1.4 水动力学参数计算方法

本研究中坡面流水力学参数主要涉及雷诺数（Re）、弗汝德数（Fr）和Darcy-Weisbach阻力系数（f），其计算公式如下[27-28]

（1）

（4）

式中h为水深，m；q为单宽流量，m3/(m·s)；V为断面平均流速，m/s；v为运动黏滞系数，cm2/s；t为水的温度，℃；g为重力加速度，取9.8 m/s2；R为水力半径，取值近似水深h，m；J为水力坡度，其值为坡度的正弦值。

2 结果与讨论

2.1 枯落物覆盖对流速的影响

流速是表征坡面流常用的水动力学参数，也是计算其他水动力学参数的基础。受降雨历时、枯落物覆盖量和降雨强度的影响，各处理坡面流流速存在显著差异（图1）。对于所有处理，流速随降雨历时的延长整体表现为先增加后趋于稳定的变化趋势，降雨结束前15 min坡面流流速较降雨初始15 min增加了5.4%～86.4%。这主要是降雨初期土壤未达到饱和状态，入渗速率较大所致。枯落物覆盖除能消耗径流能量和分散径流外，还能增加糙度，从而降低坡面流流速。相对于裸地对照，铁杆蒿枯落物覆盖条件下流速平均减少83.8%，而白羊草枯落物覆盖条件下流速平均减少70.8%。枯落物覆盖量的增加可显著减缓坡面流流速，且随着降雨强度的增大，枯落物覆盖量对坡面流流速的影响差异更显著。相对于枯落物覆盖量最小的T1处理，铁杆蒿枯落物覆盖条件下其他处理平均流速在60和120 mm/h雨强下分别平均减少了67.3%和54.9%，白羊草枯落物覆盖条件则平均减少了21.2%和30.0%。总体而言，2种枯落物覆盖在2个雨强下平均流速较裸地减小77.3%，但由于枯落物覆盖量及类型的差异，铁杆蒿枯落物覆盖对坡面流速的减缓效果强于白羊草。

图1 不同覆盖量坡面流流速随降雨历时变化特征Fig.1 Variation of overland flow velocity under different litter mass coverage

2.2 枯落物覆盖对流态的影响

2.2.1 枯落物覆盖对雷诺数的影响

水流流态是表征坡面薄层径流水动力特征的基本参数之一，而雷诺数是重要的判别方法之一。雷诺数是惯性力和黏性力的比值，是衡量紊动程度的重要指标。根据明渠水流的判别标准，当雷诺数大于500时，径流流态为紊流；当雷诺数小于500时，径流流态为层流；Re在500左右时，径流流态为过渡流[29]。所有处理坡面流雷诺数随降雨历时的延长整体呈先迅速增加后趋于稳定的变化趋势（图2），降雨结束前15 min坡面流流速较降雨初始15 min增加了15.5%～162.2%，但均小于500，表明坡面流均为层流。枯落物覆盖可显著减小雷诺数，受枯落物覆盖量及类型差异的影响，其对雷诺数的影响不尽相同。相对于裸地对照，铁杆蒿枯落物覆盖条件下雷诺数平均减少了23.3%，白羊草枯落物覆盖条件下则平均减少了13.7%，2种枯落物覆盖平均减少了18.5%。枯落物覆盖量的增加可显著减小雷诺数，相对于枯落物覆盖量最小的T1处理，铁杆蒿覆盖其他处理雷诺数在60和120 mm/h雨强下分别平均减少了29.1%和17.5%，白羊草则平均减少了7.8%和5.5%。这是因为雷诺数受流量影响显著[13]，水深未没过枯落物时，流量越大，雷诺数越大。枯落物覆盖量的增加，糙度增大，入渗增加，从而减小流量，导致雷诺数减小。雷诺数变化曲线在120 mm/h雨强下整体较60 mm/h雨强高，主要是降雨强度增加导致水深升高，增加了径流与粗糙单元接触和碰撞的概率，进而增加了径流的紊动性[4,30]。

图2 不同覆盖量下雷诺数随降雨历时变化特征Fig.2 Variation of overland flow Reynolds number under different litter mass coverage

2.2.2 枯落物覆盖对弗汝德数Fr的影响

弗汝德数Fr也是表征径流流态的重要参数，是衡量径流急缓程度的重要指标，表示径流惯性力与重力的关系。根据明渠水流的判别标准，当Fr大于等于1时，径流流态为急流；当Fr小于1时，径流流态为缓流[29]。在降雨强度相同时，Fr越大，表明径流流速挟沙能力越强。Fr随降雨历时变化趋势受降雨强度和枯落物覆盖量的影响显著（图3）。60 mm/h雨强时，枯落物覆盖处理Fr在不同时段整体表现为无显著差异；而120 mm/h雨强时，当铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖量较低时Fr随降雨历时为缓慢增大，较高时仍表现为无显著差异。枯落物覆盖可显著减小Fr。裸地对照Fr均大于1，径流流态为急流；铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖条件下分别较裸地对照平均减少92.1%和82.7%，且Fr均小于1，径流流态为缓流。枯落物覆盖量的增加可显著减小Fr，且降雨强度的增大，对枯落物覆盖量较小处理坡面流Fr的影响显著高于覆盖量较大处理。相对枯落物覆盖量最小的T1处理，铁杆蒿枯落物覆盖条件下其他处理坡面流Fr在60和120 mm/h雨强下分别平均减少了77.2%和64.8%，白羊草枯落物覆盖条件下则减少了25.2%和37.9%。总体而言，2种枯落物覆盖在2种雨强下弗汝德数的平均值较裸地减小了87.4%，铁杆蒿枯落物覆盖减缓坡面急流效果较白羊草枯落物覆盖强。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0128/482.html

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