小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响

李 桂，曹文华，马建业，马 波,2※，王阳修，王秋月

小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响

李 桂1，曹文华3，马建业1，马 波1,2※，王阳修1，王秋月4

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 水利部水土保持监测中心，北京 100053；4. 重庆市农业科学院特色作物研究所，重庆 402160）

为系统研究小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性的影响，采用室内定床模拟试验，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，坡面流水动力参数随秸秆覆盖量（0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2）的变化特征。结果表明：1）秸秆覆盖显著影响坡面流流型，在不同流量和坡度下，无秸秆覆盖时坡面流型均为急流，而在秸秆覆盖条件下，坡面流型均变为缓流。当流量≤7.5 L/min时，流态均为层流，当流量＞7.5 L/min时，流态均为过渡流。2）随着秸秆覆盖量的增加，坡面流流速分别较裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。3）不同覆盖量下，坡面流流态指数随坡度的变化规律不一致。覆盖量≤2.5 t/hm2时，随坡度的增加，流态指数呈先增后减的变化趋势，覆盖量＞2.5 t/hm2时，流态指数随坡度的增加而逐渐减小。4）不同覆盖量下，坡面流阻力系数随坡度的变化规律不一致。秸秆覆盖坡面阻力系数是裸坡的9.36～19.68倍。低覆盖量下（≤2.5t/hm2）阻力系数在10°坡度达最大值，高覆盖量下（≥3.5 t/hm2），阻力系数整体上随坡度的增加而增加。该研究可为不同秸秆覆盖量下坡面水蚀过程的动力学机制提供科学依据。

土壤；侵蚀；水动力参数；坡面流；秸秆覆盖量；定床试验；黄土高原坡耕地

0 引 言

土壤侵蚀是严重的环境问题之一，可导致土地生产力下降、土壤沙漠化和石漠化、淤塞河道、抬高下游河床等诸多生态问题。中国的坡耕地土壤侵蚀问题不容忽视，根据《2021年中国水土保持公报》（水利部），中国共有水土流失面积267.42万km2，其中坡耕地水土流失面积为5.73万hm2。坡耕地作为水土流失多发地，土地生产力受到严重威胁[1]。秸秆覆盖作为保护性耕作的重要措施之一，不仅能够增加地表粗糙度，减小径流流速和产流产沙量[2-3]，增加土壤水分入渗[4]，还能够改善耕层土壤结构，促进土壤有机质累积[5]，对农田可持续发展具有重要意义。坡面流是指降雨或融雪在扣除土壤入渗、地表填洼及植被截留等损失后，在重力作用下沿坡面流动的浅层水流，是地表径流的初始阶段[6]，是坡面土壤侵蚀及产沙的初始动力因素[7]。坡面流水动力学特性主要包括流态流型及阻力，可直观反映坡面土壤的侵蚀过程[8]，为坡面侵蚀预报模型提供依据，其主要受下垫面条件、雨强、流量、坡度坡长等因素影响。

目前，诸多学者在研究裸坡[9-12]水动力学特性的基础上，对不同植被分布格局及覆盖物类型[13-18]条件下坡面流的水动力学特征变化规律进行研究，已取得了较为丰富的研究成果。在坡面薄层径流水动力学特性研究方面，有学者认为在雨滴打击的作用下，尽管坡面薄层水流雷诺数属于层流范畴，但无法忽略雨滴对径流的扰动作用，故将这种流态命名为“搅动层流”[9]、“伪层流”[10]；张宽地等[11]观察到坡面薄层水流的滚波现象，并根据坡面薄层水流是否产生失稳现象将流态分为层流失稳区、过渡区和紊流区3个流区。可见，坡面薄层径流除了具备层流特征外，还会出现失稳、滚波等紊流特性，这有别于传统的层流特征。目前，颗粒阻力、形态阻力、波阻力和降雨阻力是明渠水流中较为公认的阻力形式，影响坡面薄层径流阻力的因素有很多，例如，黏性底层厚度、径流总能量[12]以及地表粗糙单元的淹没程度[13]都能够影响坡面流阻力系数的变化。

