降雨条件下秸秆覆盖坡面流水动力过程研究

庄晓晖，马玉莹

（天津农学院水利工程学院，天津 300392）

0 引 言

在覆盖坡面流流速测量中，受到秸秆覆盖物的影响，漂浮物、染色剂示踪和流量法等传统测量方法［15-17］有较大的局限性。覆盖的秸秆会影响漂浮物随水流运动过程，难以确定漂浮物的尺寸。此外，秸秆覆盖坡面径流的水深测量难度较大且断面形状不规则，流量法估算的流速与真实值之间的差异较大。染色剂示踪法测量坡面流流速时，需要用经验系数校正前沿流速，但经验系数受多个因素的影响，例如流态、地表粗糙度、坡度和含沙量等［18-21］，使流速测量结果存在误差。

Rahma 等人在集中供水条件下，在1 m 长土槽中采用电解质示踪法测量了秸秆覆盖坡面流流速［22］。此外，Lei 等人使用相同的方法测量了砾石覆盖下的径流流速［23］。电解质示踪法通过感应探针记录电解质随水流运移过程，提高了示踪法的测量精度，并解决了覆盖物遮盖下示踪剂难以记录的问题。

以秸秆覆盖坡面流为研究对象，在室内模拟人工降雨条件下，测量秸秆覆盖坡面流流速，研究覆盖坡面流水动力过程。在人工降雨条件下，试验设置不同降雨强度和秸秆覆盖量，采用电解质示踪和质心法［24］测量秸秆覆盖坡面流流速。测量结果可为秸秆覆盖影响下的土壤侵蚀动力研究提供参考。

1 坡面流速计算方法

采用质心法计算径流平均流速，电解质质心随径流的运动时间可由式（1）计算。

式中：Ti为电解质质心的通过时间，s；Tj为测量时刻，s；Cij为Tj时刻第i个测量点处的电解质浓度，kg∕m3。

设注入电解质点位置为x0（0 m），4个测量点位置分别为x1、x2、x3和x4。则电解质随径流通过距离可根据式（2）计算。

式中：ΔLi为电解质随径流到第一个测量点或者两个相邻测量点之间的距离，m。

2010年下半年，商人林中伟（另案处理）得知肇庆政府正在推进安居华苑保障性住房（一期）工程项目的消息，认为有利可图，于是，他通过中间人黎某的牵线，约邓强吃饭喝酒。席间，林中伟多次表示想做安居华苑这个工程，并表示项目完成后会好好表示感谢，邓强一口答应。

电解质随径流通过相应距离所用的时间由式（3）计算。

式中：ΔTi为电解质随径流到第一个测量点或者通过两个相邻测量点所用时间，s。

2 材料与方法

本试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的土壤侵蚀模拟实验大厅完成。在可变坡实验平台（坡度调节范围为0～30°）上，构造宽0.25 m、深0.3 m 和长8 m 的土槽，用玻璃胶填充土槽侧板和地板间所有孔隙，防止试验测量过程中水流通过孔隙流出土槽。因此，降雨产生的径流均由土槽的出口流出，从而降低渗漏的水流对径流流速的影响。

试验土壤采用陕西省杨凌的黏壤土（黏粒31.8%，粉粒43.4%，砂粒24.8%），填土容重为1.5 g∕cm3，土壤入渗性能较低，因此，坡面产流过程中可忽略水分入渗。将取自农田的小麦秸秆风干后，用铡刀切割成5 cm 左右备用，与收割机粉碎后的秸秆长度一致［25］。试验用土填装完后，在土槽上方覆盖塑料薄膜并静置24 h。在试验开始前，将处理后的秸秆均匀地铺撒在土壤表面，模拟秸秆覆盖的坡耕地。

采用薄层水流流速测量系统测量并记录电解质随水流运动过程［26］。电解质注入装置被固定在距离坡顶1.85 m 的位置，预留充足的汇水区域，确保有径流产生，从而电解质能随径流自由移动。感应探针被固定在土槽上，距离坡顶3、5、6、7 m 的位置处，依次记录径流中电解质浓度随时间变化过程。探针直径为4 mm，可顺利穿过秸秆覆盖层与地表接触，避免破坏秸秆覆盖，且不影响径流的流动过程。除此之外，探针顶端直径逐渐缩小呈尖型，且坡面流为薄层水流（水深较小），因此，探针对坡面流的扰动较小。在电解质注入装置下方留出一定的区域，在该区域不铺撒秸秆，避免秸秆影响电解质进入径流的过程。预留的裸土区域面积应尽可能小，保证秸秆的覆盖条件。

