極端降雨條件下秸稈覆蓋坡面水流流速空間分布

王 偉，陳 楊，莊曉暉，馬玉瑩

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300392）

0 引 言

坡面流流速是土壤侵蝕的重要參數(shù)之一，其與泥沙的剝離、輸送和沉積過程直接相關(guān)，也是建立坡面侵蝕模型的重要參數(shù)。坡面流受坡度、地表覆蓋物、降雨強(qiáng)度等諸多因素的影響，水流深度一般為毫米級(jí)，同時(shí)降雨對(duì)其流態(tài)影響顯著。坡面流流速測(cè)量一直是土壤侵蝕研究的重點(diǎn)。

極端降雨事件一直是防汛工作的重點(diǎn)，嚴(yán)重地影響生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)。黃土高原地區(qū)多次出現(xiàn)日降雨量大于300 mm的極端降雨事件。秸稈覆蓋可以有效增加雨水入滲，降低地表徑流，減少土壤侵蝕，提高土壤的蓄水、保水及土壤養(yǎng)分保持能力；但也有研究表明，秸稈覆蓋在特定條件下會(huì)加劇水土流失。因此，研究極端降雨條件下秸稈覆蓋坡面流流速分布，對(duì)認(rèn)識(shí)坡耕地土壤侵蝕規(guī)律有重要意義。

目前，測(cè)量坡面流流速的方法主要包括熱膜流速計(jì)、聲學(xué)多普勒流速儀和粒子圖像技術(shù)，但上述這些方法主要適用于流量大、水流較深且水面有一定寬度的工況；測(cè)量淺（?。铀髁魉贂r(shí)精度較差。以染色劑、電解質(zhì)、磁性物質(zhì)、熱和漂浮物等為示蹤劑的示蹤法可以較精確地測(cè)量坡面流流速。當(dāng)存在地表覆蓋物時(shí)，采用容易被探測(cè)到的示蹤劑，如電解質(zhì)，可以方便地測(cè)量薄層水流流速。莊曉暉根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移過程，采用電解質(zhì)溶質(zhì)質(zhì)心法測(cè)量了降雨條件下裸土坡面薄層水流流速分布。Abbas等采用改進(jìn)的電解質(zhì)示蹤法，在非降雨條件下研究了秸稈覆蓋坡面流流速，研究表明秸稈覆蓋對(duì)坡面流速有一定影響。

本研究采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究在極端降雨條件下，不同坡度和秸稈覆蓋率下坡面流流速分布規(guī)律。以電解質(zhì)為示蹤劑，以電解質(zhì)質(zhì)心速度代表坡面流平均流速。以期為認(rèn)識(shí)秸稈覆蓋坡面土壤侵蝕規(guī)律提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料和試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)土壤材料取自陜西省楊凌區(qū)（34°16′50″N，108°03′13″E）。試驗(yàn)土壤為黏壤土，黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.8%、43.3%和24.8%。將供試土壤風(fēng)干，過10 mm 的篩子備用。

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨大廳完成。在一個(gè)3 m寬、12 m長的坡度可調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)上，分隔出8 m長、0.25 m寬、0.3 m深的試驗(yàn)土槽。變坡試驗(yàn)平臺(tái)的坡度調(diào)節(jié)范圍為0～30°，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)及其流速測(cè)量系統(tǒng) Fig.1 Experimental platform and its flow velocity measurement system

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程

土槽準(zhǔn)備：填裝前，供試土壤體積含水率為20%，均勻地填裝到土槽底部，厚度為5 cm，容重為1.5 g/cm，土壤填裝結(jié)束后，用木質(zhì)刮板將表層土壤刮平，表面粗糙度接近自然狀態(tài)。用塑料布將填后的土槽覆蓋，靜置24 h，進(jìn)行土壤水分再分布。填裝土壤的容重較高，土壤的入滲性能和可蝕性較低，與側(cè)隔板貼合緊密。采用0.25 m寬土槽，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)明顯邊界效應(yīng)。

秸稈處理：試驗(yàn)用秸稈為聯(lián)合收割機(jī)收獲后的小麥秸稈。經(jīng)過脫粒滾筒碾壓呈扁平狀。填裝前，將去掉麥穗后的秸稈自然風(fēng)干，用鍘刀鍘至5～7 cm，經(jīng)處理后秸稈長度與秸稈收割機(jī)粉碎后秸稈長度一致。采用稱質(zhì)量法，將秸稈分段均勻平鋪于水槽中土壤表面，模擬覆蓋耕作的坡面。坡面降雨產(chǎn)流穩(wěn)定后，進(jìn)行坡面流流速的測(cè)量，此時(shí)秸稈已吸收大量水分并接近飽和。從降雨開始、產(chǎn)流穩(wěn)定到試驗(yàn)結(jié)束，一次降雨試驗(yàn)總用時(shí)9 min。

