小麥秸稈覆蓋量對坡面流水動力學特性影響

李 桂，曹文華，馬建業，馬 波,2※，王陽修，王秋月

小麥秸稈覆蓋量對坡面流水動力學特性影響

李 桂1，曹文華3，馬建業1，馬 波1,2※，王陽修1，王秋月4

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

為系統研究小麥秸稈覆蓋量對坡面流水動力學特性的影響，采用室內定床模擬試驗，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，坡面流水動力參數隨秸稈覆蓋量（0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2）的變化特征。結果表明：1）秸稈覆蓋顯著影響坡面流流型，在不同流量和坡度下，無秸稈覆蓋時坡面流型均為急流，而在秸稈覆蓋條件下，坡面流型均變為緩流。當流量≤7.5 L/min時，流態均為層流，當流量＞7.5 L/min時，流態均為過渡流。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，坡面流流態指數隨坡度的變化規律不一致。覆蓋量≤2.5 t/hm2時，隨坡度的增加，流態指數呈先增后減的變化趨勢，覆蓋量＞2.5 t/hm2時，流態指數隨坡度的增加而逐漸減小。4）不同覆蓋量下，坡面流阻力系數隨坡度的變化規律不一致。秸稈覆蓋坡面阻力系數是裸坡的9.36～19.68倍。低覆蓋量下（≤2.5t/hm2）阻力系數在10°坡度達最大值，高覆蓋量下（≥3.5 t/hm2），阻力系數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力學機制提供科學依據。

土壤；侵蝕；水動力參數；坡面流；秸稈覆蓋量；定床試驗；黃土高原坡耕地

0 引 言

土壤侵蝕是嚴重的環境問題之一，可導致土地生產力下降、土壤沙漠化和石漠化、淤塞河道、抬高下游河床等諸多生態問題。中國的坡耕地土壤侵蝕問題不容忽視，根據《2021年中國水土保持公報》（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地，土地生產力受到嚴重威脅[1]。秸稈覆蓋作為保護性耕作的重要措施之一，不僅能夠增加地表粗糙度，減小徑流流速和產流產沙量[2-3]，增加土壤水分入滲[4]，還能夠改善耕層土壤結構，促進土壤有機質累積[5]，對農田可持續發展具有重要意義。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沙的初始動力因素[7]。坡面流水動力學特性主要包括流態流型及阻力，可直觀反映坡面土壤的侵蝕過程[8]，為坡面侵蝕預報模型提供依據，其主要受下墊面條件、雨強、流量、坡度坡長等因素影響。

目前，諸多學者在研究裸坡[9-12]水動力學特性的基礎上，對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力學特征變化規律進行研究，已取得了較為豐富的研究成果。在坡面薄層徑流水動力學特性研究方面，有學者認為在雨滴打擊的作用下，盡管坡面薄層水流雷諾數屬于層流范疇，但無法忽略雨滴對徑流的擾動作用，故將這種流態命名為“攪動層流”[9]、“偽層流”[10]；張寬地等[11]觀察到坡面薄層水流的滾波現象，并根據坡面薄層水流是否產生失穩現象將流態分為層流失穩區、過渡區和紊流區3個流區。可見，坡面薄層徑流除了具備層流特征外，還會出現失穩、滾波等紊流特性，這有別于傳統的層流特征。目前，顆粒阻力、形態阻力、波阻力和降雨阻力是明渠水流中較為公認的阻力形式，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的變化。

草被的類型和空間分布格局影響著坡面流流態和流型[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，草被密度并不是越大阻水效果越好，研究表明存在一個最優植被密度使得阻水作用最佳[22]。李朝棟等[23]研究發現長秸稈比短秸稈具有更好的“增阻”效應。Darcy-Weisbach阻力系數表征了下墊面對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，而雷諾數是判別液流流動形態的通用標準數，諸多學者就阻力系數與雷諾數之間的關系展開了研究，研究結果不盡相同，例如，張冠華等[24]研究發現裸坡、植被坡面以及根系作用坡面的阻力系數與雷諾數均成冪函數關系，而王靜雯[25]研究發現阻力系數與雷諾數之間的關系與草被覆蓋度有關，覆蓋度的高低影響著形態阻力在水流總阻力中的占比。可見，草被類型、蓋度及分布格局均影響著坡面流水動力學特性。