采用下喷式降雨装置，降雨均匀度大于85%，且雨滴到达地表的速度均可达到最终速度。喷射的水流被空气阻力破碎形成大小不等的雨滴，与天然降雨的雨滴相似［27］。由降雨开始、秸秆湿润到产流稳定共需要5 min，径流由电解质注入点到最后一个测量点的时间约4 min，因此，一次完整的试验过程共需要约9 min。

在10°坡面上，设置2 个秸秆覆盖量（2、8 t∕hm2）和4 个坡长（距离坡顶3、5、6、7 m），降雨强度为80、120、160 mm∕h，每组测量试验分别重复2 次，计算结果取重复测量数据的平均值。对照Zhuang等人［24］测量的裸土坡面流流速试验结果，探究秸秆覆盖量和降雨强度对坡面流流速沿坡长分布规律的影响。室内试验模拟装置和流速测量系统示意图如图1所示。

图1 装置示意图Fig.1 Sketch of measurement system

3 结果与分析

3.1 秸秆覆盖坡面流电解质运移过程

秸秆覆盖坡面流电解质运移过程曲线如图2 和图3 所示。受对流和弥散作用影响，电解质浓度运移图为非对称曲线，这与Shi等人［28］和Dong 等人［29］的研究结果一致。除此之外，随着坡长的增加，归一化的电解质浓度曲线的峰值逐渐减小，而电解质通过相应探针的时间增加。

图2 工况2 t/hm2的电解质浓度变化过程Fig.2 Processes of electrolyte concentration under mulch rate of 2 t/hm2

图3 工况8 t/hm2的电解质浓度变化过程Fig.3 Processes of electrolyte concentration under mulch rate of 8 t/hm2

秸秆覆盖量为2 t∕hm2时，电解质浓度随时间变化过程均为光滑曲线；当秸秆覆盖量为8 t∕hm2时，部分坡长处探针测得的溶质运移曲线为相对不光滑曲线，其中，降雨强度为160 mm∕h处理时，溶质运移曲线波动最大。与Zhuang等人［24］的研究结果对比可知，在降雨条件下，秸秆覆盖坡面流电解质运移过程曲线比裸土坡面流光滑。此外，秸秆覆盖量为2 t∕hm2时曲线最光滑，秸秆覆盖量为8 t∕hm2的曲线光滑程度介于秸秆覆盖量2 t∕hm2与裸土坡面之间。

3.2 秸秆覆盖坡面流平均流速

根据电解质运移过程，由质心法计算坡面流平均流速，计算结果如表1 所示。由表1 可知，秸秆覆盖坡面流平均流速小于裸土坡面，且流速随覆盖量的增加呈减小趋势。降雨强度为80 mm∕h 时，高秸秆覆盖量（8 t∕hm2）下的流速比低秸秆覆盖量（2 t∕hm2）小21.05%，比裸土时的流速减小72.66%；降雨强度为120 mm∕h 时，高秸秆覆盖量下的流速比低秸秆覆盖量和裸土坡面分别小22.03%和72.78%；降雨强度为160 mm∕h时，高秸秆覆盖量下的流速比低秸秆覆盖量和裸土坡面分别小13.11%和70.56%。此外，随着降雨强度的增加，裸土坡面和秸秆覆盖坡面流的平均流速都相应增加。在裸土坡面，降雨强度160 mm∕h处理的流速比120 和80 mm∕h 处理分别增加21.58%和29.49%；在低秸秆覆盖量坡面，流速依次增加了28.26%和32.61%；在高秸秆覆盖量坡面，流速依次增加了21.05%和39.47%。