模擬降雨：試驗(yàn)采用下噴式模擬降雨器，該裝置由控制軟件、輸水管道系統(tǒng)、反饋式壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和降雨噴頭組成。試驗(yàn)過程中，降雨系統(tǒng)將水噴射至空中，水流在空中受到阻力，破碎為雨滴，降落到試驗(yàn)坡面，形成坡面徑流，試驗(yàn)所用水源為市政供水，降雨均勻度為85%，降雨高度為18 m，能夠保證所有的雨滴均達(dá)到最終速度，該降雨系統(tǒng)產(chǎn)生的雨滴直徑分布與天然降雨相似。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：黃土高原一些地區(qū)多年平均降雨量約為450 mm，60%以上集中在6—8月，以短歷時(shí)特大暴雨為主，最大雨強(qiáng)可達(dá)215 mm/h。試驗(yàn)設(shè)置雨強(qiáng)為160 mm/h。研究短歷時(shí)極端降雨條件下坡面流流速。已有研究表明，秸稈地表覆蓋度大于40%后，能有效控制農(nóng)田水土流失。試驗(yàn)設(shè)置秸稈覆蓋率分別為0（裸土坡面，對(duì)照）、2和8 t/hm（圖2）；其中，秸稈覆蓋率為8 t/hm時(shí)，地表覆蓋度為100%，而秸稈覆蓋率為2 t/hm時(shí)，50%～75%的地表被秸稈覆蓋。設(shè)置坡度分別為5°、10°和20°，測(cè)量不同試驗(yàn)條件下坡面流流速沿坡長的分布。試驗(yàn)平臺(tái)（圖1b）可控制坡面坡度變化，通過控制變量法，將3個(gè)不同坡度與3種不同秸稈覆蓋率組合，試驗(yàn)共9組，每組重復(fù)試驗(yàn)2次。

圖2 不同秸稈覆蓋率的坡面 Fig.2 Slope surface with different straw mulching rate

試驗(yàn)過程：試驗(yàn)前用硅酮密封膠填充試驗(yàn)平臺(tái)鋼板連接處孔隙，防止水由側(cè)面和底部流出，確保水流均由土槽的出口流出。采用流速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量電解質(zhì)在坡面流中的運(yùn)移過程。該系統(tǒng)由電解質(zhì)注入裝置、電導(dǎo)率感應(yīng)探針、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)四部分組成（圖1a）。其中，電解質(zhì)注入裝置由容積為250 mL的馬氏瓶和電磁閥兩部分組成，示蹤劑為KCl飽和溶液。電導(dǎo)率探針由長20 cm、直徑4 mm的6根不銹鋼針組成，針的間隔為3.5 cm。感應(yīng)探針通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器端口連接。測(cè)量控制軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，與數(shù)據(jù)采集器連接。感應(yīng)探針檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)。整個(gè)過程由測(cè)控軟件控制示蹤劑的釋放和坡面流電導(dǎo)率的測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)測(cè)控軟件完成數(shù)據(jù)下載與分析，計(jì)算坡面流流速。示蹤電解質(zhì)注入點(diǎn)距坡頂1.85 m，以確保留有足夠集水區(qū)域，在電解質(zhì)注入處有徑流產(chǎn)生。電導(dǎo)率探針分別安裝在距坡頂3、5、6和7 m處，探針穿過地表秸稈覆蓋層，插入土壤；后3個(gè)探針間隔1 m，用于測(cè)量穩(wěn)定流速的起始位置。由于探針直徑較小，其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和水流流動(dòng)的阻礙作用可以忽略。

1.3 流速與水力參數(shù)計(jì)算方法

為了使電解質(zhì)傳輸過程與脈沖輸入條件相符，需要對(duì)測(cè)量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

式中S為第個(gè)探針于時(shí)刻實(shí)測(cè)鹽分濃度，kg/m；C為第個(gè)探針在時(shí)刻歸一化鹽分濃度。

在一定濃度范圍內(nèi)，水流電解質(zhì)濃度與電導(dǎo)率成正比關(guān)系。坡面流中的電解質(zhì)運(yùn)移過程主要由對(duì)流和擴(kuò)散作用控制，沿坡面電解質(zhì)濃度分布的質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度可以代表水流平均流速。采用流速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定電解質(zhì)濃度的分布，計(jì)算其質(zhì)心通過各探針的時(shí)間，即可獲得坡面流的平均流速。電解質(zhì)質(zhì)心從注入點(diǎn)到各探針的運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算為

