图3 不同降雨历时各坡面产流率Fig.3 Runoff rate in different rainfall time under different treatments

为解析降雨历时的影响，对15、30、45、60 min时的产流率与生物结皮盖度、容重及粗糙度进行了Pearson双尾相关分析（表2）。结果表明，15、30 min产流率与粗糙度、容重及生物结皮盖度均无相关关系；而随着降雨时间的增加，45 min产流率与这3项指标显著相关，60 min降雨率与容重显著相关，与粗糙度、生物结皮盖度极显著相关。相关系数绝对值随着降雨历时的增加而变大。

表2 不同降雨历时产流率与影响因素相关性Table 2 Correlation between runoff rate and influencing factors in different rainfall time降雨历时Rainfall time/min粗糙度Roughness容重Bulk density生物结皮盖度Biocrust coverage 45-0.797*0.797*-0.770* 60-0.866**0.773*-0.862**

2.3 径流系数及入渗速率随降雨历时的变化特征

图4为不同处理坡面径流系数随降雨历时的变化过程。各处理坡面在产流初始时的径流系数由大到小依次为高盖度生物结皮0.08，裸土0.07，低盖度生物结皮0.04。生物结皮坡面径流系数随降雨历时的变化趋势均为先增加，最终趋于稳定。裸土坡面径流系数变化趋势表现为先增加，在降雨历时为60 min时有下降趋势。高盖度生物结皮坡面径流系数随降雨历时变化幅度最小；裸土坡面的径流系数在产流后随降雨历时增加迅速增大，在后续的降雨过程中始终高于结皮坡面；低盖度结皮坡面径流系数介于在二者之间。

图4 不同处理坡面径流系数随降雨历时的变化Fig.4 Variation of runoff coefficient with time under different treatments

图5为各处理坡面不同降雨历时的入渗速率。裸土坡面的入渗速率在前30 min时与生物结皮坡面差异不显著。45 min时的入渗速率由大到小依次为高盖度生物结皮1.18 mm/min、低盖度生物结皮1.13 mm/min、裸土0.98 mm/min，高盖度生物结皮坡面入渗速率显著大于裸土坡面（P<0.05）。裸土坡面入渗速率在60 min时降低至0.89 mm/min，显著低于高盖度生物结皮坡面（1.17 mm/min，P<0.05）。

图5 不同降雨历时各处理坡面入渗速率变化Fig.5 Variation of infiltration rate in different rainfall time under different treatments

2.4 坡面流速与流态随降雨历时的变化特征

不同处理降雨过程中流速的时间动态见图6a。其中裸土坡面的平均流速为0.23 m/s，显著高于有结皮覆盖的坡面（P<0.05），随着时间的增加呈波浪状增长趋势，在降雨末期（50 min后）有下降趋势。高盖度生物结皮覆盖的坡面平均流速最低，为0.05 m/s，没有明显的变化趋势。低盖度生物结皮坡面流速为0.06 m/s，略大于高盖度生物结皮坡面，在降雨中期流速波动幅度较大。

佛汝德数（Fr值）是流体内惯性力与重力的比值，是判别水流状态的重要参数。研究表明当Fr值>1时，水流为急流，Fr值<1时，水流为缓流[23]。由图6b可见，3种坡面处理的流态变化特征与流速相似。裸土坡面的Fr值显著高于生物结皮坡面，最大值达到了5.09，平均值为3.41，是生物结皮坡面的6.8～7.6倍。表明生物结皮在坡面上的覆盖改变了降雨过程中坡面径流的流态。

图6 不同处理坡面流速与佛汝德数随降雨历时的变化特征Fig.6 Variation of runoff velocity and Froude number with time under different treatments

3 讨 论

不同降雨历时的产流率及生物结皮盖度Pearson相关分析结果表明，产流率在降雨前30 min的与生物结皮盖度无显著关系，随着降雨历时的增加，45、60 min的产流率与生物结皮盖度显著相关，且相关系数绝对值随降雨历时增加而变大。表明随着降雨历时的增加，生物结皮对坡面产流的影响也随之增大。这可能是由于裸土坡面和生物结皮坡面的结构随降雨历时变化的差异造成的。裸土坡面土壤结构未破坏时孔隙度较大，水分入渗在降雨前期为大孔隙流，而生物结皮的饱和导水率低于无结皮土壤[24]，此时裸土坡面产流量低于结皮坡面。随着降雨历时的增加，裸土坡面的土壤结构容易被雨滴击溅破坏，溅蚀产生的细土粒堵塞土壤孔隙，形成大面积的物理结皮，其致密的表层结构会显著降低表层土壤的入渗速率，导致坡面的产流量迅速增大[25]。已有研究表明，生物结皮的存在可以削减雨滴动能，减少雨滴对下层土壤结构的破坏，增加土壤水稳定性[3,26]。因此，生物结皮坡面的表层土壤在降雨过程中较裸土坡面更加稳定，水分入渗率随降雨历时变化不大。基于以上原因，生物结皮坡面的产流率随降雨历时变化平稳，裸土坡面由于表层土壤结构的不稳定性导致产流随降雨历时增加而迅速增大。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2020/1027/415.html

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