但是目前關于秸稈覆蓋條件下坡面流的水動力學特性研究較少，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，對其覆蓋下的坡面流水動力學特性進行研究，對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意義。基于此，為了排除床面微地形變化、下墊面水沙交換等因素的影響，只考慮秸稈覆蓋對坡面流水動力學特性的影響，本試驗采用室內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，對坡面流水動力參數隨秸稈覆蓋量（0、1.5、2.5、3.5、4.5t/hm2）的變化特征進行探究，以期為秸稈覆蓋條件下黃土高原坡耕地水土流失防治應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗在西北農林科技大學水土保持與荒漠化防治工程實驗室開展（34°14′N～34°20′N、107°59′E～108°08′E），試驗選擇人工模擬徑流沖刷法。試驗用小麥秸稈為當年5月人工收割并自然曬干，通過調查當地農田秸稈覆蓋長度，以及查閱相關資料[26-27]，將秸稈裁剪為8～10 cm長度。秸稈覆蓋量根據當地秸稈還田典型覆蓋量并適當分級為0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2[28]，所覆蓋秸稈按剛性覆蓋考慮。本試驗采用定床阻力坡面進行，定床的坡面流水深和流速不會受下墊面的影響，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水流紊動的影響，只需考慮秸稈覆蓋對坡面流水力學參數的影響。試驗坡度依據臨界坡度分級法[29]設計為3°、5°、10°和15°；試驗設計放水流量根據黃土高原地區侵蝕性降雨范圍[30]以及秸稈抵抗徑流沖刷產生空間位移的承受能力，并盡可能使水流達到薄層流，將放水流量設計為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不同覆蓋量條件下的坡面進行人工模擬徑流沖刷試驗，重復測量3次，共計300個處理。

人工模擬徑流沖刷試驗裝置由供水裝置、流量計、穩流槽、沖刷槽和集流槽等部分組成（圖1）。沖刷槽為可調坡度式鋼制沖刷槽，試驗沖刷槽結構尺寸為200 cm（長）×30cm（寬）×30 cm（深），沖刷槽坡度可以在試驗需求范圍內任意調節。試驗采用定床阻力坡面進行，需對坡面進行固化處理，采用楊凌本地土壤塿土，對土壤進行風干處理后過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雨強的降雨條件下1 h左右，使土壤自然下沉、壓實，后將下沉部分補填至水平。待床面自然風干后，對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，形成穩定糙率。試驗開始前，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交錯的自然狀態和位置。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗沿沖刷水槽自上而下設置3個觀測斷面，分別設于距水槽頂部70、130和190 cm處。每個觀測斷面橫向設置左、中、右3個觀測點，所有觀測點均觀測流速（KMnO4染色示蹤法）。試驗開始前，在流量計控制的前提下采用稱重法對放水流量進行多次率定，以確保實際流量的準確性。試驗過程中用水銀溫度計（分度值0.1 ℃）對水溫（穩流槽）進行測定。沖刷過程如圖2所示。

圖2 沖刷過程圖

1.2 水力參數計算

1）流速（）：流速采用沖刷槽3個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勢流的流速，故以下計算式中流速（）為實測流速v取平均值后乘以修正系數0.75所得[31]：

0.75 v（1）

2）水深（）：由于放水流量相對較小，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（）：雷諾數反映了坡面薄層徑流的紊動程度，是水流慣性力與黏滯力的比值，用于判別坡面流流態。根據明渠水流基本理論，當<500時，水流為層流；當500≤≤2000時，水流為過渡流；當>2 000時，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；為運動黏滯系數，m2/s，采用泊謖葉公式計算：

=0.017 75/(1+0.033 7+0.000 2212) （4）

式中為水溫，℃。

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

=/(·)0.5（5）

式中為重力加速度，取9.81 m/s2。

5）流態指數（）：流態指數反映了單寬流量對坡面流流速的影響程度，即水流耗能的主要形式，用式（6）表示流態指數[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。指數1?越小，即越大，說明單寬流量對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1?越大，即越小，說明能量轉化為動能越多。

6）薄層水流阻力系數（）：本試驗采用Darcy-Weisbach公式進行計算：

=8··/2（7）

式中為Darcy-Weisbach阻力系數。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋下坡面流流型及流態

雷諾數（）和佛汝德數（）是表征坡面薄層徑流水動力特征的基本參數。結合陳椿庭[34]的六區流態理論，將水流分為緩層流區、急層流區、緩過渡流區、急過渡流區、緩紊流區和急紊流區6個區（表1）。

表1 流型流態分區表

注：為雷諾數；為佛汝德數。

Note:is Reynolds number;is Froude number.

