小麥秸稈覆蓋量對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性影響

李 桂，曹文華，馬建業(yè)，馬 波,2※，王陽修，王秋月

小麥秸稈覆蓋量對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性影響

李 桂1，曹文華3，馬建業(yè)1，馬 波1,2※，王陽修1，王秋月4

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 水利部水土保持監(jiān)測中心，北京 100053；4. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所，重慶 402160）

為系統(tǒng)研究小麥秸稈覆蓋量對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，采用室內(nèi)定床模擬試驗(yàn)，探究在不同流量（3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 L/min）和坡度（3°、5°、10°、15°）下，坡面流水動(dòng)力參數(shù)隨秸稈覆蓋量（0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2）的變化特征。結(jié)果表明：1）秸稈覆蓋顯著影響坡面流流型，在不同流量和坡度下，無秸稈覆蓋時(shí)坡面流型均為急流，而在秸稈覆蓋條件下，坡面流型均變?yōu)榫徚?。?dāng)流量≤7.5 L/min時(shí)，流態(tài)均為層流，當(dāng)流量＞7.5 L/min時(shí)，流態(tài)均為過渡流。2）隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面流流速分別較裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。3）不同覆蓋量下，坡面流流態(tài)指數(shù)隨坡度的變化規(guī)律不一致。覆蓋量≤2.5 t/hm2時(shí)，隨坡度的增加，流態(tài)指數(shù)呈先增后減的變化趨勢，覆蓋量＞2.5 t/hm2時(shí)，流態(tài)指數(shù)隨坡度的增加而逐漸減小。4）不同覆蓋量下，坡面流阻力系數(shù)隨坡度的變化規(guī)律不一致。秸稈覆蓋坡面阻力系數(shù)是裸坡的9.36～19.68倍。低覆蓋量下（≤2.5t/hm2）阻力系數(shù)在10°坡度達(dá)最大值，高覆蓋量下（≥3.5 t/hm2），阻力系數(shù)整體上隨坡度的增加而增加。該研究可為不同秸稈覆蓋量下坡面水蝕過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

土壤；侵蝕；水動(dòng)力參數(shù)；坡面流；秸稈覆蓋量；定床試驗(yàn)；黃土高原坡耕地

0 引 言

土壤侵蝕是嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，可導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降、土壤沙漠化和石漠化、淤塞河道、抬高下游河床等諸多生態(tài)問題。中國的坡耕地土壤侵蝕問題不容忽視，根據(jù)《2021年中國水土保持公報(bào)》（水利部），中國共有水土流失面積267.42萬km2，其中坡耕地水土流失面積為5.73萬hm2。坡耕地作為水土流失多發(fā)地，土地生產(chǎn)力受到嚴(yán)重威脅[1]。秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作的重要措施之一，不僅能夠增加地表粗糙度，減小徑流流速和產(chǎn)流產(chǎn)沙量[2-3]，增加土壤水分入滲[4]，還能夠改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)累積[5]，對(duì)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。坡面流是指降雨或融雪在扣除土壤入滲、地表填洼及植被截留等損失后，在重力作用下沿坡面流動(dòng)的淺層水流，是地表徑流的初始階段[6]，是坡面土壤侵蝕及產(chǎn)沙的初始動(dòng)力因素[7]。坡面流水動(dòng)力學(xué)特性主要包括流態(tài)流型及阻力，可直觀反映坡面土壤的侵蝕過程[8]，為坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型提供依據(jù)，其主要受下墊面條件、雨強(qiáng)、流量、坡度坡長等因素影響。

目前，諸多學(xué)者在研究裸坡[9-12]水動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同植被分布格局及覆蓋物類型[13-18]條件下坡面流的水動(dòng)力學(xué)特征變化規(guī)律進(jìn)行研究，已取得了較為豐富的研究成果。在坡面薄層徑流水動(dòng)力學(xué)特性研究方面，有學(xué)者認(rèn)為在雨滴打擊的作用下，盡管坡面薄層水流雷諾數(shù)屬于層流范疇，但無法忽略雨滴對(duì)徑流的擾動(dòng)作用，故將這種流態(tài)命名為“攪動(dòng)層流”[9]、“偽層流”[10]；張寬地等[11]觀察到坡面薄層水流的滾波現(xiàn)象，并根據(jù)坡面薄層水流是否產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象將流態(tài)分為層流失穩(wěn)區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū)3個(gè)流區(qū)?？梢姡旅姹訌搅鞒司邆鋵恿魈卣魍?，還會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)、滾波等紊流特性，這有別于傳統(tǒng)的層流特征。目前，顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力是明渠水流中較為公認(rèn)的阻力形式，影響坡面薄層徑流阻力的因素有很多，例如，黏性底層厚度、徑流總能量[12]以及地表粗糙單元的淹沒程度[13]都能夠影響坡面流阻力系數(shù)的變化。

