地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟.pdf

'第30卷第19期农业工程学报Vo1．30No．192014年l0月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringOct．2014123地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟梁心蓝，赵龙山，吴佳2，吴发启(1．西北农林科技大学资源环境学院，杨凌712100：2西安理工大学水利水电学院，西安710004)摘要：为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用，通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表，在室内模拟降雨条件下，对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明，雨前雨后各措施坡面的地表糙度为：等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直型坡。相同雨强和降雨历时下，不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面，径流越容易稳定在层流状态；反之，径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说，在相同雨强和降雨历时下，初始糙度越大的坡面，其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大，径流阻力系数也越大，但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小，径流对地表糙度具有减小作用，雷诺数和水流剪切力越大，径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之问的相互作用提供参考。关键词：径流；模拟；降雨；地表糙度；径流流态；水力学参数；糙度变化率doi：10．396％．issn．1002—6819．2014．19．015中图分类号：S157．1文献标志码：A文章编号：1002—6819(2014)一19—0123—09梁心蓝，赵龙山，吴佳，等．地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟[J]．农业工程学报，2014，30(19)：123—131．LiangXinlan，ZhaoLongshan，WuJia，eta1．Simulationofresponselawforsoilsurfaceroughnessandhydraulicsparametersofrunof[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2014，30(19)：123～131．(inChinesewithEnglishabstract)的，但地表起伏却对径流的空间分布具有显著性影0引言响。同一降雨条件和坡度下不同糙度的坡面，其产地表糙度(SSR，soilsurfaceroughness)是表征流时间、径流路径、汇流密度、径流频度均有显著微尺度上地表高低起伏和坡面高程空间变异的物理性差异[12-13]，由于坡面流水深比较浅，因此受下垫量，用以描述土壤表面的扰动和不规则微地貌LlJ，面糙度情况影响显著。同时，径流的流速、水流剪受到耕作活动、土壤质地和降雨等的共同作用J。切力、径流模数、阻力系数等也反作用于地表糙度，地表糙度通过影响洼地蓄水、入渗、坡面流流速、影响糙度的演变过程[14-16]。Huang等[17-18l在雨强汇流路径等影响径流的组织结构[4-10]。Burwell等IllJ25～150mm／h的系列降雨中发现开始径流会减小地认为糙度增加了径流流动的阻力从而减小其速率表糙度，随着降雨场次的增加，地表出现细沟后糙度和携带泥沙的能力，并且它增加了径流深和入渗开始增大。Magunda等【J也认为径流对糙度的增大作率，增大了土壤表层的剪切力，因此影响着整个径用和减小作用同时存在，他们认为地表的密闭和结流过程。Helming等研究了粗糙、中等、光滑3皮过程会减小糙度，而侵蚀本身会增大地表糙度。种不同糙度的地表对径流和土壤流失的影响，提出前人对地表糙度与径流的研究多着眼于径流糙度对入渗的影响导致其影响了径流总量，同时地量J，而忽略了径流本身的形态特征及其水力学表起伏又改变了径流的阻力系数并主导径流汇集参数与糙度的响应规律，因此本文主要从径流的形的路径，结果表明地表糙度对径流量的影响是次要态、数量和水力学参数3方面来研究初始地表糙度对径流和侵蚀的影响以及径流对地表糙度在雨前雨后的变化过程中的作用。