黄土坡面薄层水流侵蚀试验研究

采取人工模拟降雨试验方法，对黄土坡面薄层水流馆进行了系统研究，结果表明，薄水液仍属层液范畴，定义为搅动层流（agitated lamiar flow)，以区别于明渠水流中的层流，其流动型态为超临界流，薄水充蚀蚀搬运方式以推移运动来完成，所产生的泥沙是接触质，雨滴击溅侵蚀是薄层水流侵蚀物质的主要来源，可占总量侵蚀量的70％以上，最高可达95％，此外雨滴击溅还可降低薄层水流的水力摩阻系数，减少水流的摩擦阻力，从而增加薄层水流的冲刷力，据实验结果，该平均值可达66．14％。     

雨滴击溅对薄层漫流的扰动能力与输沙特征

采用人工模拟实验,对黄土雨滴击溅下坡面薄层漫流的流态、扰动能力和输沙特征进行了研究,结果显示:雨滴击溅作用下坡面薄层漫流的流态既不是层流也不是紊流,属于雨滴垂向作用下的高度混掺"扰动流";泥沙剥蚀量较无雨滴击溅薄层流剥蚀量显著增大,击溅雨滴直径越大,泥沙剥蚀量也越大,呈指数规律变化,表明雨滴击溅作用是薄层漫流泥沙剥蚀的主要动力。雨滴击溅对薄层漫流的扰动能力随着水流深度和雨滴直径比值的增大呈幂指数关系减小,当雨滴直径大于薄层漫流水深的2.5～3.0倍时,雨滴击溅对薄层漫流基本无扰动作用。基于雨滴击溅的主要影响因子,提出了缓坡坡面扰动系数预测方程,对研究薄层漫流泥沙流失预报模型具有重要意义。     

坡地土壤侵蚀机理研究进展与现状

雨滴击溅、地面径流在坡地侵蚀中起着重要的作用。雨滴击溅的功能是破坏土壤结构，消除击溅后侵蚀量可降低６０％以上。天然坡地水流是一种混合状态的水流，其流速与水深成正比。在薄层水流动力的作用下，侵蚀量随地表坡度增加呈幂函数增大；在击溅和水流共同作用下，侵蚀量与地表坡度呈二次抛物线型关系。细沟流的作用主要是输移从沟间地来的泥沙和被雨滴溅起的固体物。８０年代以来，国内外在坡地侵蚀的物理过程模拟模型研究方面有了较快的发展。     

雨滴击溅在薄层水流侵蚀中的作用

试验采用人工模拟降雨方法,对薄层水流侵蚀的两个阶段——雨滴击溅及径流侵蚀进行了模拟试验研究。得出:在消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀的主要营力为薄层水流的拖拽力（τ=rhsinα）,且径流侵蚀量S_R与τ有下列关系式: S_R=921.497τ^1.713 r=0.876 α=0.017 以上式为基础,即可从有雨滴打击作用下所产生的侵蚀量中推算出径流侵蚀量S_R与雨滴侵蚀量S_Rd。结果表明:S_Rd一般占总侵蚀量的70%以上,最高可达95%,说明薄层水流侵蚀所产生的泥沙绝大部分是由雨滴击溅所致。因此,笔者认为坡度较小地段的薄层水流侵蚀,应以消除或降低雨滴击溅作用为其主要防治措施。     

雨滴击溅对坡面径流输沙的影响

针对雨滴击溅下坡面径流输沙研究中存在的研究方法及机理需要深入探讨的问题,通过室内人工模拟降雨与放水冲刷试验相对比的方法,研究有无雨滴击溅对坡面径流输沙的影响。研究结果表明:雨滴击溅会增强水流的紊动作用和水流流态的不稳定性,但这并不意味着雨滴击溅总是增加坡面输沙的强度;当坡度较大时(10°～12°),随雨强的增加,雨滴击溅对坡面流单宽输沙率的贡献由增强转为抑制。初步给出坡面输沙的影响因素及雨滴击溅对坡面产沙的贡献关系。上述研究对深入探讨坡面输沙机理提供了新的认识。     