草被的類型和空間分布格局影響著坡面流流態(tài)和流型[14-15]，在草被覆蓋坡面，植被阻力是主要阻力的形式，屬于形態(tài)阻力的范疇[19]。李兆松等[20]研究表明枯落物直徑是影響坡面流流速和阻力系數(shù)的主要因子，周濤等[21]研究表明植被措施可以增加工程堆積體坡面徑流阻力系數(shù)，草被密度并不是越大阻水效果越好，研究表明存在一個(gè)最優(yōu)植被密度使得阻水作用最佳[22]。李朝棟等[23]研究發(fā)現(xiàn)長秸稈比短秸稈具有更好的“增阻”效應(yīng)。Darcy-Weisbach阻力系數(shù)表征了下墊面對(duì)坡面流的阻力作用大小，阻力作用越大，徑流克服阻力所消耗的能量就越多，用于輸移泥沙的能量就越少，而雷諾數(shù)是判別液流流動(dòng)形態(tài)的通用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，諸多學(xué)者就阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系展開了研究，研究結(jié)果不盡相同，例如，張冠華等[24]研究發(fā)現(xiàn)裸坡、植被坡面以及根系作用坡面的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)均成冪函數(shù)關(guān)系，而王靜雯[25]研究發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系與草被覆蓋度有關(guān)，覆蓋度的高低影響著形態(tài)阻力在水流總阻力中的占比?？梢姡荼活愋?、蓋度及分布格局均影響著坡面流水動(dòng)力學(xué)特性。

但是目前關(guān)于秸稈覆蓋條件下坡面流的水動(dòng)力學(xué)特性研究較少，而秸稈覆蓋作為黃土高原坡耕地常見的水土保持措施之一，對(duì)其覆蓋下的坡面流水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，對(duì)于土壤侵蝕的防治及秸稈的合理化施用都具有一定的指導(dǎo)意義?；诖?，為了排除床面微地形變化、下墊面水沙交換等因素的影響，只考慮秸稈覆蓋對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，本試驗(yàn)采用室內(nèi)人工模擬徑流沖刷定床阻力坡面，在不同流量（3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 L/min）和坡度（3°、5°、10°、15°）下，對(duì)坡面流水動(dòng)力參數(shù)隨秸稈覆蓋量（0、1.5、2.5、3.5、4.5t/hm2）的變化特征進(jìn)行探究，以期為秸稈覆蓋條件下黃土高原坡耕地水土流失防治應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治工程實(shí)驗(yàn)室開展（34°14′N～34°20′N、107°59′E～108°08′E），試驗(yàn)選擇人工模擬徑流沖刷法。試驗(yàn)用小麥秸稈為當(dāng)年5月人工收割并自然曬干，通過調(diào)查當(dāng)?shù)剞r(nóng)田秸稈覆蓋長度，以及查閱相關(guān)資料[26-27]，將秸稈裁剪為8～10 cm長度。秸稈覆蓋量根據(jù)當(dāng)?shù)亟斩掃€田典型覆蓋量并適當(dāng)分級(jí)為0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2[28]，所覆蓋秸稈按剛性覆蓋考慮。本試驗(yàn)采用定床阻力坡面進(jìn)行，定床的坡面流水深和流速不會(huì)受下墊面的影響，坡面糙率沿程不變，因此在研究中可忽略床面微地形變化、下墊面水沙交換等因素對(duì)水流紊動(dòng)的影響，只需考慮秸稈覆蓋對(duì)坡面流水力學(xué)參數(shù)的影響。試驗(yàn)坡度依據(jù)臨界坡度分級(jí)法[29]設(shè)計(jì)為3°、5°、10°和15°；試驗(yàn)設(shè)計(jì)放水流量根據(jù)黃土高原地區(qū)侵蝕性降雨范圍[30]以及秸稈抵抗徑流沖刷產(chǎn)生空間位移的承受能力，并盡可能使水流達(dá)到薄層流，將放水流量設(shè)計(jì)為3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 L/min。在不同坡度和流量下分別對(duì)不同覆蓋量條件下的坡面進(jìn)行人工模擬徑流沖刷試驗(yàn)，重復(fù)測量3次，共計(jì)300個(gè)處理。

