极端降雨条件下秸秆覆盖坡面水流流速空间分布

2022-04-19庄晓晖马玉莹

农业工程学报 2022年2期

王伟，陈杨，庄晓晖，马玉莹

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 天津农学院水利工程学院，天津 300392）

0 引言

坡面流流速是土壤侵蚀的重要参数之一，其与泥沙的剥离、输送和沉积过程直接相关，也是建立坡面侵蚀模型的重要参数。坡面流受坡度、地表覆盖物、降雨强度等诸多因素的影响，水流深度一般为毫米级，同时降雨对其流态影响显著。坡面流流速测量一直是土壤侵蚀研究的重点。

极端降雨事件一直是防汛工作的重点，严重地影响生态系统和社会经济。黄土高原地区多次出现日降雨量大于300 mm的极端降雨事件。秸秆覆盖可以有效增加雨水入渗，降低地表径流，减少土壤侵蚀，提高土壤的蓄水、保水及土壤养分保持能力；但也有研究表明，秸秆覆盖在特定条件下会加剧水土流失。因此，研究极端降雨条件下秸秆覆盖坡面流流速分布，对认识坡耕地土壤侵蚀规律有重要意义。

目前，测量坡面流流速的方法主要包括热膜流速计、声学多普勒流速仪和粒子图像技术，但上述这些方法主要适用于流量大、水流较深且水面有一定宽度的工况；测量浅（薄）层水流流速时精度较差。以染色剂、电解质、磁性物质、热和漂浮物等为示踪剂的示踪法可以较精确地测量坡面流流速。当存在地表覆盖物时，采用容易被探测到的示踪剂，如电解质，可以方便地测量薄层水流流速。庄晓晖根据溶质运移过程，采用电解质溶质质心法测量了降雨条件下裸土坡面薄层水流流速分布。Abbas等采用改进的电解质示踪法，在非降雨条件下研究了秸秆覆盖坡面流流速，研究表明秸秆覆盖对坡面流速有一定影响。

本研究采用室内模拟试验，研究在极端降雨条件下，不同坡度和秸秆覆盖率下坡面流流速分布规律。以电解质为示踪剂，以电解质质心速度代表坡面流平均流速。以期为认识秸秆覆盖坡面土壤侵蚀规律提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料和试验平台

试验土壤材料取自陕西省杨凌区（34°16′50″N，108°03′13″E）。试验土壤为黏壤土，黏粒、粉粒和砂粒质量分数分别为31.8%、43.3%和24.8%。将供试土壤风干，过10 mm 的筛子备用。

试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅完成。在一个3 m宽、12 m长的坡度可调试验平台上，分隔出8 m长、0.25 m宽、0.3 m深的试验土槽。变坡试验平台的坡度调节范围为0～30°，如图1所示。

图1 试验平台及其流速测量系统 Fig.1 Experimental platform and its flow velocity measurement system

1.2 试验设计和过程

土槽准备：填装前，供试土壤体积含水率为20%，均匀地填装到土槽底部，厚度为5 cm，容重为1.5 g/cm，土壤填装结束后，用木质刮板将表层土壤刮平，表面粗糙度接近自然状态。用塑料布将填后的土槽覆盖，静置24 h，进行土壤水分再分布。填装土壤的容重较高，土壤的入渗性能和可蚀性较低，与侧隔板贴合紧密。采用0.25 m宽土槽，试验中未发现明显边界效应。

秸秆处理：试验用秸秆为联合收割机收获后的小麦秸秆。经过脱粒滚筒碾压呈扁平状。填装前，将去掉麦穗后的秸秆自然风干，用铡刀铡至5～7 cm，经处理后秸秆长度与秸秆收割机粉碎后秸秆长度一致。采用称质量法，将秸秆分段均匀平铺于水槽中土壤表面，模拟覆盖耕作的坡面。坡面降雨产流稳定后，进行坡面流流速的测量，此时秸秆已吸收大量水分并接近饱和。从降雨开始、产流稳定到试验结束，一次降雨试验总用时9 min。

模拟降雨：试验采用下喷式模拟降雨器，该装置由控制软件、输水管道系统、反馈式压力调节系统和降雨喷头组成。试验过程中，降雨系统将水喷射至空中，水流在空中受到阻力，破碎为雨滴，降落到试验坡面，形成坡面径流，试验所用水源为市政供水，降雨均匀度为85%，降雨高度为18 m，能够保证所有的雨滴均达到最终速度，该降雨系统产生的雨滴直径分布与天然降雨相似。

