李朝棟，李占斌，馬建業(yè)，馬 波

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不同長(zhǎng)度小麥秸稈覆蓋下黃土耕地坡面流水動(dòng)力學(xué)特性

李朝棟1,2，李占斌1，馬建業(yè)1，馬 波1※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100）

為了系統(tǒng)研究秸稈長(zhǎng)度對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，利用室內(nèi)人工模擬沖刷定床阻力試驗(yàn)，在4個(gè)坡度、5個(gè)流量條件下分別對(duì)3～5、8～10和13～15 cm長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化特征進(jìn)行分析，闡明不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面水流阻力與雷諾數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，秸稈長(zhǎng)度對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響顯著。不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下，坡面流雷諾數(shù)變化范圍為166～558，當(dāng)流量≤7.5 L/min時(shí)，坡面流態(tài)為層緩流；流量為9.0 L/min時(shí)，坡面流態(tài)為過(guò)渡緩流。秸稈覆蓋條件下，坡面流具有較小的流速和較大的水深、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)及曼寧糙率系數(shù)。隨著秸稈長(zhǎng)度增加，坡面流流速隨之增加，而水深、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)及曼寧糙率系數(shù)隨之降低。隨著秸稈長(zhǎng)度和水力坡度增加，流態(tài)指數(shù)值總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度由3～5 cm增加至13～15 cm時(shí)，流態(tài)指數(shù)平均由0.716降至0.501。研究可為秸稈覆蓋條件下水土流失阻控機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。

流型；水動(dòng)力學(xué)；秸稈；坡面流；定床試驗(yàn)；黃土耕地

0 引 言

在活動(dòng)頻繁的坡耕地上，由坡面徑流造成的土壤侵蝕已成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。中國(guó)坡耕地水土流失量占該區(qū)域總流失量的比例大部分均高于60%，坡耕地土壤侵蝕已成為中國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題之一[1]。秸稈覆蓋是中國(guó)重要的保護(hù)性耕作措施之一，對(duì)減少坡面土壤侵蝕具有積極的作用。目前針對(duì)秸稈覆蓋的研究主要集中于秸稈還田的土壤水肥效應(yīng)和防蝕效益等方面，對(duì)其侵蝕動(dòng)力機(jī)制研究較少[2-8]。秸稈覆蓋不僅有效攔截消耗降雨動(dòng)能、降低擊濺侵蝕、減少土壤顆粒分離與擴(kuò)散，還可有效增加地表糙率和水分入滲，從而對(duì)減少?gòu)搅鳌⒔档土魉?、降低?duì)土壤的沖刷作用產(chǎn)生積極作用；與此同時(shí)，秸稈在降雨過(guò)程中形成低洼蓄水區(qū)促使泥沙沉積，可有效減少土壤侵蝕[9]。秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作的一種典型措施，當(dāng)其地表秸稈覆蓋為30%時(shí)便可達(dá)到減少農(nóng)田土壤風(fēng)蝕或水蝕等目的[10]。秸稈覆蓋能顯著減少地表徑流73.9%～86.2%，但增加壤中流15.4%～156.4%，使徑流總量降低32.5%～66.6%，并極顯著降低土壤侵蝕總量96.4%～98.1%[11]。楊青森等[2]對(duì)黑土區(qū)的秸稈覆蓋研究認(rèn)為，秸稈覆蓋可有效減少坡面土壤侵蝕，秸稈覆蓋量為2 kg/m2時(shí)，坡面徑流量減少87%，侵蝕量相應(yīng)減少99.86%；而秸稈覆蓋量為4 kg/m2時(shí)，坡面幾乎不產(chǎn)生侵蝕。但秸稈覆蓋對(duì)土壤侵蝕的作用受秸稈量影響較大，研究認(rèn)為，當(dāng)秸稈覆蓋率>40%時(shí)能有效地控制水土流失，但當(dāng)秸稈覆蓋率<40%時(shí)作用不明顯[9]。