人工模擬徑流沖刷試驗(yàn)裝置由供水裝置、流量計(jì)、穩(wěn)流槽、沖刷槽和集流槽等部分組成（圖1）。沖刷槽為可調(diào)坡度式鋼制沖刷槽，試驗(yàn)沖刷槽結(jié)構(gòu)尺寸為200 cm（長）×30cm（寬）×30 cm（深），沖刷槽坡度可以在試驗(yàn)需求范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。試驗(yàn)采用定床阻力坡面進(jìn)行，需對(duì)坡面進(jìn)行固化處理，采用楊凌本地土壤塿土，對(duì)土壤進(jìn)行風(fēng)干處理后過5 mm篩，沖刷槽填土采用分層填裝的方式，控制土壤容重在1.3 g/cm3左右，填土深度25 cm，分5層填裝，填土過程中沖刷槽始終處于0°放置。填土完成后為消除模擬填土的松散狀況，將沖刷槽置于20 mm/h雨強(qiáng)的降雨條件下1 h左右，使土壤自然下沉、壓實(shí)，后將下沉部分補(bǔ)填至水平。待床面自然風(fēng)干后，對(duì)床面均勻的噴灑清漆使床面固化。將直徑2～5 mm的土壤顆粒均勻的撒在固化后的床面上，再次噴灑清漆，至土壤顆粒完全被包裹并粘于床面，形成穩(wěn)定糙率。試驗(yàn)開始前，將裁剪好的待用秸稈充分浸水12 h并控干水分，人工撒布于床面上，使其均勻分布且保持隨機(jī)交錯(cuò)的自然狀態(tài)和位置。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)沿沖刷水槽自上而下設(shè)置3個(gè)觀測斷面，分別設(shè)于距水槽頂部70、130和190 cm處。每個(gè)觀測斷面橫向設(shè)置左、中、右3個(gè)觀測點(diǎn)，所有觀測點(diǎn)均觀測流速（KMnO4染色示蹤法）。試驗(yàn)開始前，在流量計(jì)控制的前提下采用稱重法對(duì)放水流量進(jìn)行多次率定，以確保實(shí)際流量的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過程中用水銀溫度計(jì)（分度值0.1 ℃）對(duì)水溫（穩(wěn)流槽）進(jìn)行測定。沖刷過程如圖2所示。

圖2 沖刷過程圖

1.2 水力參數(shù)計(jì)算

1）流速（）：流速采用沖刷槽3個(gè)斷面多次觀測的表面流速，因KMnO4染色示蹤法測得流速為表面優(yōu)勢流的流速，故以下計(jì)算式中流速（）為實(shí)測流速v取平均值后乘以修正系數(shù)0.75所得[31]：

0.75 v（1）

2）水深（）：由于放水流量相對(duì)較小，水深較淺，若直接測量誤差較大，可用式（2）表示水深：

=/（2）

式中為水深，m；為單寬流量，L/(m×s)；為斷面平均流速，m/s。

3）水流雷諾數(shù)（）：雷諾數(shù)反映了坡面薄層徑流的紊動(dòng)程度，是水流慣性力與黏滯力的比值，用于判別坡面流流態(tài)。根據(jù)明渠水流基本理論，當(dāng)<500時(shí)，水流為層流；當(dāng)500≤≤2000時(shí)，水流為過渡流；當(dāng)>2 000時(shí)，水流為紊流[32]。

=·/（3）

式中為水力半徑，m，其取值可近似等于水深，m；為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s，采用泊謖葉公式計(jì)算：

=0.017 75/(1+0.033 7+0.000 2212) （4）

式中為水溫，℃。

4）水流佛汝德數(shù)（）：佛汝德數(shù)用于判別水流流型，表示為水流慣性力與重力德比值。當(dāng)<1時(shí)，水流為緩流；當(dāng)=1時(shí)，水流為臨界流；當(dāng)>1時(shí)，水流為急流。明渠水流的佛汝得數(shù)計(jì)算式為：

=/(·)0.5（5）

式中為重力加速度，取9.81 m/s2。

5）流態(tài)指數(shù)（）：流態(tài)指數(shù)反映了單寬流量對(duì)坡面流流速的影響程度，即水流耗能的主要形式，用式（6）表示流態(tài)指數(shù)[33]。

=·1-m·J（6）

式中為水力坡度，其值為坡度的正弦值，即=sin，為沖刷槽坡度。，，為回歸系數(shù)。指數(shù)1?越小，即越大，說明單寬流量對(duì)平均流速的影響越小，阻力做功成為能量消耗的主要形式。指數(shù)1?越大，即越小，說明能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能越多。