收稿日期：2014．06—24修订日期：2014，10—12基金项目：国家自然科学基金项目(41271288)。1材料与方法作者简介：梁心蓝，女，四川盐亭人，博士生。主要从事土壤水力侵蚀方面研究。杨凌西北农林科技大学资源环境学院，712100。1．1试验设计Emaihxinlanliang@hotmail．com※通信作者：吴发启，男，陕西黄陵人，教授，博士生导师。主要从事供试土壤采集于陕西省杨凌区境内小麦／玉土壤侵蚀、水土保持方面的研究。杨凌西北农林科技大学资源环境学米轮作坡耕地耕层土壤(0～2Ocm)，该地区土院，712100。Email：wufaqi@263．net 124农业I『：程学报壤为填士(Oldmanorialloessialsoil(Lousoil))，家代码C2l5。壤土是褐土经长期耕作熟化，施用按照《中国：卜壤分类与代码》为半淋溶土纲，半土粪发育而来的农业土壤，其基本理化性质测定湿暖温半淋溶土哑纲，褐土土类，壤土亚类，国结果见表l。表l供试土壤基本理化性质TablelSoilpropertiesof0-20cmtopsoil注：J：壤粒级分类采用闺际制。Note：Classificationofsoilgradeusinginternationaltexturalgrade．土样风T后过筛(O=0．5cm)，在保持自然容雨前糙度的百分比来表示糙度变化率。重的情况下分层填装于2．0mx1．0mx0．5m坡度可试验设备采用黄土高原土壤侵蚀与旱地农业调的土槽中，本试验坡度设为36％。土样分别模拟国家重点实验室的侧喷式降雨系统。雨滴降落高度布设人工锄耕(ASP，artificialshallowplowing)、达l6m，降雨强度变化范围为40~260mm／h，降人工掏挖(ADP，artificialdeepplowing)、等高耕雨均匀度大于80％。试验采用双因素4水平的随作(CP，contourplowing)和对照组直型坡(CK，no机区组设计，每个处理设3次重复。treatment)4种不同糙度的地表，并用3维激光扫1．2耕作措施布设描仪测量地表各点的高程信息，计算得到其地表糙如图l所示，人工锄耕指沿地表从坡底逐渐向度。之后将上样置于60和l20mm／h的人工降雨中坡顶用锄头耕锄，耕深4～5cm，并形成凹凸相间进行历时90min的降雨冲刷，当集流口出现携沙水的鱼鳞状起伏。耕作形成的小丘和洼地在空间上为流时，记录产流时间，之后用高锰酸钾示踪法L2jJ测量随机分布，具有对称性。且洼地在横向上分布相l5次径流流速并求得平均径流流速v。地表产流后，对紧凑，纵向上分布相对疏松。人：I掏挖主要模拟以2min间隔收集径流泥沙样。降雨结束后，先用量夏闲地翻耕晾晒，用镢头从坡底向坡顶对地表进行筒测定每个样品的体积，之后将样品静置24h以上，挖穴，并使地面保持掏挖后的原始状态。耕深6～倒掉上层清液，并将剩余泥沙样烘干并称重。以上所8cm，同样形成坑洼状起伏，但非鱼鳞状，而是穴。获取数据用于计算降雨各阶段断面流量、平均断面流掏挖穴空间也随机分布，但在横向和纵向上分布均量、径流量和产沙量等。降雨过程中用带色流束来观匀。等高耕作则是在坡面上沿等高线，垂直于坡面察径流在坡面、中、下部流态的变化，当带色流束走向，进行横向耕作形成沟和垄，垄高10cm，垄在径流中为一条界限明确的细直线时，表明此时径流距15cm。直型坡为对照措施，是未采取任何耕作为层流状态：当带色流束在径流中开始扭曲、颤动不措施的接近平整坡面。稳定时为过渡流状态；当带色流束完全扩散，没有界这4种措施的具体数量特征见农2。其中人工限和清晰形状时为紊流状态。降雨结束后再次测量计锄耕、人工掏挖和等高耕作均为研究区的传统耕作算其地表糙度，并用雨后糙度减去雨前糙度的差值与措施，具有典型代表意义。a人I：锄耕b人Ii掏挖c．等高耕作d直型坡aArtificialshallowplowing(ASP)b．Artificialdeepplowing(ADP)cContourplowing(CP)d．Notreatment(CK)图l各耕作措施布设图Fig．1Imagesoffourtillagesystems 第19期梁心蓝等：地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟1251．3糙度计算方法坡面流阻力指水流在沿坡流动过程中所受到1986年，Linden和VanDoren定义了有限高差的来自水土界面的摩擦力的阻滞作用和水流内部(LD，limitingelevationdifference)和有限坡度(LS，质点紊动所产生的阻碍水流运动的力的总成。阻力limitingslope)，是相对高程与水平距离的百分系数是径流流态、坡面粗糙程度、断面特性、水流比。