草被的类型和空间分布格局影响着坡面流流态和流型[14-15]，在草被覆盖坡面，植被阻力是主要阻力的形式，属于形态阻力的范畴[19]。李兆松等[20]研究表明枯落物直径是影响坡面流流速和阻力系数的主要因子，周涛等[21]研究表明植被措施可以增加工程堆积体坡面径流阻力系数，草被密度并不是越大阻水效果越好，研究表明存在一个最优植被密度使得阻水作用最佳[22]。李朝栋等[23]研究发现长秸秆比短秸秆具有更好的“增阻”效应。Darcy-Weisbach阻力系数表征了下垫面对坡面流的阻力作用大小，阻力作用越大，径流克服阻力所消耗的能量就越多，用于输移泥沙的能量就越少，而雷诺数是判别液流流动形态的通用标准数，诸多学者就阻力系数与雷诺数之间的关系展开了研究，研究结果不尽相同，例如，张冠华等[24]研究发现裸坡、植被坡面以及根系作用坡面的阻力系数与雷诺数均成幂函数关系，而王静雯[25]研究发现阻力系数与雷诺数之间的关系与草被覆盖度有关，覆盖度的高低影响着形态阻力在水流总阻力中的占比。可见，草被类型、盖度及分布格局均影响着坡面流水动力学特性。

但是目前关于秸秆覆盖条件下坡面流的水动力学特性研究较少，而秸秆覆盖作为黄土高原坡耕地常见的水土保持措施之一，对其覆盖下的坡面流水动力学特性进行研究，对于土壤侵蚀的防治及秸秆的合理化施用都具有一定的指导意义。基于此，为了排除床面微地形变化、下垫面水沙交换等因素的影响，只考虑秸秆覆盖对坡面流水动力学特性的影响，本试验采用室内人工模拟径流冲刷定床阻力坡面，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，对坡面流水动力参数随秸秆覆盖量（0、1.5、2.5、3.5、4.5t/hm2）的变化特征进行探究，以期为秸秆覆盖条件下黄土高原坡耕地水土流失防治应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治工程实验室开展（34°14′N～34°20′N、107°59′E～108°08′E），试验选择人工模拟径流冲刷法。试验用小麦秸秆为当年5月人工收割并自然晒干，通过调查当地农田秸秆覆盖长度，以及查阅相关资料[26-27]，将秸秆裁剪为8～10 cm长度。秸秆覆盖量根据当地秸秆还田典型覆盖量并适当分级为0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm2[28]，所覆盖秸秆按刚性覆盖考虑。本试验采用定床阻力坡面进行，定床的坡面流水深和流速不会受下垫面的影响，坡面糙率沿程不变，因此在研究中可忽略床面微地形变化、下垫面水沙交换等因素对水流紊动的影响，只需考虑秸秆覆盖对坡面流水力学参数的影响。试验坡度依据临界坡度分级法[29]设计为3°、5°、10°和15°；试验设计放水流量根据黄土高原地区侵蚀性降雨范围[30]以及秸秆抵抗径流冲刷产生空间位移的承受能力，并尽可能使水流达到薄层流，将放水流量设计为3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 L/min。在不同坡度和流量下分别对不同覆盖量条件下的坡面进行人工模拟径流冲刷试验，重复测量3次，共计300个处理。

人工模拟径流冲刷试验装置由供水装置、流量计、稳流槽、冲刷槽和集流槽等部分组成（图1）。冲刷槽为可调坡度式钢制冲刷槽，试验冲刷槽结构尺寸为200 cm（长）×30cm（宽）×30 cm（深），冲刷槽坡度可以在试验需求范围内任意调节。试验采用定床阻力坡面进行，需对坡面进行固化处理，采用杨凌本地土壤塿土，对土壤进行风干处理后过5 mm筛，冲刷槽填土采用分层填装的方式，控制土壤容重在1.3 g/cm3左右，填土深度25 cm，分5层填装，填土过程中冲刷槽始终处于0°放置。填土完成后为消除模拟填土的松散状况，将冲刷槽置于20 mm/h雨强的降雨条件下1 h左右，使土壤自然下沉、压实，后将下沉部分补填至水平。待床面自然风干后，对床面均匀的喷洒清漆使床面固化。将直径2～5 mm的土壤颗粒均匀的撒在固化后的床面上，再次喷洒清漆，至土壤颗粒完全被包裹并粘于床面，形成稳定糙率。试验开始前，将裁剪好的待用秸秆充分浸水12 h并控干水分，人工撒布于床面上，使其均匀分布且保持随机交错的自然状态和位置。