6）薄層水流阻力系數(shù)（）：本試驗(yàn)采用Darcy-Weisbach公式進(jìn)行計(jì)算：

=8··/2（7）

式中為Darcy-Weisbach阻力系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋下坡面流流型及流態(tài)

雷諾數(shù)（）和佛汝德數(shù)（）是表征坡面薄層徑流水動(dòng)力特征的基本參數(shù)。結(jié)合陳椿庭[34]的六區(qū)流態(tài)理論，將水流分為緩層流區(qū)、急層流區(qū)、緩過渡流區(qū)、急過渡流區(qū)、緩紊流區(qū)和急紊流區(qū)6個(gè)區(qū)（表1）。

表1 流型流態(tài)分區(qū)表

注：為雷諾數(shù)；為佛汝德數(shù)。

Note:is Reynolds number;is Froude number.

水流的流型流態(tài)見圖3。在不同的坡度及秸稈覆蓋量條件下，秸稈覆蓋坡面雷諾數(shù)的變化范圍為163～575，水流的流態(tài)主要分布在<1的緩層流和緩過渡流區(qū)，均未達(dá)到紊流區(qū)。當(dāng)坡面無秸稈覆蓋時(shí)，水流流態(tài)主要為急層流和急過渡流，且隨著秸稈覆蓋量的增加，水流流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫弻恿骱途忂^渡流。如圖4所示，當(dāng)流量≤7.5 L/min時(shí)，不同秸稈覆蓋量及裸坡坡面的流態(tài)均為層流，當(dāng)流量＞7.5 L/min時(shí)，流態(tài)均為過渡流。

Ⅰ.急層流區(qū) Ⅱ.急過渡流區(qū) Ⅲ.急紊流區(qū) Ⅳ.緩層流區(qū) Ⅴ.緩過渡流區(qū) Ⅵ.緩紊流區(qū)

圖4 不同流量下雷諾數(shù)隨秸稈覆蓋量的變化

在坡度和覆蓋量一定的條件下，雷諾數(shù)隨流量的增加而顯著增加（<0.05）。在同一坡度下，裸坡與秸稈覆蓋坡面之間的雷諾數(shù)對(duì)比關(guān)系與流量的大小有關(guān)，具體表現(xiàn)為，當(dāng)流量為3 L/min時(shí)，在同一坡度下，秸稈覆蓋坡面雷諾數(shù)均大于裸坡，隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面流雷諾數(shù)分別較裸坡增加了26.88%、23.92%、24.16%、27.33%（<0.05），說明秸稈的存在增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)程度。而當(dāng)流量>3.0 L/min時(shí)，在各個(gè)坡度下，秸稈覆蓋坡面的雷諾數(shù)均較裸坡低，減小幅度在0.46%～6.61%之間，相較于裸坡，秸稈覆蓋處理減小了坡面流的紊動(dòng)程度，其中雷諾數(shù)最大降幅對(duì)應(yīng)的流量為7.5 L/min，秸稈覆蓋量為3.5 t/hm2。在同一流量和坡度下，裸坡與秸稈覆蓋坡面的雷諾數(shù)具有顯著差異，而隨著秸稈覆蓋量和坡度的增加，雷諾數(shù)的變化規(guī)律不明顯。

在同一坡度和流量下，有秸稈覆蓋的坡面與裸坡之間的佛汝德數(shù)差異顯著，隨著秸稈覆蓋量的增加，佛汝德數(shù)分別較裸坡平均減少了62.64%、68.82%、72.54%、75.03%，其中佛汝德數(shù)最大降幅對(duì)應(yīng)的流量為7.5 L/min，秸稈覆蓋量為4.5 t/hm2。覆蓋量和流量相同時(shí)，隨著坡度的增加，佛汝德數(shù)顯著增加（<0.05）。

2.2 秸稈覆蓋下坡面流流速與流態(tài)指數(shù)