水流的流型流態見圖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的變化范圍為163～575，水流的流態主要分布在<1的緩層流和緩過渡流區，均未達到紊流區。當坡面無秸稈覆蓋時，水流流態主要為急層流和急過渡流，且隨著秸稈覆蓋量的增加，水流流態逐漸轉變為緩層流和緩過渡流。如圖4所示，當流量≤7.5 L/min時，不同秸稈覆蓋量及裸坡坡面的流態均為層流，當流量＞7.5 L/min時，流態均為過渡流。

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

圖4 不同流量下雷諾數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對比關系與流量的大小有關，具體表現為，當流量為3 L/min時，在同一坡度下，秸稈覆蓋坡面雷諾數均大于裸坡，隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面流雷諾數分別較裸坡增加了26.88%、23.92%、24.16%、27.33%（<0.05），說明秸稈的存在增強了水流的紊動程度。而當流量>3.0 L/min時，在各個坡度下，秸稈覆蓋坡面的雷諾數均較裸坡低，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程度，其中雷諾數最大降幅對應的流量為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具有顯著差異，而隨著秸稈覆蓋量和坡度的增加，雷諾數的變化規律不明顯。

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差異顯著，隨著秸稈覆蓋量的增加，佛汝德數分別較裸坡平均減少了62.64%、68.82%、72.54%、75.03%，其中佛汝德數最大降幅對應的流量為7.5 L/min，秸稈覆蓋量為4.5 t/hm2。覆蓋量和流量相同時，隨著坡度的增加，佛汝德數顯著增加（<0.05）。

2.2 秸稈覆蓋下坡面流流速與流態指數

不同秸稈覆蓋量坡面的流速與坡度及單寬流量的關系如圖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。方差分析結果表明，隨坡度的增加，坡面流流速顯著增加（<0.05），流量對流速有顯著影響。

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，覆蓋量由0增加至4.5 t/hm2時，流態指數整體呈波動增加的趨勢。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較小，單寬流量對流速的影響更大，水流能量主要轉化為動能的增加，故流態指數較小。隨著覆蓋量增加，坡面流與秸稈發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，而動能增加成為能量轉化的次要形式，故流態指數較大。

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

本試驗中裸坡流態指數范圍為0.086至0.178，秸稈覆蓋坡面流態指數變化范圍為0.247至0.766。按照明渠水力學中的判斷標準，層流區流態指數=1/3，紊流區流態指數=3/5[35]，則本試驗工況下裸坡坡面以及15°的秸稈覆蓋坡面流屬于層流區，小于15°的秸稈覆蓋坡面流以過渡流區為主。

表2 不同水力坡度下流態指數

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、形態阻力、波阻力和降雨阻力，本研究采用Darcy-Weisbach阻力系數（）來表征不同試驗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（）與雷諾數（）及佛汝得數（）之間的關系圖。

如表3所示，方差分析結果表明，流量、覆蓋量和坡度均能夠顯著影響坡面流的阻力系數。圖6顯示了不同覆蓋量條件下，雷諾數與阻力系數的變化規律，可以看出，在裸坡和覆蓋量為1.5 t/hm2時，阻力系數與雷諾數呈冪函數關系（表4），當秸稈覆蓋量>1.5 t/hm2時，阻力系數與雷諾數的冪函數關系不顯著，隨著覆蓋量的增加，兩者關系式的決定系數逐漸降低。總體來看，隨著雷諾數的增加，裸坡條件下坡面流阻力系數呈逐漸降低的趨勢，秸稈覆蓋條件下坡面流阻力系數隨雷諾數的增大呈波動增大的趨勢，在試驗設定工況下，裸坡的阻力系數變化范圍為0.14～1.47，隨著秸稈覆蓋量的增加，阻力系數變化范圍分別為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是裸坡的9.36～19.68倍，可見，阻力系數隨覆蓋量的增大而顯著增大，秸稈覆蓋措施對坡面水流起到了顯著的增阻作用，秸稈覆蓋量越大，單位面積內秸稈數量越多，增阻作用越強。

表3 坡面流阻力系數方差分析

表4 不同秸稈覆蓋量下雷諾數Re與阻力系數f的關系

此外，當秸稈覆蓋量≤2.5 t/hm2時，10°坡度的阻力系數整體上均大于其他坡度條件下的阻力系數，這與張寬地[35]得出的坡度越大，增阻效果越明顯這一結果有所不同。分析其原因可能是張寬地的試驗采用不同粒徑的沙粒貼于床底來表征不同粗糙度，其床面形態不隨流量和坡度的變化而變化，而本試驗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，秸稈覆蓋量較低，其交錯縱橫形成的結構較簡單，秸稈容易被徑流沖刷發生位移和轉向，從而對坡面流起到導流作用，增阻作用相對被削弱，因此，15°坡度的阻力系數反而較小，而3°、5°緩坡條件下坡面流流速相對較小，徑流的能量相對較低，秸稈不易發生空間上的位移，因此低秸稈覆蓋條件下阻力系數在10°坡度達最大值，而高秸稈覆蓋條件下（≥3.5 t/hm2），阻力系數整體上隨坡度的增加而增加。