图1 试验装置示意图

试验沿冲刷水槽自上而下设置3个观测断面，分别设于距水槽顶部70、130和190 cm处。每个观测断面横向设置左、中、右3个观测点，所有观测点均观测流速（KMnO4染色示踪法）。试验开始前，在流量计控制的前提下采用称重法对放水流量进行多次率定，以确保实际流量的准确性。试验过程中用水银温度计（分度值0.1 ℃）对水温（稳流槽）进行测定。冲刷过程如图2所示。

图2 冲刷过程图

1.2 水力参数计算

1）流速（）：流速采用冲刷槽3个断面多次观测的表面流速，因KMnO4染色示踪法测得流速为表面优势流的流速，故以下计算式中流速（）为实测流速v取平均值后乘以修正系数0.75所得[31]：

0.75 v（1）

2）水深（）：由于放水流量相对较小，水深较浅，若直接测量误差较大，可用式（2）表示水深：

=/（2）

式中为水深，m；为单宽流量，L/(m×s)；为断面平均流速，m/s。

3）水流雷诺数（）：雷诺数反映了坡面薄层径流的紊动程度，是水流惯性力与黏滞力的比值，用于判别坡面流流态。根据明渠水流基本理论，当<500时，水流为层流；当500≤≤2000时，水流为过渡流；当>2 000时，水流为紊流[32]。

=·/（3）

式中为水力半径，m，其取值可近似等于水深，m；为运动黏滞系数，m2/s，采用泊谡叶公式计算：

=0.017 75/(1+0.033 7+0.000 2212) （4）

式中为水温，℃。

4）水流佛汝德数（）：佛汝德数用于判别水流流型，表示为水流惯性力与重力德比值。当<1时，水流为缓流；当=1时，水流为临界流；当>1时，水流为急流。明渠水流的佛汝得数计算式为：

=/(·)0.5（5）

式中为重力加速度，取9.81 m/s2。

5）流态指数（）：流态指数反映了单宽流量对坡面流流速的影响程度，即水流耗能的主要形式，用式（6）表示流态指数[33]。

=·1-m·J（6）

式中为水力坡度，其值为坡度的正弦值，即=sin，为冲刷槽坡度。，，为回归系数。指数1−越小，即越大，说明单宽流量对平均流速的影响越小，阻力做功成为能量消耗的主要形式。指数1−越大，即越小，说明能量转化为动能越多。

6）薄层水流阻力系数（）：本试验采用Darcy-Weisbach公式进行计算：

=8··/2（7）

式中为Darcy-Weisbach阻力系数。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖下坡面流流型及流态

雷诺数（）和佛汝德数（）是表征坡面薄层径流水动力特征的基本参数。结合陈椿庭[34]的六区流态理论，将水流分为缓层流区、急层流区、缓过渡流区、急过渡流区、缓紊流区和急紊流区6个区（表1）。

表1 流型流态分区表

注：为雷诺数；为佛汝德数。

Note:is Reynolds number;is Froude number.

水流的流型流态见图3。在不同的坡度及秸秆覆盖量条件下，秸秆覆盖坡面雷诺数的变化范围为163～575，水流的流态主要分布在<1的缓层流和缓过渡流区，均未达到紊流区。当坡面无秸秆覆盖时，水流流态主要为急层流和急过渡流，且随着秸秆覆盖量的增加，水流流态逐渐转变为缓层流和缓过渡流。如图4所示，当流量≤7.5 L/min时，不同秸秆覆盖量及裸坡坡面的流态均为层流，当流量＞7.5 L/min时，流态均为过渡流。

Ⅰ.急层流区 Ⅱ.急过渡流区 Ⅲ.急紊流区 Ⅳ.缓层流区 Ⅴ.缓过渡流区 Ⅵ.缓紊流区

图4 不同流量下雷诺数随秸秆覆盖量的变化

在坡度和覆盖量一定的条件下，雷诺数随流量的增加而显著增加（<0.05）。在同一坡度下，裸坡与秸秆覆盖坡面之间的雷诺数对比关系与流量的大小有关，具体表现为，当流量为3 L/min时，在同一坡度下，秸秆覆盖坡面雷诺数均大于裸坡，随着秸秆覆盖量的增加，坡面流雷诺数分别较裸坡增加了26.88%、23.92%、24.16%、27.33%（<0.05），说明秸秆的存在增强了水流的紊动程度。而当流量>3.0 L/min时，在各个坡度下，秸秆覆盖坡面的雷诺数均较裸坡低，减小幅度在0.46%～6.61%之间，相较于裸坡，秸秆覆盖处理减小了坡面流的紊动程度，其中雷诺数最大降幅对应的流量为7.5 L/min，秸秆覆盖量为3.5 t/hm2。在同一流量和坡度下，裸坡与秸秆覆盖坡面的雷诺数具有显著差异，而随着秸秆覆盖量和坡度的增加，雷诺数的变化规律不明显。