雨滴直径对表土结构和入渗特征的影响

为探究雨滴击溅对表层土壤结构和入渗特征的影响,揭示土壤微结构与入渗间的深层关联,以黄土高原土为对象,采用模拟降雨、同步辐射CT扫描和入渗试验,系统地分析了不同雨滴击溅作用下土壤结构变化与入渗速率间的关系。结果表明:(1)击溅土壤结构发生变化,团聚体数量和三维分形维数显著增加,孔隙体积和大孔隙率显著减小。雨滴直径越大,击溅后的团聚体破碎程度越强,孔隙堵塞率最高达46.40%。(2)雨滴击溅下,破碎的团聚体堵塞孔隙,在土壤表层形成致密低渗的结皮层,结皮强度随雨滴直径和击溅次数的增加逐渐增加。(3)土壤入渗速率随雨滴直径和击溅次数的增加逐渐减小,经过3次雨滴击溅后减渗效应最高可达91.81%。(4)土壤稳渗速率与雨滴直径和土壤结构特征参数呈显著指数关系变化。研究表明,雨滴直径显著影响表层土壤结构和入渗特征,雨滴直径越大,土壤结构越分散,土壤入渗能力越低。     

雨滴对击溅侵蚀的影响研究

采用雨滴发生器产生雨滴,选用5种直径的雨滴在4种降落高度下,分别对5种含水量的壤土进行雨滴击溅实验,每组实验设定2个重复,分析雨滴直径以及雨滴动能对溅蚀量的影响,同时分析溅蚀量的粒径分选特征。结果表明:(1)当雨滴动能小于0.067 4×10-3 J时,雨滴不能产生击溅侵蚀。在一定的雨滴直径范围内,小雨滴产生的溅蚀量较多,即小雨滴易于造成击溅侵蚀。溅蚀量随着雨滴动能的增加呈线性增长。(2)对于同种类型的土壤,溅蚀量随着前期含水量的增加而增大,存在着使土壤溅蚀量达到最大的前期含水量。土壤前期含水量与土壤抗蚀性呈负相关关系。(3)溅蚀土粒的粒径≤2mm时,其中细砂粒和粘粒含量与原土较为接近,粉粒含量远低于原状土壤,而粗粉粒含量远高于原状土壤。随着雨滴动能的增大,溅蚀土粒的分选规律变得明显,小粒径(0.05mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而减小,大粒径(0.2mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而增加。     

单雨滴击溅规律及其对溅蚀土粒的分选作用

首先论述了击溅的物理基础 ,然后通过不同直径雨滴对黄 土善土的击溅实验 ,研究了不同雨滴动能、坡度、土壤含水量、土壤颗粒粒径对土壤起溅时间及溅蚀量的影响 ,并进一步探讨了单雨滴击溅对溅蚀土粒的分选规律。     

雨滴侵蚀特征分析

引起水土流失发生的侵蚀营力是多方面的,其中雨滴的侵蚀作用不可忽视.雨滴击溅可分为干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段.溅蚀具有明显的分带性,坡面上部的土壤溅蚀量大于坡面下部的土壤溅蚀量,雨滴击溅中约有75%的土粒向坡下迁移.雨滴中数直径D_(50)、降雨强度、雨滴终点速度与雨滴动能成正比关系,雨滴动能是地表径流动能的256倍,EI_(30)乘积是较好的表示雨滴侵蚀力指数的方法.     

雨滴能量和土壤改良对渗透及侵蚀的影响

降雨或喷灌水滴的击溅能量可使土壤表面结皮。这是干旱半干旱地区耕地存在的一个严重问题。在土壤表面施入土壤改良剂和补充一定量的电解质可防止土壤形成结皮。作者应用箱式滴水型模拟降雨器,对雨滴击溅能和水质对入渗及侵蚀的影响进行了试验研究。在所有处理中,入渗率(IR)、累积入渗量(降雨吸收量)随雨滴击溅能增加而减少,土壤侵蚀则随雨滴击溅能增加而增加。在土壤表面施入电解质(或PG或TW)之后,再施入聚丙烯酰胺,与未经化学处理的对照试验相比,稳渗率和累积入渗量都增加了7~8倍,且比单独施入PAM、PG或TW更有效。PAM+电解质处理与对照试验相比,减少侵蚀量1倍以上。     

降雨侵蚀数学仿真模型

当雨滴击溅力和地表径流冲刷力超过土壤颗粒的内聚力时，便会发生降雨侵蚀。基于这个基本观点，本文通过一种理论的方法对降雨侵蚀过程进行了描述。击溅力和冲刷力可通过雨滴和径流产生的动量通量求得。为计算土壤可蚀性，引入一个临界动量通量，它取决于前期侵蚀量。该模型与实验数据进行了校验，校验后的模型经计算机运行后，其结果与野外实测结果较为吻合。     

