降雨條件下秸稈覆蓋坡面流水動力過程研究

莊曉暉，馬玉瑩

（天津農(nóng)學院水利工程學院，天津 300392）

0 引 言

在覆蓋坡面流流速測量中，受到秸稈覆蓋物的影響，漂浮物、染色劑示蹤和流量法等傳統(tǒng)測量方法［15-17］有較大的局限性。覆蓋的秸稈會影響漂浮物隨水流運動過程，難以確定漂浮物的尺寸。此外，秸稈覆蓋坡面徑流的水深測量難度較大且斷面形狀不規(guī)則，流量法估算的流速與真實值之間的差異較大。染色劑示蹤法測量坡面流流速時，需要用經(jīng)驗系數(shù)校正前沿流速，但經(jīng)驗系數(shù)受多個因素的影響，例如流態(tài)、地表粗糙度、坡度和含沙量等［18-21］，使流速測量結(jié)果存在誤差。

Rahma 等人在集中供水條件下，在1 m 長土槽中采用電解質(zhì)示蹤法測量了秸稈覆蓋坡面流流速［22］。此外，Lei 等人使用相同的方法測量了礫石覆蓋下的徑流流速［23］。電解質(zhì)示蹤法通過感應(yīng)探針記錄電解質(zhì)隨水流運移過程，提高了示蹤法的測量精度，并解決了覆蓋物遮蓋下示蹤劑難以記錄的問題。

以秸稈覆蓋坡面流為研究對象，在室內(nèi)模擬人工降雨條件下，測量秸稈覆蓋坡面流流速，研究覆蓋坡面流水動力過程。在人工降雨條件下，試驗設(shè)置不同降雨強度和秸稈覆蓋量，采用電解質(zhì)示蹤和質(zhì)心法［24］測量秸稈覆蓋坡面流流速。測量結(jié)果可為秸稈覆蓋影響下的土壤侵蝕動力研究提供參考。

1 坡面流速計算方法

采用質(zhì)心法計算徑流平均流速，電解質(zhì)質(zhì)心隨徑流的運動時間可由式（1）計算。

式中：Ti為電解質(zhì)質(zhì)心的通過時間，s；Tj為測量時刻，s；Cij為Tj時刻第i個測量點處的電解質(zhì)濃度，kg∕m3。

設(shè)注入電解質(zhì)點位置為x0（0 m），4個測量點位置分別為x1、x2、x3和x4。則電解質(zhì)隨徑流通過距離可根據(jù)式（2）計算。

式中：ΔLi為電解質(zhì)隨徑流到第一個測量點或者兩個相鄰測量點之間的距離，m。

2010年下半年，商人林中偉（另案處理）得知肇慶政府正在推進安居華苑保障性住房（一期）工程項目的消息，認為有利可圖，于是，他通過中間人黎某的牽線，約鄧強吃飯喝酒。席間，林中偉多次表示想做安居華苑這個工程，并表示項目完成后會好好表示感謝，鄧強一口答應(yīng)。

電解質(zhì)隨徑流通過相應(yīng)距離所用的時間由式（3）計算。

式中：ΔTi為電解質(zhì)隨徑流到第一個測量點或者通過兩個相鄰測量點所用時間，s。

2 材料與方法

本試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室的土壤侵蝕模擬實驗大廳完成。在可變坡實驗平臺（坡度調(diào)節(jié)范圍為0～30°）上，構(gòu)造寬0.25 m、深0.3 m 和長8 m 的土槽，用玻璃膠填充土槽側(cè)板和地板間所有孔隙，防止試驗測量過程中水流通過孔隙流出土槽。因此，降雨產(chǎn)生的徑流均由土槽的出口流出，從而降低滲漏的水流對徑流流速的影響。