不同秸稈覆蓋量坡面的流速與坡度及單寬流量的關(guān)系如圖5所示，隨著流量和坡度的增加，裸坡和秸稈覆蓋坡面的斷面平均流速均逐漸增大，且裸坡的增加幅度更大。由于秸稈覆蓋的作用，秸稈覆蓋坡面流的流速均小于裸坡，且秸稈覆蓋坡面流速的增幅逐漸減小。試驗(yàn)工況下，裸坡坡面水流平均流速的變化范圍為0.107～0.400 m/s，秸稈覆蓋坡面水流平均流速變化范圍為0.052～0.158 m/s，總體來看，隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面流流速分別較裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。同一流量和坡度下，秸稈覆蓋坡面和裸坡坡面的流速差異顯著, 隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面流流速整體上呈減小趨勢。方差分析結(jié)果表明，隨坡度的增加，坡面流流速顯著增加（<0.05），流量對(duì)流速有顯著影響。

圖5 不同秸稈覆蓋量條件下坡面流流速

由表2可以看出，坡度一定時(shí)，覆蓋量由0增加至4.5 t/hm2時(shí)，流態(tài)指數(shù)整體呈波動(dòng)增加的趨勢。在裸坡和低秸稈覆蓋（≤2.5 t/hm2）條件下的坡面，坡面流受到秸稈的阻力作用相對(duì)較小，單寬流量對(duì)流速的影響更大，水流能量主要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的增加，故流態(tài)指數(shù)較小。隨著覆蓋量增加，坡面流與秸稈發(fā)生碰撞摩擦的幾率增加，床面的阻力增加，坡面流克服秸稈阻力做功逐漸成為能量消耗的主要形式，而動(dòng)能增加成為能量轉(zhuǎn)化的次要形式，故流態(tài)指數(shù)較大。

覆蓋量≤2.5 t/hm2時(shí)，隨著坡度的增加，流態(tài)指數(shù)呈先增后減的變化趨勢，在坡度為5°時(shí)流態(tài)指數(shù)均達(dá)到最大值，在坡度≤5°時(shí)，秸稈覆蓋層對(duì)坡面流的拖曳力隨坡度增加而增加，阻力做功占據(jù)能量消耗的比重大于動(dòng)能增加的占比。當(dāng)坡度＞5°時(shí)，單寬流量對(duì)平均流速的影響逐漸凸顯出來，流速增加成為能量轉(zhuǎn)化的主要形式。覆蓋量＞2.5 t/hm2時(shí)，流態(tài)指數(shù)隨坡度的增加而逐漸減小，說明覆蓋量較大時(shí)，隨坡度的增加，單寬流量對(duì)流速的影響逐漸增加。由以上分析可以看出，坡面流流態(tài)指數(shù)的大小與坡度有關(guān)，但其變化規(guī)律受秸稈覆蓋量的影響。

本試驗(yàn)中裸坡流態(tài)指數(shù)范圍為0.086至0.178，秸稈覆蓋坡面流態(tài)指數(shù)變化范圍為0.247至0.766。按照明渠水力學(xué)中的判斷標(biāo)準(zhǔn)，層流區(qū)流態(tài)指數(shù)=1/3，紊流區(qū)流態(tài)指數(shù)=3/5[35]，則本試驗(yàn)工況下裸坡坡面以及15°的秸稈覆蓋坡面流屬于層流區(qū)，小于15°的秸稈覆蓋坡面流以過渡流區(qū)為主。

表2 不同水力坡度下流態(tài)指數(shù)

2.3 秸稈覆蓋下坡面水流的阻力特征

床面的阻力形式主要包括顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力，本研究采用Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（）來表征不同試驗(yàn)組坡面水流受到的阻力大小，并繪制了不同秸稈覆蓋量下坡面流阻力系數(shù)（）與雷諾數(shù)（）及佛汝得數(shù)（）之間的關(guān)系圖。

如表3所示，方差分析結(jié)果表明，流量、覆蓋量和坡度均能夠顯著影響坡面流的阻力系數(shù)。圖6顯示了不同覆蓋量條件下，雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出，在裸坡和覆蓋量為1.5 t/hm2時(shí)，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系（表4），當(dāng)秸稈覆蓋量>1.5 t/hm2時(shí)，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系不顯著，隨著覆蓋量的增加，兩者關(guān)系式的決定系數(shù)逐漸降低?？傮w來看，隨著雷諾數(shù)的增加，裸坡條件下坡面流阻力系數(shù)呈逐漸降低的趨勢，秸稈覆蓋條件下坡面流阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大呈波動(dòng)增大的趨勢，在試驗(yàn)設(shè)定工況下，裸坡的阻力系數(shù)變化范圍為0.14～1.47，隨著秸稈覆蓋量的增加，阻力系數(shù)變化范圍分別為1.21～3.48、1.83～5.69、2.39～6.36、2.98～8.50，分別較裸坡增加了8.36%、12.02%、15.69%、18.68%，秸稈覆蓋坡面阻力系數(shù)是裸坡的9.36～19.68倍，可見，阻力系數(shù)隨覆蓋量的增大而顯著增大，秸稈覆蓋措施對(duì)坡面水流起到了顯著的增阻作用，秸稈覆蓋量越大，單位面積內(nèi)秸稈數(shù)量越多，增阻作用越強(qiáng)。

