2.3 枯落物覆盖对阻力系数的影响

阻力系数f反映了坡面流在流动过程中所受的阻力大小，阻力系数越大，说明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，则用于坡面侵蚀和泥沙输移的能量就越小。随着降雨历时的延长，铁杆蒿枯落处理阻力系数在60和120 mm/h雨强下分别整体表现为趋于稳定和先增加后减小的变化趋势，白羊草枯落物处理在2个雨强下则均表现为先增加后缓慢减小的变化趋势（图4）。由于枯落物覆盖不同于植被覆盖，在足够大的坡面径流冲刷作用下枯落物会逐步移动形成短距离的堆集，同时，留出部分面积裸露，使平均水深逐渐变小，导致阻力系数减小[30]；白羊草枯落物相对铁杆蒿枯落物量少且重量密度低，坡面移动堆积所需要的径流动力相对较小，使得其对坡面流的阻力小于铁杆蒿。枯落物覆盖可显著增加阻力系数，并且受枯落物覆盖量及类型差异的影响。铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖条件下各处理阻力系数平均是裸地对照的591.8和38.8倍，平均约为315倍。枯落物覆盖量的增加可显著增加阻力系数，且随降雨强度的增大，枯落物覆盖量对坡面流阻力系数的影响差异更为显著。相对于枯落物覆盖量最小的T1处理，铁杆蒿覆盖条件下其他处理坡面流阻力系数在60和120 mm/h雨强下平均增加了18.4和13.3倍，白羊草覆盖条件下则增加了0.9倍和2.1倍。这主要是枯落物覆盖量的增加，一定程度上会增加覆盖率，加大了水流发生碰撞和摩擦的机会，消耗了更多水流能量。相关研究表明阻力系数随覆盖率的增加呈幂函数增加[31]。

图3 不同覆盖量下弗汝德数随降雨历时变化特征Fig.3 Variation of overland flow Froude number under different litter mass coverage

图4 不同覆盖量下阻力系数随降雨历时变化特征Fig.4 Variation of overland flow resistance coefficient under different litter mass coverage

2.4 枯落物覆盖与水动力参数的量化关系

枯落物覆盖可显著影响坡面流流速、雷诺数、弗汝德数和阻力系数。进一步分析表明，铁杆蒿和白羊草两种枯落物覆盖处理下，坡面流平均流速、雷诺数、弗汝德数和阻力系数均与枯落物覆盖量存在显著幂函数关系（0.55≤R2≤0.97；P＜0.01；图5和表4）；且随着枯落物覆盖量的增加，平均流速、雷诺数和弗汝德数均减小，阻力系数增大。这是由于枯落物覆盖量的增加能够增大坡面糙度，耗散径流能量，从而减小坡面流流速、雷诺数、弗汝德数和增大阻力系数[30-32]。由于枯落物种类的不同，白羊草和铁杆蒿枯落物对坡面流水动力参数的影响也存在差异。

图5 坡面流水动力参数与枯落物覆盖量的关系Fig.5 Relationship between over flow hydraulic parameter and litter mass coverage

表4 坡面流水动力参数与枯落物覆盖量的函数关系（P<0.01）Table 4 Over flow hydraulic parameter as function of litter mass coverage (P<0.01)雨强Rainfall intensity/(mm·h-1)铁杆蒿枯落物覆盖量Aglitter mass coverage xT白羊草枯落物覆盖量Bilitter mass coverage xB 函数Function R2函数Function R2 60V== 120V== 60Re== 120Re== 60Fr== 120Fr== 60f== 120f==

总体而言，随着枯落物覆盖量的增加，白羊草枯落物覆盖条件下平均流速、雷诺数和弗汝德数均高于铁杆蒿枯落物，而阻力系数则低于铁杆蒿枯落物。这是由于相对于菊科的铁杆蒿枯落物，禾本科的白羊草枯落物大都以宽叶为主，质量密度相对较小，且枯落物由于较大的表面积，其凋落于地面后枯叶间空隙相对较大，从而导致其对径流的阻力相对较小，进而流速、雷诺数和佛汝德数相对较大。

综上所述，坡面流流速、雷诺数、佛汝德数和阻力系数与枯落物种类、覆盖量及降雨强度存在显著关系。基于此，增加枯落物特征参数（表1）来表征枯落物种类差异对坡面流水动力参数的影响。逐步回归结果表明，各坡面流水动力参数均可表示为枯落物特征参数、枯落物覆盖量和径流量的幂函数关系，公式（6）～（9）。

式中样本量n=24，V、Re、Fr和f分别为坡面流平均流速（m/s）、雷诺数、弗汝德数和阻力系数，Q、M、D、C和L分别为产流量、枯落物覆盖量（g/m2）、枯落物直径（mm）、枯落物密度（g/cm3）和枯落物长度（cm/g）。除流量和枯落物覆盖量可显著影响坡面流水动力参数外，枯落物特征参数中枯落物直径是影响流速和阻力系数的主要参数，而枯落物密度和长度分别是影响雷诺数和弗汝德数的主要参数。

3 结 论

本文以黄土高原丘陵沟壑区典型草地铁杆蒿（菊科）和白羊草（禾本科）枯落物为研究对象，通过设置7个枯落物覆盖量和2个降雨强度（60和120 mm/h），系统研究枯落物种类及覆盖量对坡面流水动力学特征参数的影响。结果表明：

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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