植被调控红壤坡面土壤侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,研究坡度10°,15°和雨强60,120,180mm/h条件下,盖度为0,33%,67%和88%的香附子对南方红壤坡面的减沙效应及其水动力学机理。研究结果表明:香附子在红壤坡面具有良好的减沙作用,盖度为33%的香附子平均能够减少72%的土壤侵蚀;随着植被盖度的增加,土壤侵蚀量减少,减沙率增大。雨强越大,红壤坡面的植被减沙率越大。相同盖度植被的减沙率在15°坡面较在10°坡面小。香附子能够降低坡面流的流速和弗劳德数,增大达西—韦斯巴赫阻力系数。植被盖度越大,流速越小,弗劳德数越小,达西—韦斯巴赫阻力系数越大,盖度为88%的坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数约是裸坡的7倍。坡面流流速可以通过水流能坡的0.5次幂、单宽流量0.33次幂的乘积来拟合,拟合方程的系数能够反映植被对坡面粗糙度的影响。坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数随着植被盖度呈指数函数显著增加。植被盖度越大,土壤的抗冲性越强,植被盖度为88%的坡面的土壤临界剪切力约是裸坡的2.5倍。     

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。     

坡面细沟侵蚀过程中的水动力特性变化

为定量揭示坡面细沟水流侵蚀过程中的水动力特征,开展不同流量(2 L/min,4 L/min,8 L/min)、不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的放水冲刷试验,对坡面细沟发育过程中的水动力学参数变化规律进行了研究。结果表明:在试验的流量和坡度范围内,平均流速随冲刷历时的延长和细沟形态的发展呈迅速递减—略有起伏—缓慢减小并最终趋于稳定的变化趋势,径流深随冲刷历时的增大而增大; 坡面细沟水流的雷诺数变化范围为237～1 090,在小流量时,雷诺数随冲刷历时增大而略有增大,在大流量时,雷诺数随冲刷历时增大而减小; 在整个冲刷过程中,弗劳德数始终大于1,表明该试验条件下的坡面流属于急流范畴; 坡面细沟水流的阻力系数随冲刷持续而增大; 弗劳德数随阻力系数的增大而减小,且具有良好的负向幂函数关系。该研究结果初步表明了土坡面的细沟侵蚀特征和水动力学特性,为土侵蚀动力学机制的进一步研究提供理论基础。     

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。     

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明,边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大,坡面细沟发育迅速,侵蚀量急剧增加,但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下,坡面平均流速显著增大,侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小,变化于8.5~42.6之间,水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力;坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系,且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢,随水流雷诺数的增大,水流紊乱程度越强,坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低,输沙率与Manning糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

紫色土坡面细沟流的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、流量的组合放水冲刷试验,对紫色土坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面细沟流水动力学特征进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,紫色土细沟流流速随放水量的增加而增大,而在相同放水量下紫色土坡面细沟流流速随坡度增加变化趋势不明显。紫色土细沟流的雷诺数变化于500～4600之间,流态基本属于紊流,在同一坡度下,雷诺数随放水量的增大而迅速增大。紫色土细沟流弗汝德数在整个试验过程中均大于1,属于急流范畴。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关,但其变化趋势受坡度和流量的影响。在坡度较缓时阻力系数随雷诺数的增大而减小,在坡度较大时阻力系数随雷诺数的增大而增大,但起伏较大。     

紫色土坡面细沟流的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、流量的组合放水冲刷试验,对紫色土坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面细沟流水动力学特征进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,紫色土细沟流流速随放水量的增加而增大,而在相同放水量下紫色土坡面细沟流流速随坡度增加变化趋势不明显。紫色土细沟流的雷诺数变化于500~4 600之间,流态基本属于紊流,在同一坡度下,雷诺数随放水量的增大而迅速增大。紫色土细沟流弗汝德数在整个试验过程中均大于1,属于急流范畴。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关,但其变化趋势受坡度和流量的影响。在坡度较缓时阻力系数随雷诺数的增大而减小,在坡度较大时阻力系数随雷诺数的增大而增大,但起伏较大。     