LD和LS的计算基于以下分析：密度、雨滴直径和水流表面张力系数等因素的综合体现，其计算式如下：AZ=∑一Zi+h]／n(1)f：—8ghJr9、式中：△为平均绝对高差，ClTI；Z为i点高程，—2⋯cm；Zm为i+h点的高程，cm；h为距i点的空间式中：厂为阻力系数，为径流能坡，其值为坡度的距离，(2m；，?为样本数。通过回归得到平均绝对高正弦值。差AZ^与滞积距离AXh(产生AZh的两点间的水平距径流剪切力是径流在坡面流动过程中，沿坡面离，cm)之间的线性关系：梯度方向产生的剪切作用力，与径流深呈正比，其1／AZh=a+(b(1／AXh)1(2)计算式如下：式中：a和b分别为式(2)的截距和坡度，a和b的倒数可根据式(2)中的线性关系定义为：r=pghJ(10)LD=I／a(3)式中：r为径流剪切力，Pa；P为水体密度，kg／m。Ll／6(4)产沙量计算式为：式中：LD为有限高差，LS为有限坡度。m=—w(11)由此得出地表糙度SSR的计算模型：式中：m为产沙量，kg；m，为径流泥沙总质量，kg；SSR-、丽(5)m为径流质量，kg1．4径流水力学参数计算方法2结果与分析雷诺数是水流的惯性力与黏滞力的比值，是水流型态的重要判别参数，无量纲。雷诺数越大，说2．1地表糙度对径流和侵蚀的影响明水流惯性力越大，水流发生紊流的可能性也越2．1．1地表糙度对径流的影响大，其计算式如下：试验中径流的产生过程为：在土槽顶端和上半部，径流绝大部分为薄层流或片流，中下部开始片Re：(6)流逐渐汇集成细小的束流，在土槽下半部和底端这0．O1775，、些束流融合在一起形成具有一定水面宽度的坡面7—1+0．0337t+—0000221fl(7J．流。径流形成过程中，片流和束流往往交织在一起式中：Re为雷诺数：为断面平均流速，rn／s；h形成网状分布且还会相互转化。如片流在经过洼间为坡面水深，m；为水的运动黏性系数，m2／s；t的凸起时，受其临时分水岭作用会转化成为细小的为水流温度，℃。束流；束流在经过洼地时又转化为片流；较小的束弗劳德数是水流的惯性力与重力的比值，也是流逐渐汇集形成较大的束流。表征水流流态的重要参数，无量纲。弗劳德数是否各耕作坡面的产流时间及带色流束观察径流大于1，可以作为判别明渠水流是急流还是缓流的流态结果见表3。试验过程中观察可知，不同初始标准，其计算式如下：地表糙度的耕作坡面，其径流产生的时间、径流的形态特征和流态均有显著差异。意)2种雨强下，各耕作坡面产流时间快慢规律一致，均为直型坡<人工锄耕<人工掏挖<等高耕作。式中：为弗劳德数，g为重力加速度，取值为9．8m／s2可知，地表初始糙度越小的耕作措施，其坡面产流。 126农业工程学报越快；反之，初始糙度越大的耕作措施，其坡面产达到紊流；人工锄耕在坡面下部完全达到紊流；人流越慢。在60mm／h雨强下，人工锄耕和人工掏挖工掏挖坡面下部出现大部分紊流；等高耕作在坡面的径流流态区别不明显，大部分为层流；等高耕作上部和中部仍然以层流为主，到坡面下部出现过渡绝大多数都是层流；直型坡则在坡面下部出现过渡流和紊流。可知随着雨强增大，各耕作措施的坡面流。而在120mm／h雨强下，直型坡在坡面中部就径流都会更早向紊流趋势发展。表3坡面产流时间及上中下部径流流态记录Table3Runofyieldingtimeandrunofpatternoftop，mediumandbosomsoilbed人工锄耕ASP2．40层流层流、过渡流素流人工掏挖ADP2．72层流层流、过渡流过渡流、紊流等高耕作CP4．22层流层流过渡流、紊流直型坡CK2．07层流过渡流、紊流紊流结合各耕作措施的雨前糙度(表4)比较，在同相对减少。汇流过程会增加水流的紊动性，使其雷诺一雨强下，初始地表糙度越大的耕作措施，其径流越数变大并增大侵蚀量【z6J，因此糙度越小的地表，坡面容易稳定在层流状态而越晚达到紊流状态。主要是由越平整，汇流过程越容易、汇流也越多，从而增加水于地表糙度越大，地表轮廓线波动变大，水流所遇阻流紊动性，使径流更倾向于向紊流发展：而糙度越大力变大，会降低水流的紊动性，减慢水质点的无序运的地表，其坡面越粗糙，洼地凸起增多会使片流更多动。同时，糙度大的地表，其最初的片流被切割成多地被切割成束流，汇流过程越困难，汇流明显减少，个束流，而束流汇集、兼并在一起形成片流的机会则径流则越容易稳定在片流、层流状态。表4雨前雨后各耕作措施地表糙度值Table4SSRofdiferenttillagesystemsbeforeandaRertherain4种耕作措施相比较，径流在等高耕作下最晚别为1．63N2．05L／s和74．89~77．46L，两者均最小；达到紊流，在人工锄耕下略早于在人工掏挖下达到人工锄耕的流量与径流量为4．01～4．26L／s和紊流状态，径流在直型坡最早达到紊流状态。即坡86．20~88．25L，略大于人工掏挖的3．45~3．84L／s面初始糙度越大的耕作措施，其径流越晚达到紊和84．77~87．81L(表5)。