秸稈覆蓋不僅對(duì)降雨有截留持水作用，而且對(duì)降雨侵蝕能量的削減和在地表的分布產(chǎn)生復(fù)雜的影響，進(jìn)而有可能對(duì)坡面侵蝕及細(xì)溝發(fā)育產(chǎn)生影響。裸露坡面細(xì)溝流侵蝕力與其水力學(xué)參數(shù)關(guān)系密切，不同的徑流系數(shù)可以用來(lái)衡量細(xì)溝流侵蝕力；但是當(dāng)坡面存在作物秸稈時(shí)，在裸露地表上得出的各種物理參數(shù)關(guān)系均無(wú)法得到較好應(yīng)用[10,12]。坡面流是由降雨形成并沿坡面流動(dòng)的淺層水流，相比較明水流，坡面流底坡陡，水深淺，受坡度、雨強(qiáng)和地表狀況等多種因素影響，這使得坡面流的研究較為困難[13]。目前，對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)特征的研究主要集中于裸露坡面上，針對(duì)植被、枯落物和秸稈覆蓋等地表覆蓋措施的坡面水動(dòng)力學(xué)特征的研究較為少見(jiàn)。不同的覆蓋，在降低坡面土壤流失量的同時(shí)，還可顯著改變地表徑流水力學(xué)特性，例如，植被殘留物、秸稈和碎石等覆蓋對(duì)降低流速均有顯著效果[10]。由于秸稈覆蓋和土壤緊密接觸，尤其是淺耕半固定混合式覆蓋，強(qiáng)烈地改變了土壤表面粗糙度，因此對(duì)地表水力學(xué)參數(shù)影響很大。而在細(xì)溝侵蝕方面作物秸稈對(duì)細(xì)溝水流水力學(xué)特性和侵蝕力影響程度的計(jì)算方法與當(dāng)前對(duì)細(xì)溝流水力學(xué)特性及其和細(xì)溝形態(tài)間關(guān)系的研究結(jié)果并不相符[10]。Foster等[14]曾指出，在土中混入秸稈可有效防止細(xì)溝向下深切，且表土中秸稈與土壤結(jié)合越緊密對(duì)細(xì)溝的影響更甚，當(dāng)混入土中的秸稈由于徑流沖刷暴露在外，可降低土壤的剪應(yīng)力。由此可見(jiàn)，秸稈覆蓋條件下侵蝕動(dòng)力及水動(dòng)力學(xué)特性與裸坡條件下存在諸多差異，難點(diǎn)和疑問(wèn)也較多。本文通過(guò)室內(nèi)秸稈覆蓋人工模擬徑流沖刷定床阻力試驗(yàn)，對(duì)不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋下的坡面流水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期闡明秸稈覆蓋條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征，為秸稈覆蓋條件下水土流失阻控機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

本研究在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行(34°14′～34°20′N(xiāo)、107°59′～108°08′E)，試驗(yàn)采用人工模擬徑流沖刷法。供試秸稈為當(dāng)年自然曬干的小麥秸稈，于2015年5月底人工收割而得，再根據(jù)當(dāng)?shù)亟斩掃€田典型長(zhǎng)度并適當(dāng)分級(jí)，利用鍘刀裁剪成3～5、8～10和13～15 cm共3種試驗(yàn)所需的秸稈長(zhǎng)度，坡面秸稈覆蓋量為3.5 t/hm2。本試驗(yàn)采用定床阻力試驗(yàn)，如此既可以模擬天然地表糙度，又可以消除床面形態(tài)變化、底沙交換對(duì)水流紊動(dòng)的影響[15]。人工模擬徑流沖刷定床阻力試驗(yàn)坡度依據(jù)黃土區(qū)坡耕地典型坡度設(shè)為3°、5°、10°和15°；試驗(yàn)設(shè)計(jì)放水流量依據(jù)黃土高原地區(qū)侵蝕性降雨范圍并考慮秸稈抵抗流水沖刷產(chǎn)生漂移的承受能力，最終將放水流量設(shè)計(jì)為3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 L/min。3種長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面及裸坡在不同坡度和流量下分別進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)測(cè)量3次，共計(jì)240個(gè)處理。

試驗(yàn)裝置（圖1）由供水水泵、流量計(jì)、穩(wěn)流槽和沖刷槽等構(gòu)成，其中沖刷槽采用變坡式鋼板水槽，結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)2 m、寬0.3 m、深0.3 m，其中填土深度為0.25 m，坡度可在0°～15°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。由于本試驗(yàn)采用定床阻力試驗(yàn)，故需將沖刷水槽進(jìn)行填充壓實(shí)并固化床面，采用當(dāng)?shù)氐耐寥溃ê蹈翂|人為土），將土壤自然風(fēng)干后過(guò)5 mm篩，填土設(shè)計(jì)容重約為1.3 g/cm3，可以代表黃土高原坡耕地土壤自然狀態(tài)。填土過(guò)程采取分層填土、分層壓實(shí)的方法，每層填土深度為5 cm，共計(jì)填土5層。將試驗(yàn)土槽調(diào)至水平。為了使土槽內(nèi)土地自然沉降，便于下一步的固化床面。在20 mm/h降雨強(qiáng)度對(duì)土槽進(jìn)行前期降雨約1 h，使水分充分入滲，將其土壤自然沉降壓實(shí)，也可消除人為裝填土壤的松散狀況，此后再將沉降的部分填至水平。將處理好的土槽進(jìn)行自然風(fēng)干，然后利用噴漆槍將清漆均勻地噴灑并完全覆蓋在土槽表面以固化床面。將直徑為2～5 mm的土壤顆粒均勻地灑在噴灑過(guò)清漆的土槽表面，再次噴灑清漆，使其包裹住表面的土壤顆粒。將土壤顆粒粘于坡面土壤表面，可在床面形成穩(wěn)定的糙率，且在試驗(yàn)中水流無(wú)法改變坡面糙率；這樣模擬天然土壤地表糙率，不僅可消除下墊面糙率變化對(duì)水流阻力等的影響[16]，又可防止床面過(guò)于光滑導(dǎo)致覆蓋在上面的秸稈沿水流方向移動(dòng)。

試驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)整坡度和放水流量，流量大小由流量計(jì)和閥門(mén)控制，用稱(chēng)質(zhì)量法對(duì)所需流量進(jìn)行率定。將剪裁好的秸稈在水中浸泡12 h，使其充分吸水，以防止其隨水流漂浮移動(dòng)，同時(shí)還防止其吸水影響水槽出口流量。浸泡好的秸稈將其瀝干。將沖刷槽調(diào)整至水平，在距離床面30 cm高度處，雙手將秸稈揚(yáng)起使其自然墜落于床面，覆蓋層內(nèi)保持秸稈交錯(cuò)縱橫的隨機(jī)位置。鋪撒完畢后人工調(diào)整床面不同位置的秸稈，使其能夠均勻分布于沖刷槽表面，并形成均勻厚度的秸稈覆蓋。3～5 cm長(zhǎng)的秸稈坡面厚度約為1.5 cm，13～15 cm長(zhǎng)的秸稈由于其秸稈較長(zhǎng)，秸稈層空隙較大，其厚度約為2.5 cm。試驗(yàn)按水流方向設(shè)3個(gè)斷面，斷面間距為0.6 m，距沖刷槽頂端0.1 m處為第1觀測(cè)斷面，依次為第2和第3觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面按橫向方向分左、中、右采用常規(guī)高錳酸鉀染色法測(cè)得流速。試驗(yàn)的同時(shí)將水銀溫度計(jì)（精度0.1 ℃）放置于穩(wěn)流槽內(nèi)測(cè)定水流溫度，以計(jì)算雷諾數(shù)。

1.2 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法

利用沖刷槽3個(gè)斷面多次觀測(cè)的表面流速，求取平均值后乘以修正系數(shù)0.75，得到水流斷面平均流速[17]。文中涉及的水深（）、雷諾數(shù)（）、佛汝德數(shù)（）、運(yùn)動(dòng)黏滯力系數(shù)（）、Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（）、曼寧糙率系數(shù)（）的計(jì)算公式如下

=/（1）

=/（2）

=0.017 75/(1+0.033 7+0.000 2212) （3）

=/()0.5（4）

=8/2（5）

=-12/31/2（6）

式中為水深，m；為單寬流量，L/(m·s)；為斷面流速，m/s；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；為水溫，℃；為Darcy-Weisbach阻力系數(shù)；為重力加速度，取9.81 m/s2；為水力坡度，其值為坡度的正弦值，即=sin，為坡度，(°)；為曼寧糙率系數(shù)；為水流容重，10 kN/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋坡面流流態(tài)及流型

水流流態(tài)是坡面薄層徑流水力學(xué)特征的基本表征參數(shù)之一，判別方法一般采用雷諾數(shù)；雷諾數(shù)是衡量水流紊動(dòng)程度的重要指標(biāo)，其值為水流慣性力與黏滯力之比[18-19]。根據(jù)明渠均勻流的基本理論，當(dāng)雷諾數(shù)小于500時(shí)，水流屬于層流；當(dāng)雷諾數(shù)大于2 000時(shí)，水流屬于紊流；介于二者之間為過(guò)渡流。當(dāng)水流呈層流時(shí)，黏滯力的作用大于慣性力，黏滯力對(duì)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)起抑制作用；反之，水流呈紊流時(shí)，慣性力作用大于黏滯力，慣性力對(duì)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)起推動(dòng)作用[19]。一般而言，在流量恒定的條件下，雷諾數(shù)越大，坡面流的紊動(dòng)性越大，水流剝蝕以及挾沙能力也越強(qiáng)[18]。此外，水流流態(tài)也可用佛汝德數(shù)進(jìn)行表征，它反映了流速和徑流深的對(duì)比關(guān)系。在定流量條件下，越大，表明徑流挾沙能力越強(qiáng)、坡面徑流剪切力越大。依據(jù)明渠流的判別標(biāo)準(zhǔn)，佛汝德數(shù)≥1，坡面流態(tài)為急流，<1則為緩流[17]。本研究特定試驗(yàn)條件下，通過(guò)雷諾數(shù)和佛汝德數(shù)來(lái)判別水流流態(tài)與流型。不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下坡面流流態(tài)流型相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 不同流量和秸稈長(zhǎng)度條件下水流流態(tài)流型相關(guān)水力參數(shù)

注：均值為4個(gè)坡度下的平均值。采用鄧肯檢驗(yàn)，不同字母表示處理間差異顯著(<0.05)。

Note: Values are mean of 4 slope gradients. Different letter means the significant difference among treatments by Duncan’s test (<0.05).