雨强和坡度对红壤坡面产流产沙及侵蚀动力过程影响

采用人工模拟降雨试验,研究不同雨强(40,66,80 mm/h)和坡度(5°,10°,15°)条件下,湖北省武汉市蔡甸区红壤坡面流速、产流产沙时空变化及水动力学过程。使用长2.5 m,宽0.5 m,高0.3 m的可调坡度径流土槽,每场降雨试验在槽子底端出口开始产流后持续60 min,每3 min收集一次径流泥沙样品。结果表明:相同坡度下,坡面平均产流率和产沙率均随雨强增加而增大;产流率在降雨初期波动增长,随降雨时间延长而逐渐稳定;产沙率在降雨初期急剧上升,随后稍有下降并逐渐趋于平稳。坡度从5°增加到15°,雨强为40,66,80 mm/h下的平均产流率依次增加24%,22%和15%,平均产沙率依次增加89%,60%和84%。随雨强或坡度增加,流速均增大,且雨强对流速的影响较坡度更大;流速沿坡长方向呈增大趋势,且细沟流速是细沟间的1.33～2.10倍。66 mm/h,10°条件下,坡面形成细沟并发生明显下切和溯源侵蚀。相同雨强下,径流剪切力随坡度增加而增大、达西—韦斯巴赫阻力系数随坡度增加而减小。坡面径流属于层流且为急流,水动力学参数和侵蚀产沙率的拟合方程表明,弗劳德数和流速可以较好地模拟坡面产沙率。研究结果可为南方红壤区水土流失治理提供参考。     

砾石覆盖条件下盐碱土边坡降雨侵蚀水动力学特征

为了探究砾石覆盖对盐碱土坡面侵蚀的减沙效应,通过室内模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下降雨径流水动力学特征及产沙受砾石覆盖的影响。试验坡度选取15°和30°,雨强选取92,119mm/h,坡面砾石覆盖度分别为0,10%,20%,40%,60%,80%,采用染色示踪法测定坡面径流流速。结果表明:不同坡度和雨强条件下,水流产沙率随坡面砾石覆盖度增大先增后减;雷诺数与弗劳德数均随砾石覆盖度增大呈先增后减的抛物线趋势,曼宁糙率、Dracy-Weisbach阻力系数、坡面径流剪切力和径流功率均与坡面砾石覆盖度呈线性正相关;径流功率预测产沙率效果较好,二者呈对数关系(R2=0.47)。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

坡面细沟流侵蚀临界条件研究

从适用于陡坡的水动力学模型出发,研究坡面水流细沟侵蚀临界状态的判断方法。讨论了坡长、坡度、坡面投影长对细沟侵蚀的影响,采用临界摩阻流速随坡度变化、临界摩阻流速不随坡度改变两种假定分别进行模拟计算,以摩阻流速作为判别坡面细沟流侵蚀临界状态的水动力学指标,在给定的坡面尺寸、净雨强和初始微地形条件下,计算得出了细沟流摩阻流速达到临界值时所对应的坡度。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度(21°、24°、27°)、不同流量(6.5、8.5、10.5 L/min)的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究.结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大.而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围.坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响.坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大义减小的变化趋势.     

不同模拟糙度定床坡面集中水流水力学特性研究

采用钢制变坡冲刷水槽,研究了5种模拟糙度以及不同坡度和不同流量组合下集中水流内主要水力学特性变化规律。结果表明,相同糙度情况下,雷诺数随着流量增加而明显增加,与坡度相比,流量对其流态的影响较大,但坡度对弗劳德数的影响明显大于流量;等流量和等坡度情况下,随着坡面糙度的增加,雷诺数无明显变化规律,但弗劳德数均呈不断增加的趋势。5种模拟糙度下,随着坡度的增加,各流量平均流速随坡度增加呈幂函数增加趋势,且在小流量和小坡度时各值变化较小;随着坡面糙度的增加,反映坡面流阻力指数k值具有明显的幂函数下降趋势。各流量范围内阻力系数均出现随坡度的增加而增大的趋势,且在小流量情况下增加更为明显;不同模拟糙度坡面阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数降低趋势。研究结果有助于从水力学角度认识不同下垫面条件下泥沙输移特性和土壤侵蚀演变过程。     