在同一坡度和流量下，有秸秆覆盖的坡面与裸坡之间的佛汝德数差异显著，随着秸秆覆盖量的增加，佛汝德数分别较裸坡平均减少了62.64%、68.82%、72.54%、75.03%，其中佛汝德数最大降幅对应的流量为7.5 L/min，秸秆覆盖量为4.5 t/hm2。覆盖量和流量相同时，随着坡度的增加，佛汝德数显著增加（<0.05）。

2.2 秸秆覆盖下坡面流流速与流态指数

不同秸秆覆盖量坡面的流速与坡度及单宽流量的关系如图5所示，随着流量和坡度的增加，裸坡和秸秆覆盖坡面的断面平均流速均逐渐增大，且裸坡的增加幅度更大。由于秸秆覆盖的作用，秸秆覆盖坡面流的流速均小于裸坡，且秸秆覆盖坡面流速的增幅逐渐减小。试验工况下，裸坡坡面水流平均流速的变化范围为0.107～0.400 m/s，秸秆覆盖坡面水流平均流速变化范围为0.052～0.158 m/s，总体来看，随着秸秆覆盖量的增加，坡面流流速分别较裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。同一流量和坡度下，秸秆覆盖坡面和裸坡坡面的流速差异显著, 随着秸秆覆盖量的增加，坡面流流速整体上呈减小趋势。方差分析结果表明，随坡度的增加，坡面流流速显著增加（<0.05），流量对流速有显著影响。

图5 不同秸秆覆盖量条件下坡面流流速

由表2可以看出，坡度一定时，覆盖量由0增加至4.5 t/hm2时，流态指数整体呈波动增加的趋势。在裸坡和低秸秆覆盖（≤2.5 t/hm2）条件下的坡面，坡面流受到秸秆的阻力作用相对较小，单宽流量对流速的影响更大，水流能量主要转化为动能的增加，故流态指数较小。随着覆盖量增加，坡面流与秸秆发生碰撞摩擦的几率增加，床面的阻力增加，坡面流克服秸秆阻力做功逐渐成为能量消耗的主要形式，而动能增加成为能量转化的次要形式，故流态指数较大。

覆盖量≤2.5 t/hm2时，随着坡度的增加，流态指数呈先增后减的变化趋势，在坡度为5°时流态指数均达到最大值，在坡度≤5°时，秸秆覆盖层对坡面流的拖曳力随坡度增加而增加，阻力做功占据能量消耗的比重大于动能增加的占比。当坡度＞5°时，单宽流量对平均流速的影响逐渐凸显出来，流速增加成为能量转化的主要形式。覆盖量＞2.5 t/hm2时，流态指数随坡度的增加而逐渐减小，说明覆盖量较大时，随坡度的增加，单宽流量对流速的影响逐渐增加。由以上分析可以看出，坡面流流态指数的大小与坡度有关，但其变化规律受秸秆覆盖量的影响。

本试验中裸坡流态指数范围为0.086至0.178，秸秆覆盖坡面流态指数变化范围为0.247至0.766。按照明渠水力学中的判断标准，层流区流态指数=1/3，紊流区流态指数=3/5[35]，则本试验工况下裸坡坡面以及15°的秸秆覆盖坡面流属于层流区，小于15°的秸秆覆盖坡面流以过渡流区为主。

表2 不同水力坡度下流态指数

2.3 秸秆覆盖下坡面水流的阻力特征

床面的阻力形式主要包括颗粒阻力、形态阻力、波阻力和降雨阻力，本研究采用Darcy-Weisbach阻力系数（）来表征不同试验组坡面水流受到的阻力大小，并绘制了不同秸秆覆盖量下坡面流阻力系数（）与雷诺数（）及佛汝得数（）之间的关系图。