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

在相同降雨强度下，对不同秸秆覆盖量处理的坡长1.85～7 m 平均流速进行单因素方差分析，结果如表2 所示。由表2 可知，降雨强度为80 mm∕h 时，组间平方和为0.012，组内平方和为0，组间平方和的F值为2 346.589，相应的概率值为0，小于显著水平0.05，因此，不同的秸秆覆盖量对流速有显著影响。同理，降雨强度为120 和160 mm∕h 时，秸秆覆盖量对流速均有显著影响。由表1可知，降雨强度为80和120 mm∕h时，3种秸秆覆盖量处理的流速之间有显著差异。降雨强度为160 mm∕h时，裸土坡面流流速与覆盖坡面有显著差异，而高秸秆覆盖量与低秸秆覆盖量的流速在统计学上没有显著差异。

表2 秸秆覆盖量对1.85～7 m坡长上流速影响Tab.2 Analysis of variance of velocity along slope of 1.85～7 m affected by mulch rates

在相同秸秆覆盖量下，对不同降雨强度处理的坡长1.85～7 m平均流速进行单因素方差分析，结果如表3所示，由表3可知，降雨强度对坡面流流速有显著影响（p＜0.05）。由表1 可知，在裸土坡面上，降雨强度80 mm∕h 处理的流速与降雨强度120 和160 mm∕h处理有显著差异，而降雨强度120 mm∕h处理的流速与降雨强度160 mm∕h处理没有显著差异；在低秸秆覆盖量和高秸秆覆盖量坡面上，降雨强度80 mm∕h 处理的流速与降雨强度160 mm∕h处理有显著差异，其余处理之间没有显著差异。

表3 降雨强度对1.85～7 m坡长上流速影响Tab.3 Analysis of variance of velocity along slope of 1.85～7 m affected by rain intensities

不同降雨强度和秸秆覆盖量条件下，坡面流流速沿坡长分布结果如表4 所示。在裸土坡面上，流速随着坡长呈增加的趋势，但增加的速率逐渐减小，并最终达到最大流速［24］。在秸秆覆盖坡面上，沿坡长方向，流速也呈现不断增加且增加的速率逐渐减小的趋势。高秸秆覆盖量处理的流速在8 m坡长上达到了最大流速，而低秸秆覆盖处理在整个坡长上未达到最大流速。随着秸秆覆盖量的增加，覆盖坡面流流速达到最大流速的距离减小。

表4 不同秸秆覆盖量和降雨强度下坡面径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 的分析结果可知，坡长、降雨强度、秸秆覆盖量分别对坡面流平均流速有显著性影响（p＜0.05）。秸秆覆盖量*坡长和秸秆覆盖量*降雨强度的交互作用对坡面流流速均有显著影响；而降雨强度*坡长和秸秆覆盖量*降雨强度*坡长的交互作用对坡面流流速影响不显著。

表5 试验因素对坡面流流速影响Tab.5 Analysis of variance of velocity affected by experimental factors

4 讨 论

4.1 秸秆覆盖对坡面流流速影响

在降雨条件下，雨滴击溅会对坡面流产生扰动，从而影响径流流态［30］。秸秆覆盖能削弱雨滴对坡面流的打击作用［31］，覆盖后的坡面流流态与裸土坡面不同，因此，与裸土坡面对比可知，秸秆覆盖坡面流电解质运移过程曲线更加光滑。除此之外，在秸秆覆盖坡面上，秸秆增加地表粗糙度，阻碍水流流动，流速小于裸土坡面。秸秆覆盖量为8 t∕hm2时的坡面流流速略小于秸秆覆盖量为2 t∕hm2时的流速。

当秸秆覆盖量为8 t∕hm2时，秸秆的覆盖量较大，秸秆将地表完全覆盖，无土壤裸露，并形成秸秆覆盖层［图4（b）］。在降雨条件下，随着坡长的增加，径流流量不断增加，径流的水深也相应增加，径流将会在地表以及秸秆覆盖层内流动。由于覆盖层内复杂多变的过水通道，其内部水流流态比地表与覆盖层之间的水流复杂，且水流受到的阻碍作用也越大。在坡面下游处径流的水深较大，径流受覆盖层的影响也随之增加。因此，受秸秆覆盖层的影响，在秸秆覆盖量8 t∕hm2坡面下游，电解质随径流运移的过程曲线为不光滑曲线，且随着降雨强度的增加，这一现象更为显著。在秸秆覆盖量2 t∕hm2处理的坡面，地表未完全被秸秆覆盖［图4（a）］，有50%～75%的地表被秸秆覆盖较薄的一层［32］，水流在秸秆与地表组成的混合下垫面流动。由于秸秆覆盖层的厚度较浅，其对径流的阻碍作用较弱，因此，秸秆覆盖量2 t∕hm2坡面径流电解质运移过程曲线均为光滑曲线。