試驗土壤采用陜西省楊凌的黏壤土（黏粒31.8%，粉粒43.4%，砂粒24.8%），填土容重為1.5 g∕cm3，土壤入滲性能較低，因此，坡面產(chǎn)流過程中可忽略水分入滲。將取自農(nóng)田的小麥秸稈風干后，用鍘刀切割成5 cm 左右備用，與收割機粉碎后的秸稈長度一致［25］。試驗用土填裝完后，在土槽上方覆蓋塑料薄膜并靜置24 h。在試驗開始前，將處理后的秸稈均勻地鋪撒在土壤表面，模擬秸稈覆蓋的坡耕地。

采用薄層水流流速測量系統(tǒng)測量并記錄電解質(zhì)隨水流運動過程［26］。電解質(zhì)注入裝置被固定在距離坡頂1.85 m 的位置，預(yù)留充足的匯水區(qū)域，確保有徑流產(chǎn)生，從而電解質(zhì)能隨徑流自由移動。感應(yīng)探針被固定在土槽上，距離坡頂3、5、6、7 m 的位置處，依次記錄徑流中電解質(zhì)濃度隨時間變化過程。探針直徑為4 mm，可順利穿過秸稈覆蓋層與地表接觸，避免破壞秸稈覆蓋，且不影響徑流的流動過程。除此之外，探針頂端直徑逐漸縮小呈尖型，且坡面流為薄層水流（水深較小），因此，探針對坡面流的擾動較小。在電解質(zhì)注入裝置下方留出一定的區(qū)域，在該區(qū)域不鋪撒秸稈，避免秸稈影響電解質(zhì)進入徑流的過程。預(yù)留的裸土區(qū)域面積應(yīng)盡可能小，保證秸稈的覆蓋條件。

采用下噴式降雨裝置，降雨均勻度大于85%，且雨滴到達地表的速度均可達到最終速度。噴射的水流被空氣阻力破碎形成大小不等的雨滴，與天然降雨的雨滴相似［27］。由降雨開始、秸稈濕潤到產(chǎn)流穩(wěn)定共需要5 min，徑流由電解質(zhì)注入點到最后一個測量點的時間約4 min，因此，一次完整的試驗過程共需要約9 min。

在10°坡面上，設(shè)置2 個秸稈覆蓋量（2、8 t∕hm2）和4 個坡長（距離坡頂3、5、6、7 m），降雨強度為80、120、160 mm∕h，每組測量試驗分別重復(fù)2 次，計算結(jié)果取重復(fù)測量數(shù)據(jù)的平均值。對照Zhuang等人［24］測量的裸土坡面流流速試驗結(jié)果，探究秸稈覆蓋量和降雨強度對坡面流流速沿坡長分布規(guī)律的影響。室內(nèi)試驗?zāi)M裝置和流速測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Sketch of measurement system

3 結(jié)果與分析

3.1 秸稈覆蓋坡面流電解質(zhì)運移過程

秸稈覆蓋坡面流電解質(zhì)運移過程曲線如圖2 和圖3 所示。受對流和彌散作用影響，電解質(zhì)濃度運移圖為非對稱曲線，這與Shi等人［28］和Dong 等人［29］的研究結(jié)果一致。除此之外，隨著坡長的增加，歸一化的電解質(zhì)濃度曲線的峰值逐漸減小，而電解質(zhì)通過相應(yīng)探針的時間增加。

圖2 工況2 t/hm2的電解質(zhì)濃度變化過程Fig.2 Processes of electrolyte concentration under mulch rate of 2 t/hm2

圖3 工況8 t/hm2的電解質(zhì)濃度變化過程Fig.3 Processes of electrolyte concentration under mulch rate of 8 t/hm2