式中T為質(zhì)心由注入點(diǎn)至第個(gè)探針的移動(dòng)時(shí)間，s；T為測(cè)量時(shí)間，s。

以注入點(diǎn)=0為起始位置，4個(gè)探針沿坡長的位置分別為=1.15 m，=3.15 m，=4.15 m，=5.15 m。注入點(diǎn)到第一探針或相鄰兩探針之間的距離記為? ，則有

水流通過兩個(gè)相鄰探針的時(shí)間記為?T，0則有

測(cè)量中，降雨強(qiáng)度保持不變，試驗(yàn)坡面為規(guī)則矩形。裝填土壤入滲性能低且容重較高，可忽略試驗(yàn)過程中水分入滲。坡面不同位置的累計(jì)徑流量等于該位置以上降雨產(chǎn)生徑流的累計(jì)量。沿坡面徑流分布規(guī)律表示為

式中為單寬流量，m/s；為雨度，mm/h；為坡長m為坡度，（°）。

坡面流水深估算如下：

式中為水深，mm；為水流流速m/s。

雷諾系數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)分別采用式（8）～式（10）式計(jì)算。

式中為水的運(yùn)動(dòng)黏度，m/s；為水力半徑，m；為重力加速度，m/s；為坡度的正弦值，m/m。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面流電解質(zhì)運(yùn)移過程

試驗(yàn)測(cè)量的電解質(zhì)運(yùn)移過程如圖3所示。電解質(zhì)通過各探針位置的過程曲線是一條右偏的非對(duì)稱曲線。

由圖3可知，低秸稈覆蓋率（2 t/hm）條件下，電解質(zhì)運(yùn)移過程呈現(xiàn)為一條較光滑曲線。然而無秸稈覆蓋處理，電解質(zhì)運(yùn)移過程并不是一條光滑曲線。在秸稈覆蓋度為100%條件下，電解質(zhì)運(yùn)移過程的光滑程度介于無覆蓋處理和低秸稈覆蓋率之間。

圖3 降雨條件下坡面流電解質(zhì)運(yùn)移過程 Fig.3 Solute transport processes in overland flow under rainfall conditions

秸稈覆蓋率為2 t/hm時(shí)，部分地表被秸稈覆蓋，覆蓋的秸稈消弱了雨滴的打擊作用，降低了雨滴對(duì)坡面水流的擾動(dòng)。秸稈覆蓋率為8 t/hm時(shí)，秸稈完全覆蓋地表，并形成一定厚度的覆蓋層，在該工況下，雖然秸稈覆蓋減弱了雨滴對(duì)坡面流的打擊作用，但秸稈覆蓋層對(duì)通過的水流有擾動(dòng)作用。在坡面下游，降雨產(chǎn)流流量較大，秸稈覆蓋層對(duì)水流流態(tài)影響顯著。

此外，隨著溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)間的增加，彌散和擴(kuò)散過程的作用增強(qiáng)，電解質(zhì)溶液穿透探針的時(shí)間隨坡長的增加而增加。在秸稈覆蓋率和坡度一定情況下，電解質(zhì)濃度的峰值隨坡長的增加而降低。在極端降雨條件下，坡面流紊動(dòng)程度較大，電解質(zhì)運(yùn)移的前沿及峰值濃度通過探針的準(zhǔn)確時(shí)間難以確定，用質(zhì)心流速代表水流平均流速較為合理。

2.2 坡度與秸稈覆蓋率對(duì)坡面流流速的影響

坡度、秸稈覆蓋率和坡長對(duì)坡面流流速影響的方差分析如表1所示，秸稈覆蓋率、坡度和坡長，以及3個(gè)影響因素的交互作用均對(duì)坡面流平均流速有極顯著的影響（<0.01）。

表1 坡度、秸稈覆蓋率和坡長對(duì)坡面流平均流速影響的方差分析 Table 1 Variance analysis of effects of slope gradient, straw mulching rate and slope length on average overland flow velocity

坡面水流平均流速如表2所示，裸土坡面流速為0.071～0.352 m/s，覆蓋坡面流速為0.017～0.117 m/s。隨著坡度增加，坡面流流速呈增加的趨勢(shì)。覆蓋坡面的水流流速均小于裸土坡面。此外，隨著秸稈覆蓋率的增加，水流流速呈減小的趨勢(shì)或穩(wěn)定。坡面流流速沿坡長增大，但隨著坡長的增加，流速增加的速率變小，流速最終趨于穩(wěn)定。