流，越稳定在层流趋势。这与敬向锋等J的研究结果可知流量与径流量的变化趋势相同，但二者与吻合，他们认为流量相同时，随着床面粗糙度的增加，地表糙度的变化趋势相反。产沙量的变化趋势与径坡面流流态越倾向于向层流区延伸。虽然水力学上的流量相同，直型坡的产沙量仍为4种坡面中最大，粗糙度与地表糙度有一定区别，但两者均能反映地表为0．66～0．81kg；等高耕作产沙量最小，为0．28～的起伏状况，在定性研究上有相通之处[28-29]。0．41kg；人工锄耕和人工掏挖居中，其中人工锄耕2．1．2初始地表糙度对侵蚀的影响产沙量稍大于人工掏挖。由此可知，在60mm／h雨在60mm／h雨强下，直型坡的流量与径流量分强下地表糙度对坡面的断面流量、径流量和产沙量别为5．28~5．61L／s和96．29~99．42L，在4种耕作的影响是一致的，即坡面初始地表糙度越大，断面措施中两者均为最大；等高耕作的流量与径流量分流量、径流量和产沙量越小，反之则越大。 第19期梁心蓝等：地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟127表5各耕作措施下径流与泥沙数据泥沙沉积增加的共同作用下，坡面流的流量、径流Tab1e5Runofandsedimentdataunderdifferenttillage总量和产沙量都必然减小。这也是坡面初始地表糙systems度对侵蚀产生影响的本质。2．1．3初始地表糙度对径流水力学参数的影响对各样本径流的雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力分别进行计算，结果见表6。60mm／h雨强下，径流的雷诺数变化范围为：人工锄耕1784188；人工掏挖l59～163；等高耕作79~87；直型坡233~243。雷诺数以500为界判定是否有紊流出现，大于500为紊流⋯。因此在60mm／h雨强下，对这3种耕作措施而言，坡面水流雷诺数均小于500，表明所有措施下坡面径流均未有紊流发生，这与带色流束观察结果一致。雷诺数大小排序为：当雨强增大至120mm／h时，各耕作坡面的流等高耕作<人工掏挖<人工锄耕<直型坡，可见初始量、径流量和产沙量数值上均有所增大，但其变化地表糙度与雷诺数变化趋势相反。即层流状态时，规律与60mm／h雨强下相同，即三者的最大值仍然地表糙度越大，其坡面径流的雷诺数越小，水流的出现在直型坡，最小值仍然是等高耕作坡面。人工锄分层性、有序性越好。120mm／h雨强下，径流的雷耕的流量、径流量和产沙量略大于人工掏挖。可知，诺数变化范围为：人工锄耕1l19～1138；人工掏挖雨强增大时，各耕作坡面的侵蚀加剧，但不同耕作措844~861；等高耕作724~756；直型坡1862~1928。施间侵蚀的分布规律与60mrn／h雨强下保持一致。雷诺数均大于500，说明当雨强增大了一倍时，所因此，在同一雨强相同降雨历时下，初始地表有耕作措施下坡面径流均为紊流状态，此结果同样与糙度越大的耕作坡面，其断面流量、径流总量和产带色流束观察结果吻合。雨强增大后水流的紊动性增沙量也越小。这是由于地表糙度越大的地表，土壤加，水流扩散速度加快，雷诺数增大。此时雷诺数仍表面起伏变大，洼地和凸起更加明显，洼地蓄水会为：等高耕作<人工掏挖<人工锄耕<直型坡，可见初增加；同时地形的起伏阻缓径流，增加径流深，使始地表糙度与雷诺数变化趋势相反的规律不随雨强径流在洼地留存，从而减小流速，增加了入渗时间的改变而改变。紊流状态时，地表糙度越大，其坡面最终增加入渗量。径流的阻滞和留存也导致其携带径流的雷诺数越小，水流的紊动性、无序性越大。的泥沙沉积增多，运移减少。因此，在相同雨强和地表糙度对弗劳德数和水流剪切力的影响与降雨历时条件下，各耕作措施形成的坡面相比较，其对雷诺数的影响相似，都与初始地表糙度的变化初始糙度大的地表，在洼地蓄水增加、入渗增加、趋势相反。表6各耕作措施下径流水力学参数Table6Hydrodynamicparametersofrunofunderdiferenttillagesy~ems人工锄耕ASP0．23士O．0755．48~8．0624．41~2-22人工掏挖ADP0．20i-0．0467．29±3．6421．63-~162等高耕作CP0．20~：0．0471．74士5．1020．05士2．86直型坡CK0_32士O．0327．33~2．5527-23士3．0O但地表糙度对径流阻力系数的影响却与其对直型坡阻力系数变化于49．07～59-3。在雨强为雷诺数、弗劳德数和径流剪切力的影响规律不同。120mm／h时，人工锄耕阻力系数变化于49．55～表6可知地表糙度越大，坡面径流的阻力系数也越64．67；人工掏挖阻力系数变化于63．16~70．03；等大。在雨强为60mm／h时，人工锄耕阻力系数变化高耕作阻力系数变化于67．55~77．42；直型坡阻力于53．92～73．