黄土高原地区鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程及水力学特征

为明确鱼鳞坑坡面抗侵蚀演化过程及其水流水力学特性,采用间歇性人工模拟降雨实验,对鱼鳞坑坡面水流水力学特性以及阻力规律进行了系统分析。结果表明:(1)鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程表现为:雨滴溅蚀—片蚀—股流冲刷—跌坑—细沟侵蚀—下切侵蚀—溯源侵蚀—崩塌。(2)随着降雨历时的增加,由于鱼鳞坑的层层拦截与蓄满,其下方的坡面径流流速、水深均呈波动式增长趋势,坑内出现旋涡,坡面径流呈现断续股流。降雨累积历时为58 min左右,总降雨量达到87 mm时,鱼鳞坑侵蚀量急剧增加,拦蓄径流作用失效。(3)五场降雨过程中,上坡和中坡水流流态为层流,下坡由于鱼鳞坑蓄满后径流出现波动,水流流态由层流变为紊流且时而为缓流时而为急流。(4)鱼鳞坑坡面水流阻力来源于降雨阻力、颗粒阻力、形态阻力叠加,在整个降雨过程中阻力总和呈下降趋势;其中,受地形高低起伏、地表糙度的影响,形态阻力一直居于主导地位。     

模拟植被类型及空间配置对坡面流水动力学特性的影响

通过室内水槽模拟冲刷试验,研究缓坡坡降1.4%、流量0.6~1.8L/s、非淹没条件下,植被类型(柔性植被、刚性植被)和植被配置格局(棋盘状格局、长条状格局、带状格局)对坡面流水深、流速、流态、达西阻力系数等水动力学特性的影响,探究其规律。结果表明:(1)与裸坡相比,植被具有雍水缓流作用,水深雍高1.4~2.8倍,流速延缓31%~65%,植被格局较植被类型作用更为明显,其中柔性植被、带状格局雍水效果最好。(2)坡面流态指数m显示刚性植被、棋盘状格局条件下水流紊动性最强,而坡面综合指数k显示柔性植被、带状格局对水流作用更强。(3)各试验条件下,水流流型以过渡流为主,主要受单宽流量影响而与植被条件无关;裸坡条件下水流流态为急流,植被覆盖下为缓流,受单宽流量和植被类型影响较小,棋盘状和带状格局影响较大。(4)植被使坡面平均阻力系数较裸坡增加约2.9~20.5倍,缓流条件下阻流效果更好;植被类型较植被格局对阻力系数的影响更大,其中柔性植被和带状、棋盘状格局阻水效果更好,而沿程阻力系数变化显示带状具有明显的波动特性,棋盘状格局较为稳定,即水动力学条件更佳。     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

植被覆盖下黄土凸型复合坡面水流特征

针对黄土凸型复合坡面侵蚀产沙规律研究现状的薄弱问题,该文通过对野外凸型复合坡面进行不同流量(14、18、22 L/min)、不同植被覆盖度(30%、50%、70%)和不同植被覆盖坡位(凸型复合坡面的上坡坡底和下坡坡底)的放水冲刷试验,对黄土凸型复合坡面径流侵蚀发生过程中的水流特征进行了深入研究。结果表明,当植被覆盖度为70%,且植被布设在凸型复合坡面上坡坡底时,复合坡面的水流流态属于缓流过渡流,其他情况下凸型复合坡面的水流流态属于急流过渡流。植被布设在凸型复合坡面下坡坡底时的雷诺数和佛罗德数大于植被布设在凸型复合坡面上坡坡底时相应的雷诺数和佛罗德数。用达西阻力系数和曼宁糙率系数这2个参数表达径流阻力结果一致。植被布设在凸型复合坡面上坡坡底时的达西阻力系数和曼宁糙率系数大于植被布设在凸型复合坡面下坡坡底时相应的达西阻力系数和曼宁糙率系数。研究结果可为植被覆盖下黄土凸型复合坡面侵蚀产沙过程机理的研究和植被措施在黄土凸型复合坡面中的合理配置提供科学参考。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究