秸稈覆蓋量為2 t∕hm2時，電解質(zhì)濃度隨時間變化過程均為光滑曲線；當秸稈覆蓋量為8 t∕hm2時，部分坡長處探針測得的溶質(zhì)運移曲線為相對不光滑曲線，其中，降雨強度為160 mm∕h處理時，溶質(zhì)運移曲線波動最大。與Zhuang等人［24］的研究結(jié)果對比可知，在降雨條件下，秸稈覆蓋坡面流電解質(zhì)運移過程曲線比裸土坡面流光滑。此外，秸稈覆蓋量為2 t∕hm2時曲線最光滑，秸稈覆蓋量為8 t∕hm2的曲線光滑程度介于秸稈覆蓋量2 t∕hm2與裸土坡面之間。

3.2 秸稈覆蓋坡面流平均流速

根據(jù)電解質(zhì)運移過程，由質(zhì)心法計算坡面流平均流速，計算結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，秸稈覆蓋坡面流平均流速小于裸土坡面，且流速隨覆蓋量的增加呈減小趨勢。降雨強度為80 mm∕h 時，高秸稈覆蓋量（8 t∕hm2）下的流速比低秸稈覆蓋量（2 t∕hm2）小21.05%，比裸土時的流速減小72.66%；降雨強度為120 mm∕h 時，高秸稈覆蓋量下的流速比低秸稈覆蓋量和裸土坡面分別小22.03%和72.78%；降雨強度為160 mm∕h時，高秸稈覆蓋量下的流速比低秸稈覆蓋量和裸土坡面分別小13.11%和70.56%。此外，隨著降雨強度的增加，裸土坡面和秸稈覆蓋坡面流的平均流速都相應(yīng)增加。在裸土坡面，降雨強度160 mm∕h處理的流速比120 和80 mm∕h 處理分別增加21.58%和29.49%；在低秸稈覆蓋量坡面，流速依次增加了28.26%和32.61%；在高秸稈覆蓋量坡面，流速依次增加了21.05%和39.47%。

表1 1.85～7m坡長上的流速m∕sTab.1 Velocities along slope of 1.85～7 m

在相同降雨強度下，對不同秸稈覆蓋量處理的坡長1.85～7 m 平均流速進行單因素方差分析，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，降雨強度為80 mm∕h 時，組間平方和為0.012，組內(nèi)平方和為0，組間平方和的F值為2 346.589，相應(yīng)的概率值為0，小于顯著水平0.05，因此，不同的秸稈覆蓋量對流速有顯著影響。同理，降雨強度為120 和160 mm∕h 時，秸稈覆蓋量對流速均有顯著影響。由表1可知，降雨強度為80和120 mm∕h時，3種秸稈覆蓋量處理的流速之間有顯著差異。降雨強度為160 mm∕h時，裸土坡面流流速與覆蓋坡面有顯著差異，而高秸稈覆蓋量與低秸稈覆蓋量的流速在統(tǒng)計學上沒有顯著差異。

表2 秸稈覆蓋量對1.85～7 m坡長上流速影響Tab.2 Analysis of variance of velocity along slope of 1.85～7 m affected by mulch rates

在相同秸稈覆蓋量下，對不同降雨強度處理的坡長1.85～7 m平均流速進行單因素方差分析，結(jié)果如表3所示，由表3可知，降雨強度對坡面流流速有顯著影響（p＜0.05）。由表1 可知，在裸土坡面上，降雨強度80 mm∕h 處理的流速與降雨強度120 和160 mm∕h處理有顯著差異，而降雨強度120 mm∕h處理的流速與降雨強度160 mm∕h處理沒有顯著差異；在低秸稈覆蓋量和高秸稈覆蓋量坡面上，降雨強度80 mm∕h 處理的流速與降雨強度160 mm∕h處理有顯著差異，其余處理之間沒有顯著差異。

表3 降雨強度對1.85～7 m坡長上流速影響Tab.3 Analysis of variance of velocity along slope of 1.85～7 m affected by rain intensities