表3 坡面流阻力系數(shù)方差分析

表4 不同秸稈覆蓋量下雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f的關(guān)系

此外，當(dāng)秸稈覆蓋量≤2.5 t/hm2時(shí)，10°坡度的阻力系數(shù)整體上均大于其他坡度條件下的阻力系數(shù)，這與張寬地[35]得出的坡度越大，增阻效果越明顯這一結(jié)果有所不同。分析其原因可能是張寬地的試驗(yàn)采用不同粒徑的沙粒貼于床底來表征不同粗糙度，其床面形態(tài)不隨流量和坡度的變化而變化，而本試驗(yàn)采用不同秸稈覆蓋量來表征不同粗糙度，由于15°坡度較大，秸稈與坡面之間的摩擦力較小，覆蓋量≤2.5 t/hm2時(shí)，秸稈覆蓋量較低，其交錯(cuò)縱橫形成的結(jié)構(gòu)較簡單，秸稈容易被徑流沖刷發(fā)生位移和轉(zhuǎn)向，從而對(duì)坡面流起到導(dǎo)流作用，增阻作用相對(duì)被削弱，因此，15°坡度的阻力系數(shù)反而較小，而3°、5°緩坡條件下坡面流流速相對(duì)較小，徑流的能量相對(duì)較低，秸稈不易發(fā)生空間上的位移，因此低秸稈覆蓋條件下阻力系數(shù)在10°坡度達(dá)最大值，而高秸稈覆蓋條件下（≥3.5 t/hm2），阻力系數(shù)整體上隨坡度的增加而增加。

圖6 不同秸稈覆蓋量Darcy-Weisbach阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

根據(jù)計(jì)算式（5）、（7）可以推導(dǎo)出阻力系數(shù)與佛汝得數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系：8-2，即坡度相同時(shí),坡面流阻力系數(shù)隨佛汝得數(shù)的增加而減小，且阻力系數(shù)與水力坡度呈正比關(guān)系。圖7給出了不同秸稈覆蓋量條件下佛汝得數(shù)與阻力系數(shù)之間的關(guān)系，可以看出，秸稈覆蓋量越大，則佛汝得數(shù)越小，阻力系數(shù)越大。且秸稈覆蓋條件下，坡面流佛汝得數(shù)基本上小于1，屬于緩流。本試驗(yàn)工況下，阻力系數(shù)和佛汝得數(shù)之間的關(guān)系式如下：=1.1891-1.543，2=0.8。

圖7 不同秸稈覆蓋量Darcy-Weisbach阻力系數(shù)與佛汝得數(shù)的關(guān)系

Fig.7 Relationship between Darcy-Weisbach resistance coefficient andwith different straw coverage

3 討 論

本試驗(yàn)中，秸稈覆蓋坡面的水流流態(tài)均為層緩流，且秸稈覆蓋量越大，坡面流流態(tài)越傾向于層緩流區(qū)，這與蔣利斌等[36]研究得到結(jié)果類似。隨著流量的增加，雷諾數(shù)顯著增大，水流流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡緩流，均未達(dá)到紊流態(tài)。裸坡與秸稈覆蓋坡面之間的雷諾數(shù)對(duì)比關(guān)系受流量大小的影響，同一坡度下，當(dāng)流量為3 L/min時(shí)，秸稈覆蓋條件下的坡面流雷諾數(shù)較裸坡大，坡面流的紊動(dòng)程度增加，而當(dāng)流量>3 L/min時(shí)，秸稈覆蓋條件下的坡面流雷諾數(shù)較裸坡小，坡面流的紊動(dòng)性較裸坡低，分析其原因可能是，秸稈覆蓋層在抬高水深的同時(shí)，也有減緩流速的作用，在流量較低時(shí)，秸稈覆蓋坡面的流速和水深均較小，徑流在地表與秸稈層之間流動(dòng)，秸稈的存在對(duì)水深的抬升作用更明顯，ZHAO等[37]認(rèn)為植被覆蓋坡面雷諾數(shù)較裸坡高的原因是植被的莖可以減小有效流寬，從而增大單寬流量，造成徑流的紊動(dòng)性增加，因此秸稈覆蓋層的雷諾數(shù)較裸坡大；隨著流量增大，水深進(jìn)一步增加，秸稈阻水面積增加，水流受到的阻滯作用變大，在同一坡度下，與裸坡相比，秸稈對(duì)水深的抬升作用開始減弱，而對(duì)流速的降低作用開始凸顯，從而使徑流的紊動(dòng)性降低，因此秸稈覆蓋層的雷諾數(shù)較裸坡小。