试验设计：黄土高原一些地区多年平均降雨量约为450 mm，60%以上集中在6—8月，以短历时特大暴雨为主，最大雨强可达215 mm/h。试验设置雨强为160 mm/h。研究短历时极端降雨条件下坡面流流速。已有研究表明，秸秆地表覆盖度大于40%后，能有效控制农田水土流失。试验设置秸秆覆盖率分别为0（裸土坡面，对照）、2和8 t/hm（图2）；其中，秸秆覆盖率为8 t/hm时，地表覆盖度为100%，而秸秆覆盖率为2 t/hm时，50%～75%的地表被秸秆覆盖。设置坡度分别为5°、10°和20°，测量不同试验条件下坡面流流速沿坡长的分布。试验平台（图1b）可控制坡面坡度变化，通过控制变量法，将3个不同坡度与3种不同秸秆覆盖率组合，试验共9组，每组重复试验2次。

图2 不同秸秆覆盖率的坡面 Fig.2 Slope surface with different straw mulching rate

试验过程：试验前用硅酮密封胶填充试验平台钢板连接处孔隙，防止水由侧面和底部流出，确保水流均由土槽的出口流出。采用流速测量系统测量电解质在坡面流中的运移过程。该系统由电解质注入装置、电导率感应探针、数据采集器和计算机四部分组成（图1a）。其中，电解质注入装置由容积为250 mL的马氏瓶和电磁阀两部分组成，示踪剂为KCl饱和溶液。电导率探针由长20 cm、直径4 mm的6根不锈钢针组成，针的间隔为3.5 cm。感应探针通过数据线与数据采集器端口连接。测量控制软件安装在计算机上，与数据采集器连接。感应探针检测到的信号，经过数据采集器模数转换成数字信号，输入计算机。整个过程由测控软件控制示踪剂的释放和坡面流电导率的测量和数据存储。计算机测控软件完成数据下载与分析，计算坡面流流速。示踪电解质注入点距坡顶1.85 m，以确保留有足够集水区域，在电解质注入处有径流产生。电导率探针分别安装在距坡顶3、5、6和7 m处，探针穿过地表秸秆覆盖层，插入土壤；后3个探针间隔1 m，用于测量稳定流速的起始位置。由于探针直径较小，其对土壤结构和水流流动的阻碍作用可以忽略。

1.3 流速与水力参数计算方法

为了使电解质传输过程与脉冲输入条件相符，需要对测量原始数据进行归一化处理。

式中S为第个探针于时刻实测盐分浓度，kg/m；C为第个探针在时刻归一化盐分浓度。

在一定浓度范围内，水流电解质浓度与电导率成正比关系。坡面流中的电解质运移过程主要由对流和扩散作用控制，沿坡面电解质浓度分布的质心的运动速度可以代表水流平均流速。采用流速测量系统测定电解质浓度的分布，计算其质心通过各探针的时间，即可获得坡面流的平均流速。电解质质心从注入点到各探针的运动时间计算为

式中T为质心由注入点至第个探针的移动时间，s；T为测量时间，s。

以注入点=0为起始位置，4个探针沿坡长的位置分别为=1.15 m，=3.15 m，=4.15 m，=5.15 m。注入点到第一探针或相邻两探针之间的距离记为∆ ，则有

水流通过两个相邻探针的时间记为∆T，0则有

测量中，降雨强度保持不变，试验坡面为规则矩形。装填土壤入渗性能低且容重较高，可忽略试验过程中水分入渗。坡面不同位置的累计径流量等于该位置以上降雨产生径流的累计量。沿坡面径流分布规律表示为

式中为单宽流量，m/s；为雨度，mm/h；为坡长m为坡度，（°）。

坡面流水深估算如下：

式中为水深，mm；为水流流速m/s。

雷诺系数Re、弗劳德数Fr和达西-韦斯巴赫阻力系数分别采用式（8）～式（10）式计算。

式中为水的运动黏度，m/s；为水力半径，m；为重力加速度，m/s；为坡度的正弦值，m/m。

2 结果与分析

2.1 坡面流电解质运移过程

试验测量的电解质运移过程如图3所示。电解质通过各探针位置的过程曲线是一条右偏的非对称曲线。

由图3可知，低秸秆覆盖率（2 t/hm）条件下，电解质运移过程呈现为一条较光滑曲线。然而无秸秆覆盖处理，电解质运移过程并不是一条光滑曲线。在秸秆覆盖度为100%条件下，电解质运移过程的光滑程度介于无覆盖处理和低秸秆覆盖率之间。