坡面土壤侵蚀是径流冲刷和坡面抗蚀作用以及地面物质补充能力之间相互作用的复杂过程。本研究采用野外实地放水冲刷实验,研究了20°裸地(CK)及鱼鳞坑(YLK)、苜蓿草地(MXCD)、秸秆覆盖(JGFG)径流调控措施坡面薄层水流剥离土壤颗粒的水动力学过程,并运用水流切应力、单位水流功率、径流动能三种理论进行了详细分析。结果表明:(1)对于裸地和调控措施坡面,输沙率与径流剪切力、径流功率之间均呈现良好线性关系,与水流动能之间呈现良好对数关系;土壤侵蚀发生时均存在临界切应力和临界功率。(2)随放水流量增加,坡面流速迅速增大,导致水流切应力、单位水流功率、径流动能增大,进而水流对土壤颗粒的剥离能力增强,最终土壤侵蚀加剧。总之,三种理论在描述土壤侵蚀过程时各具特点,径流切应力更能详细地揭示土壤颗粒分离过程,而径流动能及功率理论更能简便、准确地描述坡面土壤侵蚀过程。     

草地坡面水动力学特性及其阻延地表径流机制研究

利用野外实地放水试验,分析草地减流减沙效益,研究草地与裸地坡面的产流产沙过程与坡面流水动力学特性.试验结果表明,草地与裸地坡面土壤入渗过程均符合Horton入渗公式,且裸地坡面土壤入渗率约为草地的45%;草地坡面含沙率平均值较裸地减少70%左右、输沙率减少80%左右、径流系数减少30%左右;裸地与草地坡面流雷诺数Re均属于层流范畴,当坡面径流量较小时,裸地和草地坡面流的雷诺数和弗劳德数属于层流中的缓流范畴,当坡面径流量进一步增大,裸地坡面径流属于过渡流急流流态;草地和裸地坡面径流深没有明显差异,草地坡面径     

不同长度小麦秸秆覆盖下黄土耕地坡面流水动力学特性

为了系统研究秸秆长度对坡面流水动力学特性的影响,利用室内人工模拟冲刷定床阻力试验,在4个坡度、5个流量条件下分别对3~5、8~10和13~15 cm长度秸秆覆盖坡面流水动力学参数变化特征进行分析,阐明不同长度秸秆覆盖坡面水流阻力与雷诺数的关系。结果表明,秸秆长度对坡面流水动力学参数影响显著。不同长度秸秆覆盖条件下,坡面流雷诺数变化范围为166~558,当流量≤7.5 L/min时,坡面流态为层缓流;流量为9.0 L/min时,坡面流态为过渡缓流。秸秆覆盖条件下,坡面流具有较小的流速和较大的水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数。随着秸秆长度增加,坡面流流速随之增加,而水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数随之降低。随着秸秆长度和水力坡度增加,流态指数值总体呈现降低趋势。当秸秆长度由3~5 cm增加至13~15 cm时,流态指数平均由0.716降至0.501。研究可为秸秆覆盖条件下水土流失阻控机理研究提供科学依据。     

草被覆盖度对坡面流水动力学参数的影响

坡面流流速U、径流深h、雷诺数Re、佛汝德数Fr、沿程阻力系数λ以及径流切应力(?)等水力要素是反映水动力学特征的主要指标。通过室外人工模拟冲刷试验,分析了草被覆盖度大小对坡面流水力学参数的影响及各水动力学参数沿坡面的分布特征。研究表明:坡面草被措施降低了坡面流流速和水深,且草被覆盖度越大,其削弱径流流速和降低径流水深的作用就越明显;坡面草被措施明显地降低了坡面流的紊动性,降低了坡面流速及其挟沙能力,且草被覆盖度越高,这种作用就越明显;草被措施增加了坡面入渗,降低了径流深,减弱了径流剪切力,从而起到了减蚀作用,且随着覆盖度的增加减蚀作用越加明显。     

