表2 铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖量Table 2 Litter mass ofArtemisia gmeliniiandBothriochloa ischcemum(Linn.)Keng.for each treatment处理编号Treatment numberT0T1T2T3T4T5T6 铁杆蒿枯落物覆盖Aglitter mass coverage/(g·m-2)08001 000 白羊草枯落物覆盖Bi litter mass coverage/(g·m-2)

1.3 试验过程

试验土槽长、宽、深分别为2.0、0.5、0.4 m，坡度为15°。供试土壤采自安塞退耕地表层土（0～40 cm），其理化性质见表3。土槽底部铺0.10 m细沙，而后进行填土，为保证土壤水分均匀下渗，将细沙层和填土层铺用纱布隔开。填土前先将土壤过2 mm筛，去除石砾和草根后按照容重1.2 g/cm3分层填装，每层0.05 m，铺平、压实，每次填装下层土壤之前将表土打毛，消除土壤之间的分层现象。填土结束后，将枯落物按照预设覆盖量均匀撒铺在坡面上，并适量洒水（不产生径流和物理结皮），静置2周后开始进行降雨试验。

表3 供试土壤理化性状Table 3 Physical and chemical properties of soil for experiment有机质Organic content/(g·kg-1)pH值pH value土壤质地Soil texture机械组成Mechanical composition 黏粒Clay/%粉粒Powder/%砂粒Sand/% 3.238.40粉壤土

降雨前，均对各处理土壤含水量进行标定，以消除土壤含水量差异对试验的影响。根据黄土高原雨季侵蚀性降雨和极端暴雨情况，60 mm/h降雨强度为该区域较为常见的侵蚀性降雨强度；此外，考虑到极端降雨，又设置了120 mm/h的雨强。另陕北子洲绥德“7·26”特大暴雨中子洲最大一小时降雨量为52.0mm[25]，故降雨历时分别为60和30 min；降雨过程中测定水温，每3 min收集径流泥沙全样并采用高锰酸钾法测定坡面流表面流速，再根据实测水温计算出水流粘滞系数，进一步计算雷诺数和判断水流流态，乘以校正系数（缓流：0.6；过渡流：0.7；急流：0.8）获得平均流速[26]，用以计算坡面流水力学参数。结合上述枯落物种类和覆盖梯度，共计降雨56场。

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]。

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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