不同降雨強度和秸稈覆蓋量條件下，坡面流流速沿坡長分布結(jié)果如表4 所示。在裸土坡面上，流速隨著坡長呈增加的趨勢，但增加的速率逐漸減小，并最終達到最大流速［24］。在秸稈覆蓋坡面上，沿坡長方向，流速也呈現(xiàn)不斷增加且增加的速率逐漸減小的趨勢。高秸稈覆蓋量處理的流速在8 m坡長上達到了最大流速，而低秸稈覆蓋處理在整個坡長上未達到最大流速。隨著秸稈覆蓋量的增加，覆蓋坡面流流速達到最大流速的距離減小。

表4 不同秸稈覆蓋量和降雨強度下坡面徑流平均流速沿程分布 m∕sTab.4 Mean flow velocities along slope under different mulch rates and rain intensities

由表5 的分析結(jié)果可知，坡長、降雨強度、秸稈覆蓋量分別對坡面流平均流速有顯著性影響（p＜0.05）。秸稈覆蓋量*坡長和秸稈覆蓋量*降雨強度的交互作用對坡面流流速均有顯著影響；而降雨強度*坡長和秸稈覆蓋量*降雨強度*坡長的交互作用對坡面流流速影響不顯著。

表5 試驗因素對坡面流流速影響Tab.5 Analysis of variance of velocity affected by experimental factors

4 討 論

4.1 秸稈覆蓋對坡面流流速影響

在降雨條件下，雨滴擊濺會對坡面流產(chǎn)生擾動，從而影響徑流流態(tài)［30］。秸稈覆蓋能削弱雨滴對坡面流的打擊作用［31］，覆蓋后的坡面流流態(tài)與裸土坡面不同，因此，與裸土坡面對比可知，秸稈覆蓋坡面流電解質(zhì)運移過程曲線更加光滑。除此之外，在秸稈覆蓋坡面上，秸稈增加地表粗糙度，阻礙水流流動，流速小于裸土坡面。秸稈覆蓋量為8 t∕hm2時的坡面流流速略小于秸稈覆蓋量為2 t∕hm2時的流速。

當秸稈覆蓋量為8 t∕hm2時，秸稈的覆蓋量較大，秸稈將地表完全覆蓋，無土壤裸露，并形成秸稈覆蓋層［圖4（b）］。在降雨條件下，隨著坡長的增加，徑流流量不斷增加，徑流的水深也相應(yīng)增加，徑流將會在地表以及秸稈覆蓋層內(nèi)流動。由于覆蓋層內(nèi)復(fù)雜多變的過水通道，其內(nèi)部水流流態(tài)比地表與覆蓋層之間的水流復(fù)雜，且水流受到的阻礙作用也越大。在坡面下游處徑流的水深較大，徑流受覆蓋層的影響也隨之增加。因此，受秸稈覆蓋層的影響，在秸稈覆蓋量8 t∕hm2坡面下游，電解質(zhì)隨徑流運移的過程曲線為不光滑曲線，且隨著降雨強度的增加，這一現(xiàn)象更為顯著。在秸稈覆蓋量2 t∕hm2處理的坡面，地表未完全被秸稈覆蓋［圖4（a）］，有50%～75%的地表被秸稈覆蓋較薄的一層［32］，水流在秸稈與地表組成的混合下墊面流動。由于秸稈覆蓋層的厚度較淺，其對徑流的阻礙作用較弱，因此，秸稈覆蓋量2 t∕hm2坡面徑流電解質(zhì)運移過程曲線均為光滑曲線。