受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动规律

山区浅层水流深度极浅且移动缓慢,降雨条件下其泥沙输移现象尚不明确。为探明受到降雨影响下的浅水河流均匀沙起动问题,该研究假设雨滴落入河道后会影响到整个水流区,形成雨滴群与水流混合的流体,从孔隙介质流理论入手,假设当降雨存在时床面泥沙颗粒增加了向上的附加力,进一步分析泥沙颗粒的受力情况,推导出层流水流泥沙颗粒起动关系表达式。从含沙水流流速分布规律得到启发,雨滴落入层流水流的状态类似于含沙水流,当降雨存在时层流水流流速分布仍然满足线性关系。利用无降雨泥沙起动经典试验数据,确定了拖曳力系数以及上举力系数,发现两者都是沙粒雷诺数的函数。利用已有研究的降雨实测数据,求出了8种降雨强度(0.254～152.4mm/h)下的雨滴直径分布概率密度表达式(R~2=0.998),进而求出雨滴的平均直径表达式,并给出受降雨影响的层流水流泥沙颗粒起动切应力计算模型。该研究模型表明降雨的存在使得泥沙起动所需的临界摩阻流速减小。通过与已有研究进行对比分析,该研究建立的受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动计算公式具有最高的精度,平均误差仅为14.8%,能够为山区水沙灾害防治提供理论支撑。     

华北土石山区土壤溅蚀影响因素分析

土壤侵蚀会破坏土地吞食农田,降低土壤肥力,直接影响水土资源的利用和保护.雨滴击溅作用下,地表土壤颗粒会发生位移,引起表层土壤颗粒的分离.以华北土石山区作为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,采用改良后的摩根溅蚀盘和雨滴发生器,利用色斑法结合叶面积系数法测定不同条件下的土壤溅蚀量.结果表明:1)溅蚀量随土壤前期含水量增大而增大、与雨滴动能呈正相关(R2＞0.96,P＜0.05);2)溅蚀量和植被覆盖度呈非线性负相关(R2 ＞0.99,P＜0.05)——植被覆盖度越大,土壤溅蚀量随降雨强度增大的幅度越小;3)植被主要通过叶面积改变雨滴直径,通过株高改变降雨高度,对降雨进行再分配,进而改变雨滴动能.叶面积系数越小、株高越低,植被对溅蚀的阻挡作用越强.     

雨滴击溅对耕作层土壤团聚体粒径分布的影响

为研究不同雨滴直径的降雨对耕作层团聚体的破碎及其粒径分布特征的影响,该文选取4个雨滴直径(2.67~3.79 mm)对耕层土壤(0~20 cm)团聚体进行雨滴击溅试验,每次试验各滴5 000滴,每1 000滴收集1次溅蚀团聚体。结果表明:1)所有收集次序中雨滴直径3.79 mm溅蚀量最大,累积雨滴数为2 000、3 000和4 000时,溅蚀量与雨滴直径均呈显著的指数函数关系。2)各雨滴直径的溅蚀量随粒径减小呈增大-减小-增大趋势,2 mm粒径的溅蚀量几乎为0,0.053 mm粒径的溅蚀量随雨滴直径增大而增大。3)相同雨滴直径不同累积雨滴数之间平均重量直径值差异不显著,相同累积雨滴数不同雨滴直径之间平均重量直径值差异不显著(P0.05)。4)不同雨滴直径溅蚀团聚体富集率随粒径变化一致,1 mm粒径溅蚀量团聚体富集率值接近0,0.053~1 mm粒径团聚体富集,1 mm粒径团聚体主要破碎成0.053~1 mm粒径团聚体,且粒级越小,富集率越高。研究可为黄土高原地区水土保持提供理论依据。     

雨滴形成的侵蚀

雨滴所引起的土壤分离机制已取得定性的认识,而且土壤侵蚀分析的结果总是以与动能或动量相关联的雨滴(降雨)侵蚀力经验关系而告终.击溅在土壤表面(干或湿)上的雨滴总是产生一个巨大的“撞击”压的起始峰值.在约毫秒内衰减.如果土壤侵蚀发生的话,将在这一期间.本文将介绍一种利用“动量”原理进行侵蚀分析的方法.由于雨滴击溅所引起的土壤流失也将被描述,所遇到的各种变量和参数由所出版著作中给定的方法估计.     