如表3所示，方差分析结果表明，流量、覆盖量和坡度均能够显著影响坡面流的阻力系数。图6显示了不同覆盖量条件下，雷诺数与阻力系数的变化规律，可以看出，在裸坡和覆盖量为1.5 t/hm2时，阻力系数与雷诺数呈幂函数关系（表4），当秸秆覆盖量>1.5 t/hm2时，阻力系数与雷诺数的幂函数关系不显著，随着覆盖量的增加，两者关系式的决定系数逐渐降低。总体来看，随着雷诺数的增加，裸坡条件下坡面流阻力系数呈逐渐降低的趋势，秸秆覆盖条件下坡面流阻力系数随雷诺数的增大呈波动增大的趋势，在试验设定工况下，裸坡的阻力系数变化范围为0.14～1.47，随着秸秆覆盖量的增加，阻力系数变化范围分别为1.21～3.48、1.83～5.69、2.39～6.36、2.98～8.50，分别较裸坡增加了8.36%、12.02%、15.69%、18.68%，秸秆覆盖坡面阻力系数是裸坡的9.36～19.68倍，可见，阻力系数随覆盖量的增大而显著增大，秸秆覆盖措施对坡面水流起到了显著的增阻作用，秸秆覆盖量越大，单位面积内秸秆数量越多，增阻作用越强。

表3 坡面流阻力系数方差分析

表4 不同秸秆覆盖量下雷诺数Re与阻力系数f的关系

此外，当秸秆覆盖量≤2.5 t/hm2时，10°坡度的阻力系数整体上均大于其他坡度条件下的阻力系数，这与张宽地[35]得出的坡度越大，增阻效果越明显这一结果有所不同。分析其原因可能是张宽地的试验采用不同粒径的沙粒贴于床底来表征不同粗糙度，其床面形态不随流量和坡度的变化而变化，而本试验采用不同秸秆覆盖量来表征不同粗糙度，由于15°坡度较大，秸秆与坡面之间的摩擦力较小，覆盖量≤2.5 t/hm2时，秸秆覆盖量较低，其交错纵横形成的结构较简单，秸秆容易被径流冲刷发生位移和转向，从而对坡面流起到导流作用，增阻作用相对被削弱，因此，15°坡度的阻力系数反而较小，而3°、5°缓坡条件下坡面流流速相对较小，径流的能量相对较低，秸秆不易发生空间上的位移，因此低秸秆覆盖条件下阻力系数在10°坡度达最大值，而高秸秆覆盖条件下（≥3.5 t/hm2），阻力系数整体上随坡度的增加而增加。

图6 不同秸秆覆盖量Darcy-Weisbach阻力系数与雷诺数的关系

根据计算式（5）、（7）可以推导出阻力系数与佛汝得数之间呈幂函数关系：8-2，即坡度相同时,坡面流阻力系数随佛汝得数的增加而减小，且阻力系数与水力坡度呈正比关系。图7给出了不同秸秆覆盖量条件下佛汝得数与阻力系数之间的关系，可以看出，秸秆覆盖量越大，则佛汝得数越小，阻力系数越大。且秸秆覆盖条件下，坡面流佛汝得数基本上小于1，属于缓流。本试验工况下，阻力系数和佛汝得数之间的关系式如下：=1.1891-1.543，²=0.8。

图7 不同秸秆覆盖量Darcy-Weisbach阻力系数与佛汝得数的关系

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

3 讨 论

本试验中，秸秆覆盖坡面的水流流态均为层缓流，且秸秆覆盖量越大，坡面流流态越倾向于层缓流区，这与蒋利斌等[36]研究得到结果类似。随着流量的增加，雷诺数显著增大，水流流态逐渐转变为过渡缓流，均未达到紊流态。裸坡与秸秆覆盖坡面之间的雷诺数对比关系受流量大小的影响，同一坡度下，当流量为3 L/min时，秸秆覆盖条件下的坡面流雷诺数较裸坡大，坡面流的紊动程度增加，而当流量>3 L/min时，秸秆覆盖条件下的坡面流雷诺数较裸坡小，坡面流的紊动性较裸坡低，分析其原因可能是，秸秆覆盖层在抬高水深的同时，也有减缓流速的作用，在流量较低时，秸秆覆盖坡面的流速和水深均较小，径流在地表与秸秆层之间流动，秸秆的存在对水深的抬升作用更明显，ZHAO等[37]认为植被覆盖坡面雷诺数较裸坡高的原因是植被的茎可以减小有效流宽，从而增大单宽流量，造成径流的紊动性增加，因此秸秆覆盖层的雷诺数较裸坡大；随着流量增大，水深进一步增加，秸秆阻水面积增加，水流受到的阻滞作用变大，在同一坡度下，与裸坡相比，秸秆对水深的抬升作用开始减弱，而对流速的降低作用开始凸显，从而使径流的紊动性降低，因此秸秆覆盖层的雷诺数较裸坡小。

