以格局A条件下沿程流速作为基准,其他格局各对应断面的流速与其相比,计算其他格局的减速效益,其计算式为:
式中:RVi代表不同植被下不同水力断面的减速效益(%); VAi代表格局A下各个水力断面的径流流速(m/s); Vxi代表其他格局不同水力断面的径流流速(m/s)。
由图5,6可以看出,2次降雨过程中各个草带条件下的减速效益依次为:格局E<格局D<格局B<格局C。就格局B,C而言,草带位于上坡靠下的格局,正好位于裸坡条件下流速快速增加的部位(断面4,5),因此有效抑制了流速在该空间中的恢复(图5); 此时草带发挥出缓流效果。2次降雨中,格局B,C情况下70%的坡面减速效益值为正,均值可达50%以上,且草带格局C的减速效益明显优于格局B(图5)。
对于格局D,E而言,植被铺设于上坡靠上的部位,草带下方会有更多的裸坡与系统出口相连,为径流的动力恢复提供了更长的运动距离(图6),使流速大于草带铺设于上坡中下部和下部时的情况。格局D,E的动力恢复空间增大,从下坡延伸至上坡,流速快速增长,径流侵蚀强度进一步增强。图6显示,格局D,E的减速效益在2次降雨中基本为负且数值较大,说明流速在动力恢复空间内增加趋势更为明显(图6)。
图5 第2次降雨下草带格局B和格局C条件下的减速效益
图6 第2次降雨草带格局D和格局E条件下的减速效益
综合以上分析可知,上坡中上部和中部种植草带,植被减缓流速的范围和作用强度均较小,甚至产生负面效应,增加了径流侵蚀强度。植被带格局越靠近坡顶,径流流速的恢复格局也相应提前,动力恢复空间长度开始增大,导致径流流速和侵蚀强度快速增加。说明在低植被覆盖度条件下,植被种植于上坡靠上的部位会出现较裸坡更加强烈的侵蚀,这显然与常规所描述的现象相矛盾。这与Jin[18]提出的低覆盖度坡面在65 mm/h雨强时产生比裸坡更为严重的土壤侵蚀这一结论一致。究其原因,也许与影响坡面动力恢复的水蚀动力过程有关。植被种植格局靠上,可为动力恢复提供较大的范围,当径流流入下坡,水流更为集中,流速较裸坡显著增加。另外,由于草带的过滤使水流变清,导致径流携运泥沙能力增强; 含沙量与径流携运泥沙能力之差会持续增加,产生了较大的径流剥蚀率[19]。
草带布设于上坡中下部,调控径流流速的范围基本覆盖了整个坡面,径流流速得以减缓,径流侵蚀强度也得以大大降低。当草带布设于上峁边线附近(格局B),径流从草带流出后,径流含沙量降低,水流更为集中,泥沙运移能力增加,径流对下坡的侵蚀强度增加。因此,将植被布设于上坡最底部时,与布设于坡面中下部相比,挟沙力和径流流速均有所增加,此时草带种植于此并未明显减弱侵蚀[20]。
从图3看出,随着草带布设格局的逐渐上移,动力恢复空间逐渐增加,径流流速呈先减小后增加的趋势,格局C时流速最小,格局D,E时的流速反而超过裸坡时的情况。表明动力恢复空间达到一定长度时,流速会超过其他草带格局和裸坡的情况,因此动力恢复空间的长度存在临界值[20]。根据试验实际情况,将13 m坡面出口至草带底部7 m的距离称为动力恢复空间的临界值,即为整个坡面长度的54%。径流的加速长度低于该临界值时,在此区域内种植的植被可以有效抑制径流流速的恢复,降低径流流速和径流侵蚀强度。而在此区域以外布设植被(格局D,E),则会增加更多的动力恢复空间,径流流速在此区域内快速增长,已经高于裸坡,达到试验范围内峰值。因此,动力恢复距离具有临界现象,动力恢复距离超过坡面长度的54%,径流流速明显增加,草带调控径流作用较弱,甚至加剧侵蚀; 动力恢复距离小于坡面长度的54%,径流流速显著降低,草带调控径流作用增强,侵蚀强度减弱,这与之前的研究所获得的结论相似[10]。以往结果表明,当草带位于下坡位时,其减沙效益远远高于上坡位和中坡位[10]。但随着坡面径流进入沟坡和沟道后,由于峁坡坡面径流含沙量减小,清水下沟反而使得进入沟坡的径流剥蚀力增大,沟坡部分侵蚀增强,即坡面径流通过沟坡时会引起侵蚀产沙量增加[20],这些都与此次所得出的结论相互印证。因此,研究不同梁峁坡植被空间分布对沟坡侵蚀的影响和调控有助于理解植被对土壤侵蚀输沙过程、水动力过程调控作用的理解。