秸秆覆盖对干湿态红壤坡面流水力学参数的影响

秸秆覆盖对地表径流的水力学参数有重要影响。在江西省余江县中国科学院红壤生态实验站附近的坡耕地,利用人工模拟降雨研究秸秆覆盖对坡耕地干湿态红壤地表径流水力学参数的影响。结果表明,有无秸秆覆盖对土壤地表径流速度和曼宁系数影响明显：1）0~30%覆盖度之间,流速随着覆盖度的增大迅速降低,而曼宁系数随着覆盖度的增大迅速增大;30%~90%覆盖度之间,流速随着覆盖度的增大降低缓慢,但曼宁系数随覆盖度增大而在高位小幅振荡。2）在同一覆盖度下,湿态土壤流速比干态土壤流速大,在0、15%和30%覆盖度时,这种现象较为明显,当覆盖度大于30%时,这种现象不明显;在0~30%覆盖度范围内,干态土壤曼宁系数比湿态土壤大;在30%~90%覆盖度范围内,干态土壤曼宁系数比湿态土壤小。3）30%覆盖度秸秆覆盖可以有效降低地表径流流速,增大地表糙率。从经济实用和水土保持效果来看,30%的秸秆覆盖是该区农地水土保持的最佳选择。     

汾河上游不同土地利用方式对坡地水土流失的影响

以汾河上游阳坡小流域为研究区,在2015—2017年进行了天然降雨条件下的坡面产流产沙小区试验,结果表明:(1)研究区的侵蚀性降雨在年内和年际间分布很不均匀。少数几次强降雨对降雨侵蚀力的贡献很大。(2)不同侵蚀性降雨条件下,鱼鳞坑+乔木或灌木拦蓄径流或泥沙能力最强,裸地最弱;坡面产流量大小依次为:裸地坡耕地草地油松黄刺玫鱼鳞坑+油松鱼鳞坑+黄刺玫。坡面产沙量大小规律为:鱼鳞坑+乔或灌草地乔或灌坡耕地裸地。(3)随着雨量增加,各植被小区的径流调控率和泥沙调控率均呈下降趋势;相近雨量时,随着雨强的增加,径流调控率和泥沙调控率明显下降。(4)各小区的降雨量和产流量、产流量和产沙量之间呈现显著正相关(P0.05)。在裸地、黄刺玫及草地小区,I30与产流量之间是均无显著相关。在裸地、油松、黄刺玫、耕地小区,I30和产沙量之间无显著相关。     

不同规格鱼鳞坑坡面侵蚀过程及特征研究

探究不同雨强下鱼鳞坑措施的坡面侵蚀规律及特征,对进一步明晰该措施的径流泥沙调控机制具有重要意义。该研究采用小区模拟降雨试验,研究3种雨强(40,70和100 mm/h)条件下2种规格鱼鳞坑坡面的蓄水保土效益及侵蚀过程,并探讨鱼鳞坑坡面水沙特征及其与细沟形态之间的关系。结果表明,鱼鳞坑的径流泥沙调控作用明显但也存在阈值,在措施被冲垮前,各处理减流效益和减沙效益分别为66.02%~82.20%和85.77%~91.91%;平均径流强度和输沙速率分别为平整坡面的18.87%~33.21%和10.04%~15.38%;当鱼鳞坑被冲垮后,坡面产流量和产沙量分别为平整坡面的1.00~1.22倍和1.39~3.53倍,其平均径流强度和输沙速率分别为鱼鳞坑冲垮前的4.60~7.46倍和13.70~16.75倍。鱼鳞坑坡面径流含沙率在措施冲垮前后的差异较大,水沙关系线性拟合的斜率在措施被冲垮前为0.020和0.035,而冲垮后斜率为0.205和0.231,同时坡面总产沙量和峰值产流产沙量与细沟形态显著相关。因此,鱼鳞坑措施对坡面产流产沙特征及形态的影响在其调控阈值前后有较大差异。研究可为鱼鳞坑坡面水土流失的研究可为区域水土保持措施配置及管理提供相应的依据。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

不同人工糙率床面水力学特性的试验研究

采用变坡试验水槽,研究了不同流量,不同坡度以及不同糙率条件下坡面流水力学参数(雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数)变化规律。研究结果表明,在糙率、坡度相同情况下,坡面流的雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数均随流量的增大而增大;在坡度、流量相同条件下,随着糙率的增大,坡面流的雷诺数,弗劳德数和平均流速在减小,阻力系数和水深在增大;平均流速、水深和阻力系数与流量和坡度的关系可用简单幂函数表示,而且主要由流量控制。