圖6 不同秸稈覆蓋量Darcy-Weisbach阻力系數與雷諾數的關系

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

圖7 不同秸稈覆蓋量Darcy-Weisbach阻力系數與佛汝得數的關系

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

3 討 論

本試驗中，秸稈覆蓋坡面的水流流態均為層緩流，且秸稈覆蓋量越大，坡面流流態越傾向于層緩流區，這與蔣利斌等[36]研究得到結果類似。隨著流量的增加，雷諾數顯著增大，水流流態逐漸轉變為過渡緩流，均未達到紊流態。裸坡與秸稈覆蓋坡面之間的雷諾數對比關系受流量大小的影響，同一坡度下，當流量為3 L/min時，秸稈覆蓋條件下的坡面流雷諾數較裸坡大，坡面流的紊動程度增加，而當流量>3 L/min時，秸稈覆蓋條件下的坡面流雷諾數較裸坡小，坡面流的紊動性較裸坡低，分析其原因可能是，秸稈覆蓋層在抬高水深的同時，也有減緩流速的作用，在流量較低時，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，秸稈的存在對水深的抬升作用更明顯，ZHAO等[37]認為植被覆蓋坡面雷諾數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，造成徑流的紊動性增加，因此秸稈覆蓋層的雷諾數較裸坡大；隨著流量增大，水深進一步增加，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，秸稈對水深的抬升作用開始減弱，而對流速的降低作用開始凸顯，從而使徑流的紊動性降低，因此秸稈覆蓋層的雷諾數較裸坡小。

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。這是因為秸稈層內部縱橫交錯的結構增加了植被阻力，水流流經秸稈時在其前后形成壅浪和尾渦，流速方向發生改變，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。由于本試驗采用定床阻力坡面，徑流不會滲入下墊面，流量不變時，流速的減小必然會導致水深的增加。

試驗中裸坡阻力系數變化范圍為0.14～1.47，秸稈覆蓋坡面阻力系數變化范圍為1.21～8.50，秸稈覆蓋坡面的阻力系數均高于裸坡。在裸坡條件下，僅有顆粒阻力對坡面流產生阻滯作用，隨著雷諾數的增大，水深逐漸增大，下墊面粗糙顆粒對水流的阻滯作用逐漸減小，阻力系數逐漸減小，當水深完全淹沒下墊面粗糙顆粒時，阻力系數趨于穩定，這與前人的研究結果一致[38]。在本研究中，裸坡和秸稈覆蓋量為1.5 t/hm2時，坡面流阻力系數與雷諾數呈冪函數關系，隨著秸稈覆蓋量的增加，阻力系數與雷諾數之間的冪函數關系不再顯著，這可能是因為當顆粒阻力占據主導作用時，阻力系數與雷諾數的冪函數關系才成立[39]，在秸稈覆蓋坡面，顆粒阻力和形態阻力共同作用于坡面流，隨著覆蓋量的增加，阻力系數顯著增加。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阻力，形態阻力成為秸稈覆蓋坡面阻力的主要形式[19,37]；另一方面，形態阻力和顆粒阻力在秸稈周圍相互影響，會產生附加阻力[13,40]，隨著覆蓋量的增加，兩者相互影響的區域面積增加，徑流沿程阻力增大。在本試驗條件下，秸稈覆蓋坡面阻力系數與雷諾數呈正相關關系，同一秸稈覆蓋量下，隨著雷諾數的增加，徑流水深相對增加，水流與秸稈相互摩擦、碰撞的幾率變大，形態阻力與附加阻力隨之增加，這與楊帆等[41]的研究結果類似。

4 結 論

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

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指數的大小。且在不同秸稈覆蓋量下，流態指數隨坡度的變化規律不同。覆蓋量≤2.5 t/hm2時，隨坡度的增加，流態指數呈先增后減的變化趨勢，覆蓋量＞2.5 t/hm2時，流態指數隨坡度的增加而逐漸減小。

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

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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，等. 小麥秸稈覆蓋量對坡面流水動力學特性影響[J]. 農業工程學報，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

國家自然科學基金面上項目（41771311，41561144011）；重慶市科研院所績效激勵引導專項（cqaas2020jxjl03）

李桂，博士生，研究方向為土壤侵蝕。Email：ligui2020@nwafu.edu.cn

馬波，博士，副研究員，研究方向為土壤侵蝕。Email：mab@nwafu.edu.cn