水流流速受秸秆覆盖量、流量和坡度的共同影响，在同一流量和坡度下，随着秸秆覆盖量的增加，流速整体上呈减小趋势。这是因为秸秆层内部纵横交错的结构增加了植被阻力，水流流经秸秆时在其前后形成壅浪和尾涡，流速方向发生改变，流速减小。随着流量的增加，流速逐渐增加，随着坡度的增加，流速逐渐增大。由于本试验采用定床阻力坡面，径流不会渗入下垫面，流量不变时，流速的减小必然会导致水深的增加。

试验中裸坡阻力系数变化范围为0.14～1.47，秸秆覆盖坡面阻力系数变化范围为1.21～8.50，秸秆覆盖坡面的阻力系数均高于裸坡。在裸坡条件下，仅有颗粒阻力对坡面流产生阻滞作用，随着雷诺数的增大，水深逐渐增大，下垫面粗糙颗粒对水流的阻滞作用逐渐减小，阻力系数逐渐减小，当水深完全淹没下垫面粗糙颗粒时，阻力系数趋于稳定，这与前人的研究结果一致[38]。在本研究中，裸坡和秸秆覆盖量为1.5 t/hm2时，坡面流阻力系数与雷诺数呈幂函数关系，随着秸秆覆盖量的增加，阻力系数与雷诺数之间的幂函数关系不再显著，这可能是因为当颗粒阻力占据主导作用时，阻力系数与雷诺数的幂函数关系才成立[39]，在秸秆覆盖坡面，颗粒阻力和形态阻力共同作用于坡面流，随着覆盖量的增加，阻力系数显著增加。究其原因，一方面，秸秆覆盖与植被覆盖情况类似，秸秆的存在增加了形态阻力，形态阻力成为秸秆覆盖坡面阻力的主要形式[19,37]；另一方面，形态阻力和颗粒阻力在秸秆周围相互影响，会产生附加阻力[13,40]，随着覆盖量的增加，两者相互影响的区域面积增加，径流沿程阻力增大。在本试验条件下，秸秆覆盖坡面阻力系数与雷诺数呈正相关关系，同一秸秆覆盖量下，随着雷诺数的增加，径流水深相对增加，水流与秸秆相互摩擦、碰撞的几率变大，形态阻力与附加阻力随之增加，这与杨帆等[41]的研究结果类似。

4 结 论

1）与裸坡相比，秸秆覆盖显著影响坡面流流型，当流量≤7.5 L/min时，秸秆覆盖坡面及裸坡坡面的流态均为层流，当流量＞7.5 L/min时，流态均为过渡流。

2）同一流量和坡度下，裸坡和秸秆覆盖坡面之间的流速差异显著。随着秸秆覆盖量的增大，坡面流流速有减小的趋势。

3）坡度能够显著影响坡面流流态指数的大小。且在不同秸秆覆盖量下，流态指数随坡度的变化规律不同。覆盖量≤2.5 t/hm2时，随坡度的增加，流态指数呈先增后减的变化趋势，覆盖量＞2.5 t/hm2时，流态指数随坡度的增加而逐渐减小。

4）裸坡条件下阻力系数与雷诺数呈负相关关系，秸秆覆盖条件下阻力系数与雷诺数呈正相关关系。裸坡和秸秆覆盖量为1.5 t/hm2时，Darcy-Weisbach 阻力系数与雷诺数呈显著的幂函数关系。低秸秆覆盖条件下（≤2.5 t/hm2）阻力系数在10°坡度达最大值，而高秸秆覆盖条件下（≥3.5 t/hm2），阻力系数整体上随坡度的增加而增加。阻力系数与佛汝得数呈幂函数关系。

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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，曹文华，马建业，等. 小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金面上项目（41771311，41561144011）；重庆市科研院所绩效激励引导专项（cqaas2020jxjl03）

李桂，博士生，研究方向为土壤侵蚀。Email：ligui2020@nwafu.edu.cn

马波，博士，副研究员，研究方向为土壤侵蚀。Email：mab@nwafu.edu.cn