小坡面不同干燥程度引起的水流摆动变化。根据草被空间分布不同设计纵向条带格局和条横向条带型格局、棋盘型格局、小斑块格局和随机型格局，以裸坡作为对照组。
2.2 试验装置
2.2.1 不同草被空间配置下水槽试验
试验水槽尺寸为 4.5×0.3×0.1 m，可变坡度的矩形有机玻璃水槽（图 2-6），水槽底部铺水砂纸模拟坡面粗糙度，水槽上游预留 1 m，取中间段 2.5 m 布设草被，下游空余1 m，沿程共设置 6 个观测断面（草被段上游 1 个，草被段 4 个，下游 1 个）。
2.2.2 不同草被分布格局条件下动床降雨试验
径流小区尺寸 2×0.5×0.5 m。试验用降雨设备为下喷式人工降雨系统（图 2-7），喷头安装高度 6.5 m 通过调节水压与喷头组合达到试验设计雨强。试验重复 2 ~ 3 次，每次降雨试验覆盖两个径流小区。
2.5 m 长的试验段从上到下分为 3 个的坡段(即 0.25 ~ 1m、1 ~ 1.75m、1.75 ~ 2.5m)，分别对应有 0.75 m、1.5 m 和 2.25 m 三个垂直于水流方向的横截面，每个断面设置 5 个水位测点。用染色剂示踪剂(KMnO4)法测量每个坡段表面流速，每个区间测量 5 次秒表读数，舍去最大值和最小值，保留 3 个读数并计算出坡段的表面流速度(Vs)。用超声波水位计测量断面水深，根据坡面与水面的高程差计算水深，取测点水深平均值作为断面平均水深。
降雨历时为 30 min。降雨开始后记录各径流小区开始产流时间。产流开始后，前10 min 每隔 1 min 观测一次，以后每 2 min 测量一次流速，并接取小区出口含沙水流一次（每次 30 s），共计取样 20 份，并将试样进行烘干称重，计算样品含沙量。浑水温度用温度计观测 2 次。
第三章 草被密度对坡面流水动力学参数的影响 .......................... 17
3.1 草被密度对坡面流流速水深的影响 .............................. 17
3.1