21；人工掏挖阻力系数变化于72．53～系数变化于24．98~30．04。各耕作措施下的阻力系88．93；等高耕作阻力系数变化于209．37~217．58：数均随雨强增大而减小；同～雨强下，各耕作措施 128农业工程学报2014年坡面的阻力系数随地表糙度增大而增大。因为地表生细沟侵蚀之后，径流的侧向冲刷和剪切会使侵蚀起伏越大，微尺度上的水力坡度就越大，水土界面沟不断变大，地表起伏的轮廓也明显变大，从而增的摩擦力对水流的阻滞作用越大，并且水流在运动加地表糙度。因此，这一阶段径流会缓慢增加地表过程中克服阻力所做的功也越大。翟艳宾等【引】曾采糙度。一次完整的降雨过程，径流对地表糙度的作用变坡试验水槽研究了不同流量、不同坡度以及不用是先完全减小，产生沟蚀后，径流在沟间对地表同糙度条件下坡面流水力学参数的变化，也得出类糙度的减小作用和在沟内对地表糙度的增加作用似结论。因而，初始地表糙度对径流的各水力学参共同存在。数具有显著影响。有学者试图回归得到地表糙度与表4可知2种雨强下，人工锄耕、人工掏挖径流各水力学参数的相关关系，不过因为其受气和等高耕作的糙度变化率均为负值，表明其雨后候、降雨强度、土壤质地、坡度等因素的影响，变糙度均比雨前减小，而直型坡的糙度变化率则为化很复杂，又涉及到临界值，所以还有待于进一步正值，表明雨后糙度比雨前有所增大，这与前人深入研究[28-29,31-32】。的研究一致[33-35]。2．2径流对糙度的作用2．2．1径流流态对地表糙度的影响降雨通过雨滴击溅和径流冲刷两方面对地表图2中，人工锄耕、人工掏挖和等高耕作的糙糙度产生作用。用雷诺数和水流剪切力分别代表径度变化率均小于0，表明降雨对它们的糙度有减小斛流的流态和力量来分析径流对糙度产生的影响。降作用。在60和120mm／h2种雨强下均呈现耕8作鸵措目∞∽雨对地表糙度的影响主要表现在以下3方面：1)施雷诺数越小，其对应的地表糙度减小越显著的特姆衄占呈葛苦一0曼H在产生径流之前，坡面侵蚀主要为溅蚀，此时降雨征。因为相同雨强和历时下雷诺数越小，径流的紊雨滴的击溅作用会把表层疏松的土壤压紧实，并且动性越小，对沟床的冲刷和剪切作用就越小，径流溅起的雨滴携带土壤颗粒落在洼地，对洼地进行微对地表糙度的增大作用就越弱。在减小和增大同时量的充填。因此在径流产生之前，降雨会减小地表存在的情况下，增大作用越弱，则总体体现的减小糙度；2)在产流后未产生沟蚀前，坡面侵蚀主要作用就会越强。因而，地表糙度减小的绝对值排序为片蚀或面蚀。径流流经凸起的地方会带走泥沙和为等高耕作>人工掏挖>人工锄耕。而直型坡的糙度土壤颗粒随径流运移；径流流经坑洼的地方，部分变化率都大于0，说明降雨对直型坡的地表糙度只泥沙、土壤颗粒在洼地沉积，使坑洼慢慢向平缓的有增加作用。随着径流雷诺数的增大，水流紊动性趋势发展。这一阶段，径流对小丘的削平作用和对和剪切力增大，对直型坡平整地表的破坏也越大，坑洼的充填作用会明显减小地表糙度；3)坡面产因此地表糙度增加就越大。．雷诺数▲糙度变化率ReynoldsnumberSSRchangerate耄藿茎TillagesystemsTillagesystemsa60mm／hb120mm／h注：ASP为人工锄耕，ADP为人工掏挖，cP为等高耕作，CK为直型坡。Note：ASPmeansartificialshallowplowing，ADPmeansartificialdeepplowing，CPmeanscontourplowingandCKmeansnotreatment．图2各耕作措施下径流雷诺数与糙度变化率Fig．2ReynoldsnumberandSSRchangerateunderdifferenttillagesystems2．2．2径流剪切力对地表糙度的影响高耕作的糙度变化率绝对值最大，人工掏挖和人工图3首先可以看出当雨强从60mm／h增大到锄耕次之，直型坡的糙度变化率绝对值最小。说明120mm／h时，所有措施的径流剪切力和糙度变化率在同一雨强下径流剪切力与地表糙度变化率的绝绝对值均明显增大。对值变化趋势相反。可见径流剪切力对地表糙度的其次，直型坡的径流剪切力最大，人工锄耕和影响与雷诺数对地表糙度的影响相似。人工掏挖次之，等高耕作的径流剪切力最小。而等径流剪切力对地表的主要作用是冲刷土壤，破 第19期梁心蓝等：地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟129坏地表结构，分散土壤颗粒，然后携带这些土壤颗间侵蚀所占比例较大，因此整体上坡面糙度呈现粒或团聚体一起运移。因此，细沟形成前，径流剪减小的趋势。切力越大，其剥蚀、搬运和消除微小凸起的能力就在同一雨强相同降雨历时下，人工锄耕、人工越强，对整个坡面，其减小地表糙度的作用就越明掏挖和等高耕作这3种耕作措施中，等高耕作的径显。