图3 降雨条件下坡面流电解质运移过程 Fig.3 Solute transport processes in overland flow under rainfall conditions

秸秆覆盖率为2 t/hm时，部分地表被秸秆覆盖，覆盖的秸秆消弱了雨滴的打击作用，降低了雨滴对坡面水流的扰动。秸秆覆盖率为8 t/hm时，秸秆完全覆盖地表，并形成一定厚度的覆盖层，在该工况下，虽然秸秆覆盖减弱了雨滴对坡面流的打击作用，但秸秆覆盖层对通过的水流有扰动作用。在坡面下游，降雨产流流量较大，秸秆覆盖层对水流流态影响显著。

此外，随着溶质运移时间的增加，弥散和扩散过程的作用增强，电解质溶液穿透探针的时间随坡长的增加而增加。在秸秆覆盖率和坡度一定情况下，电解质浓度的峰值随坡长的增加而降低。在极端降雨条件下，坡面流紊动程度较大，电解质运移的前沿及峰值浓度通过探针的准确时间难以确定，用质心流速代表水流平均流速较为合理。

2.2 坡度与秸秆覆盖率对坡面流流速的影响

坡度、秸秆覆盖率和坡长对坡面流流速影响的方差分析如表1所示，秸秆覆盖率、坡度和坡长，以及3个影响因素的交互作用均对坡面流平均流速有极显著的影响（<0.01）。

表1 坡度、秸秆覆盖率和坡长对坡面流平均流速影响的方差分析 Table 1 Variance analysis of effects of slope gradient, straw mulching rate and slope length on average overland flow velocity

坡面水流平均流速如表2所示，裸土坡面流速为0.071～0.352 m/s，覆盖坡面流速为0.017～0.117 m/s。随着坡度增加，坡面流流速呈增加的趋势。覆盖坡面的水流流速均小于裸土坡面。此外，随着秸秆覆盖率的增加，水流流速呈减小的趋势或稳定。坡面流流速沿坡长增大，但随着坡长的增加，流速增加的速率变小，流速最终趋于稳定。

Montenegro等在模拟降雨条件下用染色剂示踪法，测量了秸秆覆盖坡面水流流速，试验所用土槽长度为3 m，宽0.3 m，流速变化范围为0.03～0.05 m/s。Montenegro等的研究中，未采用校正系数对流速进行修正，其覆盖坡面水流流速大于本研究中相同试验条件下的流速，但两者仍属于相同的数量级。此外，Liu等在长8 m，宽0.1 m土槽中，采用电解质示踪法测量了降雨条件下秸秆掺混坡面水流流速，流速变化范围为0.06～0.17 m/s。本研究的流速大于Liu等试验中一般雨强条件下的流速，在相同降雨条件下的流速基本一致。在极端降雨条件下，雨水通过秸秆层能力强，坡面主要为超渗产流，降雨产生的径流流量较大，下垫面对坡面流的阻碍作用减弱，坡面流流速增大。可见，在极端降雨条件下，用电解质质心流速表示水流平均流速是合理的。

表2表明，在裸坡上，随坡度的增加，坡面流最大流速及到达最大流速的坡长均减小。然而，在秸秆覆盖坡面上，随坡度的增加，最大流速并没有出现较大变化，到达最大流速的坡长随坡度的增加而减小。

表2 极端降雨条件下秸秆覆盖坡面流平均流速 Table 2 Mean velocities of overland flow with straw mulching under extreme rainfall conditions m·s-1

重力为坡面流的主要驱动力，随坡度的增加，坡面流流速增大。在裸坡上，随着坡度增大，土壤侵蚀加剧，侵蚀下垫面粗糙度增加，流速随着坡度增加的趋势不显著。然而，覆盖坡面未发生明显的细沟侵蚀现象（图 4），由土壤侵蚀引起的下垫面糙度变化不显著。与裸土坡面比较，秸秆覆盖坡面流流速随坡度增大而增加的趋势更为显著。随覆盖量增加，土壤侵蚀进一步减弱；覆盖率8 t/hm时，流速随坡度增加而增加的趋势最显著。此外，裸土坡面由于土壤侵蚀，到达最大流速的坡长随坡度的增大而减小，而覆盖坡面上没有这一现象。