由表1可知，在試驗(yàn)設(shè)定的流量和坡度范圍內(nèi)，秸稈覆蓋坡面流雷諾數(shù)變化介于166~558之間，且在試驗(yàn)流量和坡度范圍內(nèi)變化可分為2個(gè)階段。不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋及裸坡坡面流在流量≤7.5 L/min時(shí)，雷諾數(shù)均小于500，其流態(tài)均為層流；當(dāng)流量為9.0 L/min時(shí)，其流態(tài)則為過(guò)渡流。秸稈覆蓋對(duì)雷諾數(shù)的影響較小，進(jìn)而對(duì)流態(tài)的影響也相應(yīng)較小。與裸坡相比，當(dāng)流量為3.0 L/min時(shí)，秸稈覆蓋坡面流雷諾數(shù)較裸坡有較大提升，3～5、8～10和13～15 cm長(zhǎng)度條件下，雷諾數(shù)分別較裸坡增加了27.41%、24.16%和32.11%（<0.000 1）。而當(dāng)流量≥4.5 L/min時(shí)，同一流量條件下，秸稈覆蓋對(duì)雷諾數(shù)主要表現(xiàn)為降低效應(yīng)，但是降低幅度較??；最大降幅為6.61%（<0.05，流量為7.5 L/min，秸稈長(zhǎng)度為8～10 cm）?？梢钥吹剑?dāng)流量為3.0 L/min時(shí)，秸稈覆蓋條件下坡面流雷諾數(shù)較裸坡增加了24.16%～32.11%（<0.000 1）。在小流量情況下（3.0 L/min）使水深提升后基于最小能耗原理穿行于秸稈之間，增加了水流與粗糙單元接觸和碰撞的概率；加之水深無(wú)法沒(méi)過(guò)秸稈層，在水流表面與秸稈碰撞已形成壅浪和尾渦，進(jìn)而增加了水流的紊動(dòng)性[20]，使之在相同流量條件下較裸坡具有較高的雷諾數(shù)。但隨著流量增大（≥4.5 L/min），水深進(jìn)一步增加，使大部分秸稈淹沒(méi)于水流之下，減少了表面水流接觸秸稈后增加紊動(dòng)性的可能性；水體內(nèi)部流速垂線(xiàn)分布也會(huì)趨于均勻，有利于降低雷諾數(shù)。相同秸稈長(zhǎng)度下，雷諾數(shù)隨流量增大呈現(xiàn)極顯著增大（<0.000 1）。

由流型的判定標(biāo)準(zhǔn)可知，在本研究試驗(yàn)范圍內(nèi)，裸露條件下，坡面流流型均為急流；而秸稈覆蓋條件下，坡面流流型均表現(xiàn)為緩流。由于秸稈覆蓋對(duì)水流形成較大的阻礙，流速減慢且水深加深，呈現(xiàn)出層緩流的狀態(tài)（其中流量為9.0 L/min時(shí)為過(guò)渡緩流）。

2.2 秸稈覆蓋坡面流水深及平均流速

水深是坡面徑流水動(dòng)力學(xué)最基本的參數(shù)之一，其變化常受到微地形、覆被狀況、降雨和其他外界擾動(dòng)因素的影響，而本研究采用固定床面的方法，使坡面糙率保持穩(wěn)定，水流中不含泥沙，不存在坡面微地形變化等問(wèn)題，因而可準(zhǔn)確測(cè)定坡面流水深。在本研究特定試驗(yàn)條件下，水深與單寬流量和坡度的關(guān)系如圖2所示。

秸稈覆蓋條件下，坡面流水深較裸坡均有所增加（圖2）。在當(dāng)前試驗(yàn)坡度和流量范圍內(nèi)，秸稈覆蓋較裸坡水深增加了107.69%～178.64%，平均為145.64%（<0.000 1）。秸稈長(zhǎng)度對(duì)水深的影響較為顯著，隨秸稈長(zhǎng)度增加，對(duì)水深的影響逐漸減弱，水深隨之減小。相同坡度下，水深與流量呈正相關(guān)關(guān)系；而相同流量下，隨坡度增加，平均水深呈減小趨勢(shì)。同一秸稈長(zhǎng)度覆蓋條件下，隨著流量增大，水深呈增加趨勢(shì)；隨坡度增大，水深呈減小趨勢(shì)（圖2）。秸稈覆蓋條件下，隨流量增加，不同坡度間水深差異逐漸擴(kuò)大；隨坡度增加，不同流量間水深差異較小；這種變化趨勢(shì)在3~5 cm秸稈長(zhǎng)度覆蓋坡面表現(xiàn)最為顯著，即隨著秸稈長(zhǎng)度增加，不同流量下的水深差異逐漸降低。

不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下斷面流速與單寬流量和坡度的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，無(wú)論覆蓋秸稈與否，流速隨流量和坡度的增加均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。秸稈覆蓋對(duì)流速具有顯著的減緩作用，與裸坡相比，流速平均降低55.54%，其中3~5、8~10和13~15 cm 3種長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面流流速分別較裸坡降低了60.64%、57.67%和48.30%（<0.05）。裸坡和秸稈覆蓋坡面間流速差異隨流量和坡度增大逐漸增大。

江忠善等[21]對(duì)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的坡面流試驗(yàn)資料進(jìn)行總結(jié)分析，認(rèn)為坡面流速是單寬流量與水力坡度的冪函數(shù)形式，即=··J，式中、、均為系數(shù)，經(jīng)回歸分析求得為0.5，為0.35。本研究中裸坡和不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面平均流速與單寬流量和水力坡度的冪函數(shù)關(guān)系如下所示：

=0.0220.363·-0.3042=0.72（裸坡） （7）

=0.165sm0.209·0.348·0.2952=0.86（秸稈覆蓋）（8）

式中sm為平均秸稈長(zhǎng)度，cm，取不同秸稈長(zhǎng)度范圍之平均值分別為4、9和14 cm。上式中流量和坡度的指數(shù)均略小于江忠善的0.5和0.35[21]，同時(shí)也略小于張光輝等[16-17]的結(jié)果。