水流流速受秸稈覆蓋量、流量和坡度的共同影響，在同一流量和坡度下，隨著秸稈覆蓋量的增加，流速整體上呈減小趨勢。這是因?yàn)榻斩拰觾?nèi)部縱橫交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)增加了植被阻力，水流流經(jīng)秸稈時(shí)在其前后形成壅浪和尾渦，流速方向發(fā)生改變，流速減小。隨著流量的增加，流速逐漸增加，隨著坡度的增加，流速逐漸增大。由于本試驗(yàn)采用定床阻力坡面，徑流不會(huì)滲入下墊面，流量不變時(shí)，流速的減小必然會(huì)導(dǎo)致水深的增加。

試驗(yàn)中裸坡阻力系數(shù)變化范圍為0.14～1.47，秸稈覆蓋坡面阻力系數(shù)變化范圍為1.21～8.50，秸稈覆蓋坡面的阻力系數(shù)均高于裸坡。在裸坡條件下，僅有顆粒阻力對(duì)坡面流產(chǎn)生阻滯作用，隨著雷諾數(shù)的增大，水深逐漸增大，下墊面粗糙顆粒對(duì)水流的阻滯作用逐漸減小，阻力系數(shù)逐漸減小，當(dāng)水深完全淹沒下墊面粗糙顆粒時(shí)，阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定，這與前人的研究結(jié)果一致[38]。在本研究中，裸坡和秸稈覆蓋量為1.5 t/hm2時(shí)，坡面流阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著秸稈覆蓋量的增加，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的冪函數(shù)關(guān)系不再顯著，這可能是因?yàn)楫?dāng)顆粒阻力占據(jù)主導(dǎo)作用時(shí)，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系才成立[39]，在秸稈覆蓋坡面，顆粒阻力和形態(tài)阻力共同作用于坡面流，隨著覆蓋量的增加，阻力系數(shù)顯著增加。究其原因，一方面，秸稈覆蓋與植被覆蓋情況類似，秸稈的存在增加了形態(tài)阻力，形態(tài)阻力成為秸稈覆蓋坡面阻力的主要形式[19,37]；另一方面，形態(tài)阻力和顆粒阻力在秸稈周圍相互影響，會(huì)產(chǎn)生附加阻力[13,40]，隨著覆蓋量的增加，兩者相互影響的區(qū)域面積增加，徑流沿程阻力增大。在本試驗(yàn)條件下，秸稈覆蓋坡面阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，同一秸稈覆蓋量下，隨著雷諾數(shù)的增加，徑流水深相對(duì)增加，水流與秸稈相互摩擦、碰撞的幾率變大，形態(tài)阻力與附加阻力隨之增加，這與楊帆等[41]的研究結(jié)果類似。

4 結(jié) 論

1）與裸坡相比，秸稈覆蓋顯著影響坡面流流型，當(dāng)流量≤7.5 L/min時(shí)，秸稈覆蓋坡面及裸坡坡面的流態(tài)均為層流，當(dāng)流量＞7.5 L/min時(shí)，流態(tài)均為過渡流。

2）同一流量和坡度下，裸坡和秸稈覆蓋坡面之間的流速差異顯著。隨著秸稈覆蓋量的增大，坡面流流速有減小的趨勢。

3）坡度能夠顯著影響坡面流流態(tài)指數(shù)的大小。且在不同秸稈覆蓋量下，流態(tài)指數(shù)隨坡度的變化規(guī)律不同。覆蓋量≤2.5 t/hm2時(shí)，隨坡度的增加，流態(tài)指數(shù)呈先增后減的變化趨勢，覆蓋量＞2.5 t/hm2時(shí)，流態(tài)指數(shù)隨坡度的增加而逐漸減小。

4）裸坡條件下阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，秸稈覆蓋條件下阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。裸坡和秸稈覆蓋量為1.5 t/hm2時(shí)，Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。低秸稈覆蓋條件下（≤2.5 t/hm2）阻力系數(shù)在10°坡度達(dá)最大值，而高秸稈覆蓋條件下（≥3.5 t/hm2），阻力系數(shù)整體上隨坡度的增加而增加。阻力系數(shù)與佛汝得數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系。