图4 试验设置坡面的秸秆覆盖Fig.4 The experiment slope under straw mulching

流速在坡面上的分布规律是水流的驱动力和粗糙地表的阻力两者相互作用的结果［24］。在裸土坡面下游靠近坡脚处，土壤侵蚀作用改变了地表微地形，从而增加地表粗糙度并阻碍径流流动，使流速增加速率减小并趋于稳定［24］。然而，秸秆覆盖作为保护性耕作措施，能有效减小土壤侵蚀作用。图5（a）、5（b）和5（c）分别为裸土坡面、秸秆覆盖量2和8 t∕hm2处理的试验后地表，由图5可知，覆盖坡面上由侵蚀引起的地表粗糙度增加程度小于裸土坡面。在秸秆覆盖坡面上，径流受土壤侵蚀作用影响较小，地表微地形与裸土坡面不同，流速空间分布规律的影响机理也与裸土坡面不同。在降雨条件下，秸秆覆盖坡面径流水深随坡长增加，坡面流受覆盖层的阻碍作用也不断加强，因此，覆盖坡面流流速增加的速率逐渐减小，流速逐渐趋于稳定。

图5 降雨后的不同处理坡面地表Fig.5 Soil surface of different experimental conditions after rainfall

4.2 降雨强度对坡面径流流速影响

雨滴到达裸土坡面时，对径流在顺水流方向有动量输入，从而对水流具有加速作用［33］。秸秆覆盖作为隔层，不仅避免了雨滴直接击打坡面径流，同时也削弱了雨滴的能量。因此，对比裸土坡面，雨滴击溅对覆盖坡面流流速的影响较小。

在降雨条件下，随着降雨强度的增加，径流流量增加，径流流速增加。裸土坡面的土壤侵蚀强度随降雨强度增加而增加，地表粗糙度也随之增加，从而阻碍坡面径流流动。因此，流速随着降雨强度增加而增加的趋势逐渐减弱，且径流达到稳定流速的距离也相应减小［24］。在覆盖坡面上，随着降雨强度的增加，水深不断增加，覆盖层对径流的阻碍作用也相应增加，流速随降雨强度增加的趋势逐渐减弱，降雨强度120 和160 mm∕h 处理的坡长1.85～7 m 平均流速在统计学上没有显著差异。虽然不同秸秆覆盖量坡面流流速随降雨强度变化的规律相同，但影响机理却不同。除此之外，随着水深的增加，秸秆覆盖层的阻碍作用加剧，因此，高秸秆覆盖量坡面流到达最大流速的距离随降雨强度的增加而减小。

5 结 论

本研究在降雨条件下，在10°坡面上设置不同秸秆覆盖量、降雨强度和坡长，采用电解质示踪和质心法测量径流平均流速，研究秸秆覆盖坡面流水动力过程。裸土坡面流流速变化范围为0.053～0.323 m∕s，秸秆覆盖量2 t∕hm2坡面流流速变化范围为0.031～0.108 m∕s，秸秆覆盖量8 t∕hm2坡面流流速变化范围为0.016～0.089 m∕s。在降雨条件下，坡面流流速随着秸秆覆盖量的增加而逐渐减小。

研究表明，降雨强度对坡面流流速有显著影响，流速随降雨强度的增加而增加，但增加的趋势逐渐减弱。秸秆覆盖对径流流动有阻碍作用，能有效地减小径流流速，秸秆覆盖下的坡面流流速远小于裸土坡面水流流速。在秸秆覆盖坡面，径流流速沿坡长呈现增加趋势，然而，受覆盖层阻碍作用影响，流速增加的速率逐渐减小，径流最终到达稳定流速。当秸秆覆盖量为8 t∕hm2时，流速在8 m 坡长上达到稳定流速，且随降雨强度的增加，达到稳定流速的距离逐渐减小。通过分析降雨强度、秸秆覆盖量和坡长对流速的影响规律，得到秸秆覆盖坡面流的水动力过程，研究可为相关试验研究提供基础。