但细沟侵蚀产生后，径流剪切力是沟体发育的流剪切力最小，且在试验过程中观察得知等高耕作主要动力，因此沟内径流剪切力越大，沟蚀就越强，沟蚀产生时间最晚、发育最缓慢，所以径流剪切力沟内的地表糙度就会增加。对沟内地表糙度的增加作用最弱，整个坡面地表糙径流剪切力对沟内地表糙度和沟间地表糙度度减小就最显著。而人工锄耕的径流剪切力最大，的作用呈相反的趋势。在细沟侵蚀产生前，径流沟蚀产生时间最早、发育最迅速，所以径流剪切力剪切力越大，坡面地表糙度的减小越显著；当细对沟内地表糙度的增加作用最强，整个坡面地表糙沟侵蚀产生后，径流剪切力越大，整个坡面地表度减小就最弱。糙度的减小趋势反而越平缓。可知细沟侵蚀的产对直型坡来说，当雨强增大时，直型坡的水流生直接影响了径流剪切力对地表糙度的作用。但剪切力变大，对地表的扰动破坏也越大，地表轮廓对整个坡面而言，在大的沟蚀产生以前，由于沟的起伏加剧，糙度就会增加。◆径流剪切力·糙度变化率绝对值AbsolutevalueofSSRchangerate／％∞^∞置；∞35趔3O按鼎25尽槲2O避15世l05TillagesystemsTillagesystemsa60mm／hb120mm／h图3各耕作措施下径流剪切力与糙度变化率绝对值Fig．3FlowshearstressandabsolutevalueofSSRchangerateunderdiferenttillagesystems歪0a爿g号∽∞∞；_【nl80《面。但由于沟间侵蚀所占比例较大，所以一场完整3结论的降雨后，坡面地表糙度整体上表现为减小趋势。对人工锄耕、人工掏挖和等高耕作3种耕作措因此一场完整的降雨事件中，径流的雷诺数越小，施来说：径流越倾向于稳定的层流，其对地表糙度的减小作1)在相同雨强和降雨历时条件下，初始地表用越强；雷诺数越大，径流越倾向于紊动的紊流，糙度越大的耕作措施，坡面流形成过程中束流越其对地表糙度的减小作用越弱。多，片流越少；产流越晚，汇流越少；水流紊动性5)侵蚀过程中，径流的剪切力越大，其沟内越弱，坡面径流越容易稳定在层流状态，紊流出现对地表糙度的增大作用越强，坡面整体表现出的地的时间越晚。表糙度减小作用就越弱；反之径流剪切力越小，对2)在相同雨强和降雨历时条件下，初始地表沟内的地表糙度增大作用就越弱，坡面整体表现出糙度越大的耕作措施，其坡面径流的流量、径流量的地表糙度减小作用就越强。和产沙量越小。对直型坡来说，由于其初始糙度极其微小，地3)在相同雨强和降雨历时条件下，各耕作坡表轮廓起伏很微小，地表接近平整，因此产流后汇面的流的雷诺数、弗劳德数和水流剪切力都与初始流最多，径流最容易达到紊流状态。2种雨强下直地表糙度的变化趋势相反；而径流的阻力系数则与型坡均是4种耕作措施中产流最快的，并且其流量、初始地表糙度变化趋势相同。径流量和产沙量也是最大的。其径流的雷诺数、弗4)侵蚀过程中，细沟产生以前，径流仅表现劳德数和水流剪切力也最大，而阻力系数最小。此为减小地表糙度。细沟产生后，径流剪切力在沟间外，径流对直型坡的地表糙度只有增加作用，并且表现为减小地表糙度，而在沟内则表现为增大地表径流的雷诺数越大，水流紊动性就越大，剪切力也糙度。这2种相反的作用同时并存，一起作用于坡越大，地表糙度增大就越多。 130农业工程学报2014焦[参考文献]topographicandhydrologiceffectsonoverlandflowandn[1】JesterW，KlikA．Soilsurfaceroughnessmeasurement—erosion[J]．Catena，2002，46(2)：177—188．methods，applicabiliandsurfacerepresentation[J]．[18】DarbouxF，HuangC．h．DoessoilsurfaceroughnessCatena，2005，64(2)：174—192．increaseordecreasewaterandparticletransfers?[]]．Soil[2】吴发启，赵晓光，刘秉正，等．地表糙度的量测方法ScienceSocietyofAmericaJourna1．2005．69f3)：748—756．及对坡面径流和侵蚀的影响【J]．西北林学院学报，[19】MagundaM，LarsonW，LindenD，eta1．Changesin1998，13(2)：15一l9microreliefandtheireffectsoninfiltrationanderosionWuFaqi，ZhaoXiaoguang，LiuBingzheng，eta1．Ontheduringsimulatedrainfall[J]．SoilTechnology，1997，methodformeasuringgroundsurfaceroughnessandits10f1：57—67．effectuponrunoffanderosionontheslopesurface[J]．【20]DarbouxF，ReichertJ，HuangC，eta1．