流域土壤侵蚀测量系统研究

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,它们的实时、准确测量将为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。针对这一问题,提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统。该系统由四部分构成:量水堰和水位传感器实现径流流量的测量;薄层水流流速测量系统测量坡面流及其流域内沟道中水流速度;径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量;数据采集控制以及存储系统,实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更自动化和可操作化方向发展。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

小流域土壤侵蚀动态过程模拟模型

建立流域土壤水蚀预报模型将为小流域综合治理、土地利用规划等宏观决策提供依据,为小流域水土保持效果有效评价提供参考。通过对小流域侵蚀动态过程的分析,在水流连续方程、动量守恒方程及泥沙质量守恒方程基础上,对坡面－沟道及各沟道间土壤侵蚀时空关系进行合理耦合,建立了流域系统土壤侵蚀动态模拟过程模型;采用有限元方法对土壤侵蚀模拟模型进行数值离散,建立了小流域系统数值离散模型;在确定流域时空离散方法基础上,采用VC++语言编制流域水蚀模拟程序;在室内人工模拟降雨条件下,对模型小流域50 mm/h降雨强度,5 min降雨历时情况下土壤侵蚀情况进行模拟,在得到流域内典型点处径流流量、径流含沙量及各沟道流速动态过程的同时,将流域内各沟道出口处模拟结果与测量结果比较,径流流量、径流含沙量、流速模拟精度均高于80%。研究结果表明小流域土壤侵蚀模拟模型的建立是可靠的,模型的数值离散方法及编制的计算程序是完全可行的。这一模型的建立将为小流域土壤侵蚀动态过程的模拟预报及实现由小流域向中大流域的侵蚀动态模拟预报提供一定的理论基础。     

径流流量及含沙量自动动态测量系统

利用γ射线在泥沙中的衰减规律和水位测量方法,设计了径流泥沙含量和径流流量全自动测量系统。该系统包括自动采样、自动测量、数据分析输出及查询、操作控制系统等4个子系统。实现了实时、快速、动态地测量坡面径流流量与泥沙含量以及测量数据自动存取和远距离传输。大量试验测试表明该系统测量历时短、数据传输快捷、测量结果准确。系统不仅适合于室内土壤侵蚀试验中泥沙含量与流量的测量,而且可用于野外坡面土壤侵蚀试验小区长期定点监测和其他各种试验研究     

小流域水文及土壤侵蚀过程模拟方法研究

流域土壤侵蚀动态模拟,需要采用合适的方法对坡面—沟道耦合问题及初始和边界条件进行正确的处理。将流域划分为坡面侵蚀与沟道侵蚀,采用时间空间耦合处理方法,实现了小流域坡—沟侵蚀过程中水流与泥沙输送的面—线耦合及沟道间的线—线连接。给出了模拟流域土壤侵蚀过程的控制微分方程、初始条件、边界条件及坡面向沟道汇水输沙的动态模拟处理方法。得到了较为符合实际的流域土壤侵蚀动态模拟模型。模拟结果与室内实验测量结果的比较表明,模拟精度达到80%以上,说明了动态模拟方法的可行性。     

坡面薄层水流优势流速研究

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一.为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8 °、12°,流量12、24、48 L/min条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.Sm处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速.结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ～0.568 m/s之间.随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大.流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响.不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态.结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据.     

基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，测量误差为4.5%；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3.81%。     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

基于统计理论数据融合的水流泥沙含量测量仪

水流泥沙含量的测量在土壤侵蚀和水土保持研究中具有重要意义。采用自行研制的便携式水流泥沙含量测量仪测量了水流泥沙含量。结果表明，水流泥沙混合液质量与泥沙含量之间呈线性关系，可采用荷重传感器测量水流泥沙含量；通过采用基于统计理论的数据融合法来处理测量结果，可大大提高测量的准确性和重复性；其测量精度为0.63%，重复性误差小于0.49%；该测量系统为水流泥沙含量的快速、准确测量提供了一种新的、有效的方法。     

坡面侵蚀过程中泥沙有机碳流失特征分析

以野外布设的径流小区为研究对象,采用模拟降雨方法研究随机条件下降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量及流失过程的动态变化规律。结果表明:(1)降雨侵蚀过程中泥沙有机碳含量随降雨的进行逐渐降低并趋于平稳,与坡面土壤有机碳含量相比显著增高(p0.01),有机碳在泥沙中明显富集,富集比最大值达1.780,泥沙中有机碳含量及富集比随侵蚀速率的增加明显减小且趋于稳定;(2)泥沙有机碳流失速率随降雨的进行先波动增大,达到最大值后又波动减小,最后逐渐趋于准稳定,整个过程呈单峰分布;(3)泥沙有机碳流失强度与土壤侵蚀强度呈显著性线性正相关(p0.01),说明土壤侵蚀量决定侵蚀过程中有机碳流失量,准确获取土壤侵蚀强度是估算坡面有机碳流失量的基础。