由于秸稈的存在，加之水深較淺，坡面流各點(diǎn)的流速并非一致，而是基于最小能耗原理繞過(guò)秸稈并流動(dòng)于秸稈之間，因此在局部區(qū)域紊動(dòng)性可能較強(qiáng)。Horton假定坡面流是層流和紊流流態(tài)相互交錯(cuò)的混合流，即在完全的湍流中間點(diǎn)綴有層流[22]?；诖耍瑥垖挼氐萚20]基于流體力學(xué)理論推導(dǎo)出平均流速與單寬流量和水力坡度的關(guān)系=·1-m·J，式中、和均為系數(shù)。其中斷面平均流速與單寬流量的（1-）次方呈正比，與水力坡度的次方呈正比；張寬地等將定義為流態(tài)指數(shù)，表征了單寬流量對(duì)流速的影響程度；認(rèn)為當(dāng)值較大時(shí)，流體中能量的消耗主要以阻力做功為主，當(dāng)值較小時(shí)，流體主要通過(guò)增加流體流速進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，阻力做功較弱[20]。不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下，各水力坡度下擬合冪函數(shù)關(guān)系中流態(tài)指數(shù)值如表2所示。

表2 不同水力坡度下流態(tài)指數(shù)值

由表2可知，秸稈覆蓋坡面流態(tài)指數(shù)值均大于同等條件下的裸坡。隨著秸稈長(zhǎng)度增加到15 cm和水力坡度增加到0.259，值總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度由3～5 cm增加至13～15 cm時(shí)，流態(tài)指數(shù)平均由0.716降至0.501。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度較短時(shí)，單位面積上的秸稈個(gè)體小而更多，內(nèi)部交叉縱橫結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，空隙更小，對(duì)坡面覆蓋的效果也更好，從而使坡面阻力增強(qiáng)。濕周增大，水流與秸稈個(gè)體接觸的面積和頻率增加，水流各流層之間的水體交換愈加頻繁，流速在垂線(xiàn)上的分布更加趨于均勻[20]。在這種情況下，阻力做功耗能處于上峰，而流速增加轉(zhuǎn)化能量處于次要因素，水流紊動(dòng)性減弱。

2.3 秸稈覆蓋坡面流阻力

徑流沿程運(yùn)動(dòng)必然會(huì)受到床面起伏變化和覆被物的阻滯作用，水流所受阻力強(qiáng)弱可影響徑流的流速，進(jìn)而影響徑流的侵蝕力[23]。由于床面為穩(wěn)定糙率設(shè)計(jì)，因此在水流阻力分析中可忽略床面沙粒、徑流泥沙以及床面微地形改變等因素的影響，但仍需要考慮秸稈覆蓋對(duì)水流的阻礙作用。本研究采用Darcy-Weisbach阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)來(lái)分析秸稈覆蓋對(duì)坡面流阻力的影響。秸稈覆蓋對(duì)Darcy-Weisbach阻力系數(shù)的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在試驗(yàn)設(shè)定的流量和坡度范圍內(nèi)，裸坡阻力系數(shù)的變化范圍為0.14～1.47，而在3～5、8～10和13～15 cm 3種長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面上的變化范圍分別為2.67～8.00、2.39～6.36和1.31～4.28，平均分別較裸坡增加了20.89、15.69和8.17倍（<0.000 1），由此說(shuō)明秸稈覆蓋對(duì)坡面流具有較強(qiáng)的阻礙作用。不同長(zhǎng)度的秸稈，對(duì)水流的阻力作用差異較大，其中3～5 cm長(zhǎng)度秸稈對(duì)水流的阻力最強(qiáng)，13～15 cm則最弱。

丁文峰等[23-24]的研究認(rèn)為，Darcy-Weisbach阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間也存在=1·-p2的冪函數(shù)關(guān)系，即阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈反比例關(guān)系。與其研究相似，秸稈覆蓋條件下，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系均可用冪函數(shù)來(lái)描述。其中裸坡和13～15 cm長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下，冪函數(shù)指數(shù)為負(fù)值，即阻力系數(shù)與雷諾數(shù)成反比例關(guān)系；3～5和8～10 cm長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下，指數(shù)為正值，即阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈正比例關(guān)系。說(shuō)明在秸稈長(zhǎng)度較小的情況下，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而呈增加趨勢(shì)。

秸稈覆蓋使坡面流阻力系數(shù)表現(xiàn)出較大的不確定性，這主要是由于徑流沖刷使秸稈在坡面上重新分布和堆疊，造成局部分布不均，從而增加了阻力系數(shù)的不確定性。但是總體而言，秸稈覆蓋對(duì)增加坡面流阻力系數(shù)是有積極作用的。由方差分析可知，秸稈長(zhǎng)度、流量和坡度對(duì)阻力系數(shù)的影響均達(dá)到了極顯著水平（<0.000 1）。

曼寧糙率系數(shù)表征地表粗糙程度對(duì)水流流動(dòng)過(guò)程中的阻滯作用。由圖5所示，在試驗(yàn)設(shè)定的流量和坡度范圍內(nèi)，裸坡曼寧糙率系數(shù)的變化范圍為0.013～0.044，而在3～5、8～10和13～15 cm 3種長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面上的變化范圍分別為0.071～0.132、0.067～0.118和0.049～0.083，平均分別較裸坡增加了4.38、3.64和2.33倍（<0.000 1）。