Montenegro等在模擬降雨條件下用染色劑示蹤法，測(cè)量了秸稈覆蓋坡面水流流速，試驗(yàn)所用土槽長度為3 m，寬0.3 m，流速變化范圍為0.03～0.05 m/s。Montenegro等的研究中，未采用校正系數(shù)對(duì)流速進(jìn)行修正，其覆蓋坡面水流流速大于本研究中相同試驗(yàn)條件下的流速，但兩者仍屬于相同的數(shù)量級(jí)。此外，Liu等在長8 m，寬0.1 m土槽中，采用電解質(zhì)示蹤法測(cè)量了降雨條件下秸稈摻混坡面水流流速，流速變化范圍為0.06～0.17 m/s。本研究的流速大于Liu等試驗(yàn)中一般雨強(qiáng)條件下的流速，在相同降雨條件下的流速基本一致。在極端降雨條件下，雨水通過秸稈層能力強(qiáng)，坡面主要為超滲產(chǎn)流，降雨產(chǎn)生的徑流流量較大，下墊面對(duì)坡面流的阻礙作用減弱，坡面流流速增大?？梢?，在極端降雨條件下，用電解質(zhì)質(zhì)心流速表示水流平均流速是合理的。

表2表明，在裸坡上，隨坡度的增加，坡面流最大流速及到達(dá)最大流速的坡長均減小。然而，在秸稈覆蓋坡面上，隨坡度的增加，最大流速并沒有出現(xiàn)較大變化，到達(dá)最大流速的坡長隨坡度的增加而減小。

表2 極端降雨條件下秸稈覆蓋坡面流平均流速 Table 2 Mean velocities of overland flow with straw mulching under extreme rainfall conditions m·s-1

重力為坡面流的主要驅(qū)動(dòng)力，隨坡度的增加，坡面流流速增大。在裸坡上，隨著坡度增大，土壤侵蝕加劇，侵蝕下墊面粗糙度增加，流速隨著坡度增加的趨勢(shì)不顯著。然而，覆蓋坡面未發(fā)生明顯的細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象（圖 4），由土壤侵蝕引起的下墊面糙度變化不顯著。與裸土坡面比較，秸稈覆蓋坡面流流速隨坡度增大而增加的趨勢(shì)更為顯著。隨覆蓋量增加，土壤侵蝕進(jìn)一步減弱；覆蓋率8 t/hm時(shí)，流速隨坡度增加而增加的趨勢(shì)最顯著。此外，裸土坡面由于土壤侵蝕，到達(dá)最大流速的坡長隨坡度的增大而減小，而覆蓋坡面上沒有這一現(xiàn)象。

圖4 雨后下墊面狀況 Fig.4 Underlying surface condition after a rainfall event

秸稈覆蓋率為2 t/hm時(shí)，坡面未被秸稈完全覆蓋，有部分地表裸露（圖2），覆蓋的秸稈削弱了雨滴的打擊，降低了對(duì)坡面水流的擾動(dòng)。然而，秸稈覆蓋率為8 t/hm的處理，坡面被秸稈完全覆蓋，并形成一定厚度的覆蓋層，這種條件下，雖然秸稈覆蓋減弱了雨滴對(duì)坡面水流的打擊，但秸稈覆蓋層對(duì)通過的水流流態(tài)擾動(dòng)作用明顯。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈覆蓋一方面可以消弱雨滴動(dòng)能；另一方面，當(dāng)秸稈覆蓋達(dá)到一定數(shù)量形成覆蓋層時(shí)，則加劇了對(duì)坡面水流的擾動(dòng)作用。

由于覆蓋率為8 t/hm處理的坡面粗糙程度大于2 t/hm處理，坡面水流流速隨秸稈覆蓋率增加而減小。由坡長1.85～7 m的平均流速可知，5°時(shí)，坡面流流速隨秸稈覆蓋率增加而減小的趨勢(shì)最為顯著。秸稈覆蓋能消減雨滴動(dòng)能，增加地表粗糙度，覆蓋坡面水流流速小于未覆蓋坡面，這與Abbas等的研究結(jié)果一致。

秸稈覆蓋坡面靠近坡腳范圍內(nèi)，隨著水流流量增加，水深也相應(yīng)增加，覆蓋層對(duì)水流的擾動(dòng)作用加劇，水流的加速度減小，達(dá)到最大流速。與低秸稈覆蓋率處理相比，高秸稈覆蓋率的處理，秸稈在地表形成較為完整的覆蓋層，對(duì)坡面水流的擾動(dòng)作用更為強(qiáng)烈，水流流速達(dá)到穩(wěn)定所需的坡長更短。因此，受秸稈覆蓋的影響，坡面流達(dá)到最大流速的距離隨秸稈覆蓋率增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