SoilroughnessJournalofNorthwestForestryCollege，1998，13(2)：15—effectsonrtlnoffandsedimentproduction[C]．19．(inChinesewithEnglishabstract)Conservingsoilandwaterforsociety：Sharingsolutions，[3]HansenB，SchjonningP，SibbesenE．RoughnessindicesProc．13thIntSoilConservationOrganizationConLSRforestimationofdepressionstoragecapacityoftilledsoilRaine，AⅢBiggs，NWMenzies，DMFreebairn．andPEsurfaces[J]．SoilandTillageResearch，1999，52(1)：103一Tolmie，eds．Paper。2004：1—6．l11．[21】ZhaoL，LiangX，WuF．Soilsurfaceroughnesschange[4]GoversG，TakkenI，HelmingK．SoilroughnessandanditseffectonrunoffanderosionontheLoessPlateauoverlandflow[J】．Agronomie，2000，20(2)：13l—I46．ofChina[J]．JournalofAridLand，20l4，6(4)：400-409．[5】RaiR，UpadhyayA，SinghV．Effectofvariable【22]牛伊宁，南志标，沈禹颖．陇东黄土高原地表粗糙度roughnessonrunoff[J]．Journalofhydrology，2010，对耕作土壤径流的影响[J]．干旱区研究，2011，28(3)：382(1)：115—127．389—393．[6】HelmingK，R6mkensM，PrasadS．Surfaceroughnessrelatedprocessesofrunofandsoilloss：aflumestudy．NiuYining．NanZhibiao．ShenYuying．EffectofsurfaceSoilScienceSocietyofAmericaJournal，1998，62(1)：roughnessonrunoffovercultivatedsoilintheLongdong243—250．LoessPlateau[J]．AridZoneResearch，2011，28(3)：389—[7】DarbouxF，Gascuel—OdouxC，DavyP．Effectsof393．(inChinesewithEnglishabstract)surfacewaterstoragebysoilroughnessonoverland．flow『231AbrahamsAD，ParsonsAJ，LukSH．Fieldmeasurementofthevelocityofoverlandflowusingdyegeneration[J]．EarthSurfaceProcessesandLandforms，tracing[J]．Earthsurfaceprocessesand1andforms．1986．2002，27(3)：223—233．11f61：653—657．[8]KatzDM，WattsFJ，BurroughsER．Effectsofsurfaceroughnessandrainfallimpactonoverlandflow[J]．【24]郑粉莉，赵军．人工模拟降雨大厅及模拟降雨设备简JournalofHydraulicEngineering，1995，121(7)：546—介[J]．水土保持研究，2004，11(4)：177—178．553．ZhengFenli．ZhaoJun．Introductionofrainfa1lsimulationhallandequipment[J]．Researchofsoilandwater【9]HoldenJ，KirkbyMJ，LaneSN，eta1．Overlandflowvelocityandroughnesspropertiesinpeatlands[J]．Waterconservation，2004，l1(4：l77—178．(inChinesewithResourcesResearch，2008。44(6)．Englishabstract)[10】MtiglerC，PlanchonO，PatinJ，eta1．Comparisonof『25]LindenDR，VanDorenDM．