秸稈長(zhǎng)度不同，對(duì)曼寧糙率系數(shù)的影響也有所不同。隨著秸稈長(zhǎng)度增加，對(duì)水流的阻滯作用逐漸減弱，曼寧糙率系數(shù)隨之降低；其中3～5 cm長(zhǎng)度處理下曼寧糙率系數(shù)是8～10 cm長(zhǎng)度處理的1.15倍（<0.000 1），是13～15 cm長(zhǎng)度處理的1.61倍（<0.000 1），這說(shuō)明當(dāng)秸稈較短時(shí)，對(duì)坡面水流的阻滯作用更加強(qiáng)烈。曼寧糙率系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系與阻力系數(shù)較為相似。裸坡坡面上，糙率系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小。秸稈覆蓋坡面上，曼寧糙率系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加。由于短秸稈相對(duì)于長(zhǎng)秸稈具有更多的秸稈個(gè)體數(shù)量，個(gè)體之間空隙較小、密度較大，在減少過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的同時(shí)又增加了水流的濕周，導(dǎo)致阻力變化較大；而長(zhǎng)秸稈由于單位面積上個(gè)體數(shù)量較少，個(gè)體間空隙較大，對(duì)水流過(guò)水面的減少不及短秸稈，表現(xiàn)出較低的阻滯作用，這與王俊杰等在不同覆蓋度下得出的結(jié)論較為相似[25]。由方差分析可知，秸稈長(zhǎng)度、流量和坡度對(duì)曼寧糙率系數(shù)的影響均達(dá)到了極顯著水平（<0.000 1）。

3 討 論

秸稈覆蓋是重要的水土保持措施，其不僅能攔截消耗降雨動(dòng)能、降低濺蝕，還能有效較少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙。本研究通過(guò)對(duì)不同秸稈長(zhǎng)度條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)特性的研究，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征來(lái)闡述和解釋秸稈覆蓋對(duì)土壤侵蝕阻控動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題。秸稈覆蓋是重要的水土保持措施，不僅能攔截降雨動(dòng)能、降低濺蝕，又可有效減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙。作為地表覆被的一種類(lèi)型，其水動(dòng)力學(xué)特性與植被覆蓋措施具有諸多相似之處。當(dāng)?shù)乇砀采w有秸稈時(shí)，水流內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化，增加了水流阻力，不僅能有效攔截阻滯徑流和泥沙，還影響了坡面的產(chǎn)匯流過(guò)程，這與植被覆蓋條件下是相似的[20]。

目前，有關(guān)坡面流水動(dòng)力學(xué)特性的研究主要是在裸露坡面上開(kāi)展的，針對(duì)地表覆蓋坡面水動(dòng)力學(xué)特性的研究還相對(duì)較少。由于地表覆蓋差異較大，開(kāi)展此類(lèi)研究亦相對(duì)較為困難，目前主要集中于植被覆蓋坡面的水動(dòng)力學(xué)特性研究，且分歧較大。其中就流態(tài)而言，一般認(rèn)為植被覆蓋條件下，坡面流流態(tài)為層緩流，隨流量增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡緩流，并不排除隨流量進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯目赡躘20,26-30]。本研究雖以秸稈覆蓋為主，但是不同長(zhǎng)度秸稈覆蓋條件下，坡面流流態(tài)變化規(guī)律與植被覆蓋坡面較為一致，均為隨流量增加，坡面流由層緩流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡緩流。張寬地等[20]研究認(rèn)為，植被覆蓋條件下，當(dāng)雷諾數(shù)<500時(shí)，水流流態(tài)不同于傳統(tǒng)意義上的層流。由于植被阻擋，水流基于最小能耗原理繞行于植被之間，并在迎水面行程壅浪，在背水面產(chǎn)生尾渦，故將植被覆蓋條件下的層流定義為“虛擬層流”。而在本研究中，由于秸稈相對(duì)植被覆蓋度更高，秸稈內(nèi)部又交錯(cuò)縱橫穿插，對(duì)水流的穿梭繞行影響更大。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中不僅可以觀測(cè)到水流穿行于秸稈個(gè)體之間，還能觀測(cè)到表面水流越過(guò)秸稈上方流動(dòng)，同樣產(chǎn)生了壅浪和尾渦。這與張寬地等在植被覆蓋條件下所觀察到的現(xiàn)象相似而又有所不同。因此，秸稈覆蓋條件下，不論秸稈長(zhǎng)度如何變化，其層流也可認(rèn)為是區(qū)別于傳統(tǒng)層流意義上的“虛擬層流”。