覆蓋坡面與無覆蓋坡面的坡面流流速回歸分析表明，兩者之間存在顯著的線性關(guān)系（圖5）。相同工況下秸稈覆蓋坡面流速為裸土坡面0.285倍。

圖5 秸稈覆蓋坡面與裸土坡面水流流速對(duì)比 Fig.5 Flow velocities under straw mulching against those over bare slopes

2.3 坡面流水力參數(shù)

坡面產(chǎn)流穩(wěn)定后，坡面流流量和流速穩(wěn)定，且不再隨時(shí)間變化，由坡面流單寬流量和流速可估算水深。裸土坡面水深變化范圍為0.8～1.4 mm，而覆蓋坡面水深在2.0～5.1 mm之間。與裸土坡面相比，秸稈覆蓋阻礙坡面水流流動(dòng)，降低了流速并壅高水位。在坡面下游段，隨著匯水面積增加，秸稈覆蓋層對(duì)水流的擾動(dòng)作用也隨之加強(qiáng)。

由式（8）～（10）計(jì)算雷諾系數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr）和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)（），結(jié)果如表3所示。所有試驗(yàn)條件下，Re<500；裸坡坡面流的Fr在坡長小于3 m時(shí)內(nèi)均小于1.0，其他位置均大于1.0；然而，覆蓋坡面水流的Fr<1.0。

表3 雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)沿坡長分布 Table 3 Distribution of Reynolds number, Froude number and Darcy-Weisbach resistance coefficient along slope length

由于坡面流水深較小，其水力半徑在數(shù)值上可近似為水深。計(jì)算雷諾系數(shù)時(shí)，流速與水深之積近似不變。因此，隨著坡長增加，水流單寬流量增加，雷諾數(shù)也隨之增加。除此之外，雷諾數(shù)主要與降雨強(qiáng)度有關(guān)，受坡度的影響較小，這與Shen等的研究結(jié)果一致。在本文中，雖然覆蓋坡面流的雷諾數(shù)均小于500，但受秸稈覆蓋層的影響，坡面流并不完全屬于層流，覆蓋坡面流判別為層流的臨界雷諾數(shù)取值小于500比較適宜。

可用于表征侵蝕下墊面的粗糙程度，由表3可知，秸稈覆蓋坡面的值大于裸坡，且有的高覆蓋率坡面略大于低覆蓋率坡面。這表明，隨秸稈覆蓋率的增加，地表的粗糙程度也相應(yīng)增加。高秸稈覆蓋坡面下游段，隨著坡長的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這與流速的空間分布規(guī)律一致，即覆蓋層對(duì)水流的阻礙作用更加劇烈。

3 結(jié) 論

通過模擬極端降雨，設(shè)置不同秸稈覆蓋率、坡度和坡長，研究極端降雨條件下秸稈覆蓋對(duì)坡面流流速分布的影響。結(jié)果表明：

1）電解質(zhì)質(zhì)心示蹤法適用于極端降雨條件下測(cè)量秸稈覆蓋坡面流平均流速。

2）秸稈覆蓋可消弱雨滴對(duì)坡面流的擾動(dòng)，增加侵蝕下墊面糙度；秸稈覆蓋坡面流流速小于裸坡面，且流速隨覆蓋率的增大而減小。當(dāng)秸稈覆蓋率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，流速隨坡長的增加速率減小，高秸稈覆蓋率坡面流達(dá)到最大流速的坡長小于低秸稈覆蓋坡面。

3）相比裸坡，覆蓋坡面流速隨坡度增加的趨勢(shì)更為顯著。覆蓋與裸土坡面平均流速顯著線性相關(guān)，比例系數(shù)為0.285。

4）秸稈覆蓋能增加坡面流水深；受秸稈覆蓋層的影響，坡面流流態(tài)的臨界雷諾數(shù)值不同于裸土坡面，層流的臨界雷諾數(shù)取值應(yīng)小于500。秸稈覆蓋坡面的達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)大于裸土坡面，且隨著覆蓋量增加，達(dá)西-韋斯巴赫阻力系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

極端降雨條件下，坡面流流速是水土保持研究中的重要參數(shù)，本文的研究結(jié)果可為坡耕地秸稈覆蓋坡面的土壤侵蝕預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因測(cè)量方法制約，研究中不能確定坡面流沿垂直流速方向的速度分布。需進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量手段，精確地測(cè)量覆蓋層與地表之間及覆蓋層內(nèi)的水流流速分布，為研究秸稈覆蓋坡面水文過程提供依據(jù)。