模拟降雨条件下红壤坡面侵蚀产沙水动力学特征

[目的]对红壤坡面侵蚀过程中的产流、产沙以及坡面径流水动力学参数进行试验研究,为揭示红壤坡面侵蚀产沙机理提供科学依据。[方法]以我国南方侵蚀性红壤为研究对象,采用人工模拟降雨法,通过不同坡度(6°,10°和15°),不同雨强(120,180和240 mm/h)条件下的模拟试验分析红壤坡面产流产沙过程及径流水动力学特征。[结果]在坡度一致时,坡面累积径流量和累积产沙量均随雨强的增大而增大,径流率表现为初期的波动增长,随降雨进行逐渐达到稳定状态,且径流率随坡度增大而增大;坡面产沙过程受坡度和雨强的双重影响;侵蚀产沙率呈降雨初期急剧上升,随后迅速下降并趋于平稳的趋势。试验坡面的径流水动力学特征表明,阻力系数f与雷诺数R_e无明显的相关关系,但与弗洛德数F_r存在显著的指数关系。[结论]径流水动力学参数与侵蚀产沙量之间存在明显相关关系,相比较而言,径流雷诺数R_e与坡面侵蚀产沙量间的关系最密切。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

玉米秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响

玉米秸秆覆盖缓冲带是一项有效的坡面水土保持措施,为探究其减少细沟侵蚀的效果及水动力学机理,在室内人工模拟连续降雨条件下,选取黄土高原高强度侵蚀性降雨标准和细沟发育活跃的典型坡度,根据细沟发育的不同阶段,研究了不同布设部位(坡面中部5 m和坡面下部7 m)的秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响。结果表明:与裸露处理相比,玉米秸秆覆盖缓冲带可以减少坡面侵蚀量27.2%~54.8%,减少细沟侵蚀量40.8%~59.2%,减小细沟侵蚀量对坡面总侵蚀量的贡献率。对于细沟形态,缓冲带可减少细沟割裂度23.0%~32.0%,减少细沟平均深度6.7%~10.5%。比较2种布设部位,在坡面细沟发育后期,坡面下部7 m处布设的秸秆缓冲带可以取得更好地减少侵蚀和约束细沟形态变化的效果。对于单条细沟,裸露坡面上的细沟宽度沿坡长方向呈现约1.2 m长的周期性变化规律,而秸秆缓冲带改变了细沟宽度沿坡长方向的周期性变化趋势,此外还通过拦截淤积上方来沙减小了布设位置细沟侵蚀深度,通过拦截径流保护下方有限长度内的细沟。分析其水动力学原因可知,玉米秸秆覆盖缓冲带可使细沟水流向缓层流流态方向延伸,与缓冲带上方相比,秸秆缓冲带下方的细沟水流流速显著减小19.6%~21.9%,雷诺数和佛汝德数分别减少了29.6%~37.9%和8.3%~18.5%,而通过秸秆缓冲带后,细沟水流Darcy-weisbach阻力系数增加了22.4%~43.3%,水流剪切力、单位水流功率和断面单位能量分别减小13.6%~21.5%、20.0~21.0%和9.5%~21.0%,径流能量和侵蚀能力的降低最终导致了坡面总侵蚀量的减小。因此,在坡面上每隔5~7 m布设缓冲带可以有效的削弱坡面径流侵蚀能力,减少坡面细沟侵蚀量和总侵蚀量。该研究结果可为类似地形条件下的坡面水土保持措施合理配置提供理论基础。     

急陡黄土坡面细沟侵蚀的水动力学特性试验研究

通过组合不同坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)、不同流量(0.6,1.0,1.5,2.0,2.5 L/min)的室内放水冲刷试验,对急陡黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的细沟水动力学特性进行了研究。结果表明:细沟水流平均流速随细沟的发育呈现出先减小后稳定的变化趋势。细沟流的雷诺数Re在199.996～873.482变化,且主要受流量的影响,随着流量的增大呈线性关系;而弗劳德数Fr在整个细沟发育过程中均大于1,表明细沟流均处于急流范围,且与流量呈倒数关系,随着放水流量的增大Fr呈曲线减小。阻力系数f随着流量的增加而增大,且与雷诺数之间存在f=a·Re~-~b(a、b为系数)的幂函数关系。     

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。