图4 雨后下垫面状况 Fig.4 Underlying surface condition after a rainfall event

秸秆覆盖率为2 t/hm时，坡面未被秸秆完全覆盖，有部分地表裸露（图2），覆盖的秸秆削弱了雨滴的打击，降低了对坡面水流的扰动。然而，秸秆覆盖率为8 t/hm的处理，坡面被秸秆完全覆盖，并形成一定厚度的覆盖层，这种条件下，虽然秸秆覆盖减弱了雨滴对坡面水流的打击，但秸秆覆盖层对通过的水流流态扰动作用明显。上述试验结果表明，秸秆覆盖一方面可以消弱雨滴动能；另一方面，当秸秆覆盖达到一定数量形成覆盖层时，则加剧了对坡面水流的扰动作用。

由于覆盖率为8 t/hm处理的坡面粗糙程度大于2 t/hm处理，坡面水流流速随秸秆覆盖率增加而减小。由坡长1.85～7 m的平均流速可知，5°时，坡面流流速随秸秆覆盖率增加而减小的趋势最为显著。秸秆覆盖能消减雨滴动能，增加地表粗糙度，覆盖坡面水流流速小于未覆盖坡面，这与Abbas等的研究结果一致。

秸秆覆盖坡面靠近坡脚范围内，随着水流流量增加，水深也相应增加，覆盖层对水流的扰动作用加剧，水流的加速度减小，达到最大流速。与低秸秆覆盖率处理相比，高秸秆覆盖率的处理，秸秆在地表形成较为完整的覆盖层，对坡面水流的扰动作用更为强烈，水流流速达到稳定所需的坡长更短。因此，受秸秆覆盖的影响，坡面流达到最大流速的距离随秸秆覆盖率增加呈现减小的趋势。

覆盖坡面与无覆盖坡面的坡面流流速回归分析表明，两者之间存在显著的线性关系（图5）。相同工况下秸秆覆盖坡面流速为裸土坡面0.285倍。

图5 秸秆覆盖坡面与裸土坡面水流流速对比 Fig.5 Flow velocities under straw mulching against those over bare slopes

2.3 坡面流水力参数

坡面产流稳定后，坡面流流量和流速稳定，且不再随时间变化，由坡面流单宽流量和流速可估算水深。裸土坡面水深变化范围为0.8～1.4 mm，而覆盖坡面水深在2.0～5.1 mm之间。与裸土坡面相比，秸秆覆盖阻碍坡面水流流动，降低了流速并壅高水位。在坡面下游段，随着汇水面积增加，秸秆覆盖层对水流的扰动作用也随之加强。

由式（8）～（10）计算雷诺系数（Re）、弗劳德数（Fr）和达西-韦斯巴赫阻力系数（），结果如表3所示。所有试验条件下，Re<500；裸坡坡面流的Fr在坡长小于3 m时内均小于1.0，其他位置均大于1.0；然而，覆盖坡面水流的Fr<1.0。

表3 雷诺数、弗劳德数和达西-韦斯巴赫阻力系数沿坡长分布 Table 3 Distribution of Reynolds number, Froude number and Darcy-Weisbach resistance coefficient along slope length

由于坡面流水深较小，其水力半径在数值上可近似为水深。计算雷诺系数时，流速与水深之积近似不变。因此，随着坡长增加，水流单宽流量增加，雷诺数也随之增加。除此之外，雷诺数主要与降雨强度有关，受坡度的影响较小，这与Shen等的研究结果一致。在本文中，虽然覆盖坡面流的雷诺数均小于500，但受秸秆覆盖层的影响，坡面流并不完全属于层流，覆盖坡面流判别为层流的临界雷诺数取值小于500比较适宜。

可用于表征侵蚀下垫面的粗糙程度，由表3可知，秸秆覆盖坡面的值大于裸坡，且有的高覆盖率坡面略大于低覆盖率坡面。这表明，随秸秆覆盖率的增加，地表的粗糙程度也相应增加。高秸秆覆盖坡面下游段，随着坡长的增加呈现增加的趋势，这与流速的空间分布规律一致，即覆盖层对水流的阻碍作用更加剧烈。