圖4 試驗設(shè)置坡面的秸稈覆蓋Fig.4 The experiment slope under straw mulching

流速在坡面上的分布規(guī)律是水流的驅(qū)動力和粗糙地表的阻力兩者相互作用的結(jié)果［24］。在裸土坡面下游靠近坡腳處，土壤侵蝕作用改變了地表微地形，從而增加地表粗糙度并阻礙徑流流動，使流速增加速率減小并趨于穩(wěn)定［24］。然而，秸稈覆蓋作為保護性耕作措施，能有效減小土壤侵蝕作用。圖5（a）、5（b）和5（c）分別為裸土坡面、秸稈覆蓋量2和8 t∕hm2處理的試驗后地表，由圖5可知，覆蓋坡面上由侵蝕引起的地表粗糙度增加程度小于裸土坡面。在秸稈覆蓋坡面上，徑流受土壤侵蝕作用影響較小，地表微地形與裸土坡面不同，流速空間分布規(guī)律的影響機理也與裸土坡面不同。在降雨條件下，秸稈覆蓋坡面徑流水深隨坡長增加，坡面流受覆蓋層的阻礙作用也不斷加強，因此，覆蓋坡面流流速增加的速率逐漸減小，流速逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 降雨后的不同處理坡面地表Fig.5 Soil surface of different experimental conditions after rainfall

4.2 降雨強度對坡面徑流流速影響

雨滴到達裸土坡面時，對徑流在順水流方向有動量輸入，從而對水流具有加速作用［33］。秸稈覆蓋作為隔層，不僅避免了雨滴直接擊打坡面徑流，同時也削弱了雨滴的能量。因此，對比裸土坡面，雨滴擊濺對覆蓋坡面流流速的影響較小。

在降雨條件下，隨著降雨強度的增加，徑流流量增加，徑流流速增加。裸土坡面的土壤侵蝕強度隨降雨強度增加而增加，地表粗糙度也隨之增加，從而阻礙坡面徑流流動。因此，流速隨著降雨強度增加而增加的趨勢逐漸減弱，且徑流達到穩(wěn)定流速的距離也相應(yīng)減?。?4］。在覆蓋坡面上，隨著降雨強度的增加，水深不斷增加，覆蓋層對徑流的阻礙作用也相應(yīng)增加，流速隨降雨強度增加的趨勢逐漸減弱，降雨強度120 和160 mm∕h 處理的坡長1.85～7 m 平均流速在統(tǒng)計學上沒有顯著差異。雖然不同秸稈覆蓋量坡面流流速隨降雨強度變化的規(guī)律相同，但影響機理卻不同。除此之外，隨著水深的增加，秸稈覆蓋層的阻礙作用加劇，因此，高秸稈覆蓋量坡面流到達最大流速的距離隨降雨強度的增加而減小。

5 結(jié) 論

本研究在降雨條件下，在10°坡面上設(shè)置不同秸稈覆蓋量、降雨強度和坡長，采用電解質(zhì)示蹤和質(zhì)心法測量徑流平均流速，研究秸稈覆蓋坡面流水動力過程。裸土坡面流流速變化范圍為0.053～0.323 m∕s，秸稈覆蓋量2 t∕hm2坡面流流速變化范圍為0.031～0.108 m∕s，秸稈覆蓋量8 t∕hm2坡面流流速變化范圍為0.016～0.089 m∕s。在降雨條件下，坡面流流速隨著秸稈覆蓋量的增加而逐漸減小。

研究表明，降雨強度對坡面流流速有顯著影響，流速隨降雨強度的增加而增加，但增加的趨勢逐漸減弱。秸稈覆蓋對徑流流動有阻礙作用，能有效地減小徑流流速，秸稈覆蓋下的坡面流流速遠小于裸土坡面水流流速。在秸稈覆蓋坡面，徑流流速沿坡長呈現(xiàn)增加趨勢，然而，受覆蓋層阻礙作用影響，流速增加的速率逐漸減小，徑流最終到達穩(wěn)定流速。當秸稈覆蓋量為8 t∕hm2時，流速在8 m 坡長上達到穩(wěn)定流速，且隨降雨強度的增加，達到穩(wěn)定流速的距離逐漸減小。通過分析降雨強度、秸稈覆蓋量和坡長對流速的影響規(guī)律，得到秸稈覆蓋坡面流的水動力過程，研究可為相關(guān)試驗研究提供基礎(chǔ)。