Parametersforroughnessmodelstosimulateoverlandflowandtracercharacterizingtillage—inducedsoilsurfaceroughness[J[．transportexperimentsundersimulatedrainfa11atplotSoilScienceSocietyofAmericaJournal1986，5Of6)：scale[J]．JournalofHydrology，2011，402(I)：25-40．1560—1565．fl1】BurwellR，LarsonW．Infiltrationasinfluencedby[26]肖培青，郑粉莉，姚文艺．坡沟系统坡面径流流态及tillage—inducedrandomroughnessandporespace[J]．Soil水力学参数特征研究[J]．水科学进展，2009。20(2)：ScienceSocietyofAmericaJournal，1969，33(31：449—236-240．452．XiaoPeiqing，ZhengFenli。YaoWenyi．Flowpatternand宋向阳．地表糙度对坡面产汇流特征的影响研究[D]．hydraulicparametercharacteristicsinhillslopegullyslope杨凌：西北农林科技大学，2012．systemfJ1．AdvancesinWaterScience，2009，20(2)：236—SongXiangyang．1]heRelationofSoilSurfaceRoughness240．(inChinesewithEnglishabstract)andRunofCharacteristicoNSlopeFarmland[D1．[27]敬向锋，吕宏兴，张宽地，等．不同糙率坡面水力学特Yangling：NorthwestA&FUniversity．2012．(inChinese征的试验研究[J]．水土保持通报，2007，27(2)：33—38．withEnglishabstract)JingXiang~ng，LtiHongxing，ZhangKuandi，eta1．DarbouxF，DavyP，Gascue1．OdouxC，eta1．EvolutionofExperimentalstudyofoverlandflowhydromechanicssoilsurfaceroughnessandflowpathconnectivityinunderdifferentdegreesofroughness[J]．BulletinofSoiloverlandflowexperiments[J】．Catena,2002，46(2)：125—andWaterConservation，2007，27(2)：33—38．(in139．ChinesewithEnglishabstract)RauwsG．Laboratoryexperimentsonresistanceto[28]童星，裴毅．地表糙度与水力糙率间关系的试验研究【J]．overlandflowduetocompositeroughness[J]．Journalof湖南农机，2011，38(3)：35—37．Hydrology．1988．103(11：37—52．TongXing．PeiYi．ResearchonrelationshipbetweenLawrenceD．Macroscalesurfaceroughnessandfrictionalsurfaceroughnessandhydraulicroughness[J]．Hunanresistanceinoverlandflow[J]．EarthSurfaceProcessesAgriculturalMachinery。2011．38f3)：35—37．(inandLandforms，1997，22(4)：365-382．ChinesewithEnglishabstract)TakkenI．GoversG．HYdraulicsofinterrilloverlandflow[29]郑子成，何淑勤，吴发启，等．地表糙度与水力糙率onrough，baresoilsurfaces[J]．EarthSurfaceProcesses系数的关系fJ]．山地学报，2004，22(6)：236-239．andLandforms。2000，25(13)：1387—1402．ZhengZicheng，HeShuqin．WuFaqi，eta1．RelationshipHuangC，Gascue1．OdouxC，Cros．CayotS．Hillslopebetweensurfaceroughnessandmanningroughness[J1． 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