植被对降雨的再分配分析

 定量分析植被对降雨的再分配过程和植被影响雨滴溅蚀的方式,并比较了它们在被分配前后的击溅侵蚀能量。植被对降雨的再分配主要有3种形式:截流、透流和干流,其中,只有透流能溅蚀地面。再分配减少了溅蚀地面的雨量,但增加了雨滴直径。经过比较,结论如下:1)枯落物覆盖度与溅蚀能量呈线性负相关,枯落物覆盖度越大,溅蚀能量越小;2)在降雨量达到透流(经枝叶聚集部分)临界雨量以后,植被高度是所有植被特性中影响溅蚀能量贡献率最大的因子,植被越高,溅蚀能量越大;3)在降雨量达到透流(经枝叶聚集部分)临界雨量以后,雨滴终速度越大,植被所能减少的溅蚀能量越多。     

人工模拟降雨的能量相似及其实现

 能量相似是降雨模拟的基本原则。通过对雨滴粒径、雨滴击溅速度、降雨均匀度等能量相似要素的分析和探讨,提出实现降雨模拟能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴发生器等条件不变的情况下,通过调节雨强来实现降雨能量的相似;通过加大供水压力等手段可提高降雨动能,所以在降雨模拟实践中,降雨高度不一定需要达到使所有粒径的雨滴均达到终速所需的高度。     

坡面水蚀过程的力能体系及研究思路

通过对作用于水蚀过程中力能变化的分析,重点描述了雨滴击溅力、坡面径流力、土粒黏结力、地表摩擦力的计算方法及作用过程和主要影响因子,对于表达式中各参数,设计出确定其数值的实验方案。     

滴灌管主流道沿程压力分布模型及验证

为揭示滴灌管的沿程流动特性,简化滴灌水力计算,分析了能量方程应用于滴灌管水力计算的局限性,并以质量守恒和动量守恒定理为依据,建立了以滴灌管为典型的变质量流动数学模型,并结合测压试验数据,获得了滴灌管主流道沿程压力分布表达式。变质量流动的动量方程表明:多孔管路主流道压力变化取决于摩阻项和动量交换项两部分,沿程压力分布的具体形式取决于二者作用的相对强弱,滴灌管压力分布归结为求解滴灌管轴向流速分布、摩阻系数和动量交换系数,动量方程建立的合理之处在于不必追究其详细机制,将复杂的流动机理进行了合理概化。测压-测流试验表明:滴灌管轴向流速分布指数与滴头自身特性参数无关,而与滴头安装个数呈线性关系。基于理论分析和试验数据回归得到了动量交换系数的表达式,并结合Blasius摩阻公式进行方程求解,压力计算值与实测值吻合良好,最大相对误差为4.27%。该文可为滴灌管水力计算及多孔管水动力学研究提供一定参考。     

黄土结皮的发育机理与侵蚀效应研究

了解土壤结皮的发育特征及其对侵蚀的影响作用,是认识土壤侵蚀机理、建立精准侵蚀预报模型的重要理论支持之一。本文通过模拟降雨试验,探讨有无雨滴打击作用下黄土结皮的发育过程以及前期有无结皮时结皮侵蚀效应的动态特征。结果表明:(1)随降雨的进行,黄土结皮发生层容重、抗剪强度(含水率为20%)不断增加,30min内形成厚度约3～4mm稳定结皮层;(2)消除雨滴打击后,黄土结皮发育过程同有雨滴打击时类似,但程度减弱。雨滴打击同湿润作用对黄土结皮形成的贡献作用基本相当;(3)降雨初期有、无结皮处理抗剪强度差别大,随后急剧下降并趋同,因而黄土结皮影响抗蚀性的作用微弱,累积溅蚀量的差异主要由溅蚀起始时间的变化引起;(4)黄土结皮的存在明显的减少入渗、增加径流,但结皮效应随降雨进行逐渐消失。溅蚀效应的函数表达式为C=0.6670ln(t)-3.2459,结合溅蚀量的计算式,可较为准确地预测前期无结皮时某降雨历时的累积溅蚀量。