坡面流是坡面土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的重要原因，而坡面流的侵蝕力主要由流速?zèng)Q定。作為水土保持重要措施之一的秸稈覆蓋，能夠有效減緩坡面流流速，這對(duì)防止坡面水土流失具有重要的意義。而秸稈覆蓋坡面流流速減緩主要體現(xiàn)在坡面阻力的增加上。一般認(rèn)為，坡面流阻力由顆粒阻力、波阻力、形態(tài)阻力和降雨阻力4部分構(gòu)成。由于本研究采用定床阻力試驗(yàn)方法，故可忽略降雨阻力的影響。由于波阻力是坡面流受地表障礙物阻擋而產(chǎn)生的阻力，因此在秸稈覆蓋條件下，坡面流阻力主要受波阻力影響最大，但由于坡面水深較淺，還需要考慮顆粒阻力產(chǎn)生的影響。秸稈覆蓋條件下，坡面流阻力顯著降低，這與肖培青等[31]、王俊杰等[25]和張冠華[32]在植被覆蓋條件下的研究結(jié)果一致。其中肖培青等[31]研究發(fā)現(xiàn)草地和灌木坡面阻力系數(shù)分別是裸坡的5.58～7.45倍和5.61～6.26倍；而本研究中3種長(zhǎng)度秸稈覆蓋坡面阻力系數(shù)分別較裸坡增加了20.89、15.69和8.17倍，充分顯示了秸稈覆蓋的“增阻”效應(yīng)。

植物殘?bào)w覆蓋土表是當(dāng)前普遍采用的一種保土措施，在中國(guó)的坡耕地上使用也較為廣泛；中國(guó)干旱地區(qū)，播種后往往會(huì)迎來(lái)當(dāng)年的雨季，此時(shí)地表植被覆蓋稀疏，秸稈覆蓋將對(duì)水土保持起到重要的作用[33]，而對(duì)秸稈覆蓋條件下坡面水動(dòng)力學(xué)特性的研究，對(duì)在坡耕地上合理布設(shè)水土保持措施具有重要的意義。在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中，由于人為破壞了原生地質(zhì)地貌、生態(tài)水文、土壤植被等，為土壤侵蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件[34]；在人工堆積體土石混合介質(zhì)表面布設(shè)秸稈覆蓋措施可有效防止土壤流失的產(chǎn)生。秸稈是否與表土緊密接觸是秸稈發(fā)揮防蝕作用的重要條件，加之工程堆積體土體較為松散、坡度相對(duì)較陡，因此秸稈越短越有利于在表土層形成致密的秸稈層，對(duì)坡面徑流的阻力更大，更有利于防止水土流失。秸稈覆蓋影響坡面土壤侵蝕的研究目前較多，但多側(cè)重于秸稈覆蓋量和秸稈覆蓋度等因素，而針對(duì)秸稈長(zhǎng)度的研究還較為少見(jiàn)。由于秸稈長(zhǎng)度不同，決定了單位質(zhì)量秸稈個(gè)體數(shù)量的多寡；秸稈越小，單位個(gè)體越多；反之則越少。與此同時(shí)，短秸稈更利于在地表行程交叉縱橫、相互疊加的空間結(jié)構(gòu)，減緩流速，增加了坡面流阻力；但缺點(diǎn)是當(dāng)流量較大時(shí)更容易隨水流發(fā)生空間位置的改變和沿水流方向產(chǎn)生短距離遷移。例如橫向位置的秸稈在水流作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，從而對(duì)水流產(chǎn)生導(dǎo)流作用，進(jìn)而使局部流速加快。而長(zhǎng)秸稈條件下，水流阻力相對(duì)較弱，水流繞流而行，對(duì)秸稈的拖拽力也相對(duì)較小，反而不易發(fā)生空間位置的改變。由此也說(shuō)明秸稈長(zhǎng)度變化對(duì)坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響較為深刻，進(jìn)而也會(huì)對(duì)坡面土壤侵蝕過(guò)程產(chǎn)生一定的影響，需要引起重視。此外，每次人工模擬沖刷試驗(yàn)所用秸稈并不是固定在沖刷槽床面上的，而是每次試驗(yàn)時(shí)更換新的秸稈。因此，每次試驗(yàn)的坡面秸稈空間結(jié)構(gòu)均會(huì)有所不同，可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。后續(xù)的研究還需考慮將秸稈均勻鋪撒并黏貼于沖刷槽床面，以便更精確地分析秸稈覆蓋下坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征。

4 結(jié) 論

本文利用室內(nèi)人工模擬徑流沖刷手段，采用定床阻力試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究不同長(zhǎng)度的秸稈覆蓋條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨流量和坡度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，秸稈覆蓋條件下，坡面流以層緩流為主，并隨流量增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡緩流。不同長(zhǎng)度的秸稈覆蓋坡面流雷諾數(shù)較為接近。秸稈覆蓋坡面流水深較裸坡增加145.64%，并隨秸稈長(zhǎng)度增加而降低；流速較裸坡降低了55.54%，隨秸稈長(zhǎng)度增加呈增加趨勢(shì)。秸稈覆蓋條件下，坡面流流態(tài)指數(shù)值隨秸稈長(zhǎng)度和坡度的增加總體呈降低趨勢(shì)；當(dāng)秸稈長(zhǎng)度由3～5 cm增加至13～15 cm時(shí)，流態(tài)指數(shù)平均由0.716降至0.501。坡面流Darcy-Weisbach阻力系數(shù)隨秸稈長(zhǎng)度增加而降低，并隨秸稈長(zhǎng)度增加，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系由正比例關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉幢壤P(guān)系。曼寧糙率系數(shù)隨秸稈長(zhǎng)度增加而顯著降低，且3種秸稈長(zhǎng)度條件下，曼寧糙率系數(shù)隨雷諾數(shù)呈增加趨勢(shì)。