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Effect of wheat straw mulch on slope hydrodynamic characteristics

LI Gui1, CAO Wenhua3, MA Jianye1, MA Bo1,2※, WANG Yangxiu1, WANG Qiuyue4

(1.,,712100,; 2.,712100,; 3.,100053,; 4.,,402160,)

Straw mulching has been one of the important measures of conservation tillage, particularly for the soil and water conservation. This study aims to systematically investigate the effect of straw coverage on the hydrodynamic characteristics of overland flow. A series of the indoor fixed-bed simulation experiments were carried in the Soil and Water Conservation Engineering Laboratory in Northwest A&F University, located in the southern Loess Plateau, Shaanxi Province, China (34°14′N-34°20′N, 107°59′E-108°08′E). The experimental conditions of five flow rates (3.0, 4.5, 6.0, 7.5, and 9.0 L/min), and four slope gradients (3°, 5°, 10°, and 15°). An analysis was made to determine the variations in the hydrodynamic parameters of bare slope and different straw cover (0, 1.5, 2.5, 3.5, and 4.5 t/hm2). Hydrodynamic parameters included the flow velocity, Reynolds number, Froude number, and Darcy-Weisbach resistance coefficient. The systematic investigation was also implemented to clarify the effects of straw mulch on the flow pattern, flow regime, and resistance characteristics of overland flow. The results showed that: 1) Straw mulching affects the flow pattern and flow regime of overland flow. Specifically, the flow pattern of overland flow was the rapid flow without straw coverage under different flow rate and slope. But, the tranquil flow was found under straw mulching. One the flow rate was ≤7.5 L/min, the flow pattern was the laminar flow. By contrast, when the flow rate was >7.5 L/min, the flow pattern was the transition flow. 2) The flowvelocity showed a decreasing trend as a whole under the same flow rate and slope, with the increase of straw coverage. The flow velocity of slope flow decreased by 47.85%, 53.86%, 57.69%, and 60.11%, respectively. 3) The slope significantly dominated the flow index. The inconsistent change was observed in the flow index with the slope under different straw coverage. When the coverage was ≤2.5 t/hm2, the flow index increased first and then decreased with the increase of slope. When the coverage was >2.5 t/hm2, the flow index decreased gradually with the increase of slope. The flow index of bare slope was ranged from 0.086 to 0.178, whereas, the flow index of straw mulching slope was ranged from 0.247 to 0.766. 4) The Darcy-Weisbach resistance coefficient was negatively correlated with the Reynolds number under the bare slope. By contrast, there was the positive correlation with the Darcy-Weisbach resistance coefficient and Reynolds number under the straw mulching. The Darcy-Weisbach resistance coefficient presented a significant power function relationship with Reynolds number, with the bare slope and straw coverage of 1.5 t/hm2. The Darcy-Weisbach resistance coefficient of straw covering slope was 9.36-19.68 times higher than that of bare slope.Under different coverage conditions, the variation of Darcy resistance coefficient with slope is different. Furthermore, the Darcy-Weisbach resistance coefficient reached the maximum at 10° slope under the low coverage (≤2.5 t/hm2). In the high coverage (≥3.5 t/hm2), the Darcy-Weisbach resistance coefficient increased with the increase of slope. The Darcy-Weisbach resistance coefficient shared a power function relationship with the Froude number. This finding can provide a scientific basis for the dynamic mechanism of the slope water erosion process under different straw coverages.

soils; erosion; hydrodynamic parameters; overland flow; straw coverage; fixed bed test; slope farmland of Loess Plateau

10.11975/j.issn.1002-6819.202207186

S157.1

A

1002-6819(2023)-01-0108-09

李桂，曹文華，馬建業(yè)，等. 小麥秸稈覆蓋量對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(1)：108-116.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207186 http://www.tcsae.org

LI Gui, CAO Wenhua, MA Jianye, et al. Effect of wheat straw mulch on slope hydrodynamic characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 108-116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202207186 http://www.tcsae.org

2022-07-19

2022-10-18

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41771311，41561144011）；重慶市科研院所績效激勵(lì)引導(dǎo)專項(xiàng)（cqaas2020jxjl03）

李桂，博士生，研究方向?yàn)橥寥狼治g。Email：ligui2020@nwafu.edu.cn

馬波，博士，副研究員，研究方向?yàn)橥寥狼治g。Email：mab@nwafu.edu.cn