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Wang Lingling, Yao Wenyi, Shen Zhenzhou, et al. Effects of grass coverage on shallow flow hydraulic parameters and sediment reduction[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(1): 80－83. (in Chinese with English abstract)

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Xiao Peiqing, Yao Wenyi, Shen Zhenzhou, et al. Study on runoff and infiltration process and hydraulic parameters characteristics with grass coverage[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(4): 50－53. (in Chinese with English abstract)

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Zhang Letao. Experimental Study on Dynamic Process of Soil Erosion of Engineering Accumulation in Steep Slope During the Process of Engineering Construction[D]. Yangling: The University of Chinese Academy of Sciences, 2013. (in Chinese with English abstract)

Hydraulic characteristic of overland flow on loess farmland slope under mulch with different wheat straw lengths

Li Chaodong1,2, Li Zhanbin1, Ma Jianye1, Ma Bo1※

(1.712100; 2.712100)

Straw mulching is one of the important conservation tillage measures, and has a positive effect on reducing soil erosion on slopping farmland. In order to study the impact of straw length on the hydrodynamic characteristics of overland flow, indoor artificial fixed bed erosion resistance experiments were carried in the Soil and Water Conservation Engineering Laboratory in Northwest A&F University. The study area was located in the southern Loess Plateau, Shaanxi Province, China (34°14′–34°20′N(xiāo), 107°59′–108°08′E). By the scour trough, the variations of hydrodynamic parameters of overland flow such as flow velocity, runoff depth, Reynolds number, Froude number, Darcy-Weisbach resistance coefficient and Manning roughness coefficient were determined at 4 slope gradients (3°, 5°, 10° and 15°), 5 flow rates (3.0, 4.5, 6.0, 7.5 and 9.0 L/min) and 3 wheat straw lengths (3-5, 8-10 and 13-15 cm). The slope without straw mulch was considered as the control (CK). The results showed that under the experimental condition, the wheat straw length greatly affected the hydrodynamic parameters. Under straw mulching with different straw lengths, Reynolds number ranged from 166 to 558, the overland flow was primarily laminar and subcritical flow when the flow rate was less than or equal to 7.5 L/min, and transformed into transition and subcritical flow while the flow rate was 9.0 L/min. Under the conditions of straw mulching, compared with bare slope, the overland flow ran with smaller flow velocity and higher runoff depth, Darcy-Weisbach resistance coefficient and Manning roughness coefficient. Straw length affected the runoff depth. Compared with the bare slope, the runoff depth of overland flow on slope with the straw length was increased by 107.69%-178.64%. Straw mulching could decrease the flow velocity by 48.30%-60.64% than the CK. The runoff depth decreased as the straw length increased, and the flow velocity increased with the increase in straw length. The flow state index of overflow with straw mulching was reduced with increased of straw length and slope gradient. When the straw length increased from 3-5 cm to 13-15 cm, the average flow state index was decreased from 0.716 to 0.501. The Darcy-Weisbach resistance coefficient was 0.14-1.47 on bare slope, 2.67-8.00 on slope with 3-5 cm straw mulch, 2.39-6.36 on slope with 8-10 cm straw mulch and 1.31-4.28 on slope with 13-15 cm straw mulch, respectively. It averagely increased by 20.89, 15.69 and 8.17 times respectively compared with the bare slope, indicating that the straw mulch could strongly resist the flow movement. Darcy-Weisbach resistance coefficient was decreased with the increase in straw length. The Manning roughness coefficient was 0.013-0.044 on the bare slope, 0.071-0.132 on slope with 3-5 cm straw mulch, 0.067-0.118 on slope with 8-10 cm straw mulch and 0.049-0.083 on slope with 13-15 cm straw mulch, respectively. It increased by 4.38, 3.64 and 2.33 times respectively compared with the bare slope. Manning roughness coefficient was reduced with straw length increased. This study could provide reliable information for clarifying the mechanism behind soil erosion with straw mulching on farmland slope.

flow patterns;hydrodynamics; straw; overland flow; fixed bed test; Loess farmland

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.022

S157.1

A

1002-6819(2017)-04-0153-08

2016-04-15

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（41401309、41330858）；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（2452015345）

李朝棟，男，陜西千陽(yáng)人，主要從事黃土高原土壤侵蝕試驗(yàn)研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。 Email：soilcrop@163.com

馬 波，男，陜西西鄉(xiāng)人，博士，助理研究員，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。 Email：mabo_916@126.com

李朝棟，李占斌，馬建業(yè)，馬 波. 不同長(zhǎng)度小麥秸稈覆蓋下黃土耕地坡面流水動(dòng)力學(xué)特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：153－160. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.022 http://www.tcsae.org

Li Chaodong, Li Zhanbin, Ma Jianye, Ma Bo. Hydraulic characteristic of overland flow on loess farmland slope under mulch with different wheat straw lengths[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 153－160. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.022 http://www.tcsae.org