喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下集中流侵蚀水动力学特征

喀斯特槽谷区地表出露岩石与坡面成不同夹角显著改变地表集中水流特性,进而影响地表侵蚀过程。目前,不同岩石与坡面夹角下的坡面集中流侵蚀水动力特征动态变化过程还不清楚。通过室内模拟放水冲刷试验,研究了6个岩石与坡面夹角角度（30°、60°、90°、120°、150°、180°）、3个坡度（10°、15°、20°）、3个流量（5、7.5、10 L·min-1）组合条件下喀斯特槽谷区坡面土壤侵蚀率与水动力学变化过程。结果表明：在各岩石与坡面夹角下,随冲刷历时的推延,土壤侵蚀率（E）先波动性减小后逐渐趋于稳定,水流功率（ω）呈波动变化但趋势不明显,单位水流功率（Up）逐渐减小,水流剪切力（τ）和过水断面单位能量（ε）波动性逐渐增大;夹角150°时平均土壤侵蚀率（0.078 kg·m-2·s-1）最大,随着夹角增大,τ、ω和ε均呈先减小后增大,Up整体呈减小的变化趋势,各夹角下水动力学指标间差异均显著（P<0.05）;E、τ、ω和Up随坡度和流量的增大而增大,ε随流量增大而增大,随坡度变化不明显;试验条件下,E与τ（R2=0.603）、ω（R2=0.600）和Up（R2=0.583）间的关系用幂函数方程描述较好,与ε间的关系则用线性方程描述较好（R2=0.294）;相比而言,水流剪切力可更好地描述喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角坡面的土壤侵蚀率。研究结果为揭示喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下坡面集中水流侵蚀水动力学机制提供了理论依据。     

坡面薄层水流的土壤分离实验研究

土壤分离是土壤侵蚀的重要过程之一。准确预测土壤分离对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡水槽实验测试了土壤分离速率与坡度和流量的关系，并与水流剪切力、水流功率和单位水流功率三种水动力参数进行比较，结果表明：土壤分离速率随着坡度和流量的增加而线性增加；当流量小于某一临界流量时，土壤分离将不发生；利用坡度和流量回归的线性模型能准确预测土壤分离速率；在水流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水力参数之间，水流功率是描述土壤分离速率的最好参数；比较坡度-流量模型与水流功率模型，认为坡度-流量模型更具有实用性和     

基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法

坡面水流输沙能力是土壤侵蚀模型的重要参数之一,也是土壤侵蚀精确预报的基础。该文选用多沙粗沙区典型黄土(中值粒径d50=0.095 mm,d50′=0.04 mm)进行了坡度范围为7%~38.4%,单宽流量范围为0.000 14~0.005 26 m2/s的水槽模拟输沙试验,经无量纲化处理后分析了坡面水流输沙能力与坡度和单宽流量以及输沙能力与各水流强度指标间的耦合关系。结果表明:坡面水流输沙能力与坡度、单宽流量呈幂函数关系(R2=0.955),且单宽流量较坡度而言对输沙能力的影响更为显著;含沙水流平均流速与坡度、流量呈幂函数关系;剪切力可以通过幂函数关系式预测坡面水流输沙能力(R2=0.900,NSE=0.756 1);水流功率、有效水流功率是比剪切力更好的预测因子,其中考虑临界水流功率W0=36.5,水流功率与输沙能力幂函数关系(R2=0.950,NSE=0.978)最佳;单位水流功率并不能作为预测输沙能力的水流强度指标。该文关于黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力的研究为土壤侵蚀预测模型提供了新的方法。     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

基于冲刷试验的贵州耕地土壤抗冲性研究

对5种不同坡度(5°～25°)的翻耕地以及有苔藓覆盖的荒坡地(20°)进行不同流量下(0.042～0.250L/s)的放水冲刷试验,以探讨贵州耕地坡面水动力性质、土壤抗冲性及地表生物(苔藓)对坡面侵蚀产沙的影响。结果表明,贵州地区坡耕地坡面流速与冲刷流量呈较好的幂函数关系,而与坡面坡度无关。坡面土壤分离速率与坡度及冲刷流量均呈显著正相关,并可用水动力学参数水流剪切力来估算贵州坡耕地土壤分离速率。与黄土高原相比,在同一坡度、同一冲刷流量下贵州坡耕地坡面产沙速率低于黄土高原坡耕地,表明贵州黄壤抗冲性高于黄土。苔藓覆盖可显著减小坡面侵蚀速率,在同一冲刷流量下,具有苔藓覆盖的荒坡地坡面产沙速率低于翻耕地达3个数量级。     

坡面水流分离崩岗崩积体土壤的动力学特征

利用变坡式水槽,在坡度(20°,25°,30°,35°,40°)和流量(1.1,2.2,3.3,4.4,5.5L/min)下进行崩岗崩积体土壤的分离试验。结果表明:流量对土壤分离速率的作用大于坡度,土壤分离速率与坡度及流量呈线性相关;水深对土壤分离速率的影响大于坡度,土壤分离速率与坡度及水深呈线性相关;土壤分离速率与水流流速呈指数函数关系;水流剪切力、水流功率及单位水流功率与土壤分离速率之间的关系均为线性关系,其中,水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩积体的土壤分离速率。     

冻融坡面水蚀动力参数动态响应时空演化过程

为揭示冻融作用对坡面土壤水蚀的影响,探究春季解冻期坡面土壤的水蚀动力参数动态响应时空演化过程,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),进行野外径流冲刷试验,系统地分析冻融坡面水蚀动力参数雷诺数、弗劳德数、流速、水流剪切力、水流功率和单位水流功率在不同起始解冻深度、不同流量和不同坡度条件下的时空演化过程。结果表明:冻融坡面水蚀动力参数雷诺数、流速、水流剪切力和水流功率随流量的增加呈增加趋势;水流剪切力、水流功率与单位水流功率随坡度增加而增大;水流剪切力和水流功率随起始解冻深度的加深而增大;雷诺数、弗劳德数、流速和单位水流功率随起始解冻深度的变化趋势不明显,其起始解冻深度为5cm时,水蚀动力参数随时间变化最为剧烈;建立了冻融坡面水蚀动力参数雷诺数(R~2=0.728)、水流剪切力(R~2=0.644)、水流功率(R~2=0.721)、流速(R~2=0.533)和单位水流功率(R~2=0.553)的幂函数预测方程。     

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。     

坡面土壤剥蚀率与水蚀因子关系室内模拟试验

为了确定影响十壤剥蚀率的丰要侵蚀因子,该文采用变坡土槽在较大坡度(9°～24°)和流量(2.5～6.5 L/min)范围内进行了径流冲刷试验,运用逐步回归法,系统地分析了土壤剥蚀率与坡度和流量、水流剪切力、水流功率、单位水流功率和单宽能耗各因子之间的关系,建市了基于水流功率和坡度的土壤剥蚀率二元线性公式(R2=0.977).结果表明,土壤剥蚀率和各水蚀因子都显著相关,土壤剥蚀率与坡度和流量呈幂函数关系(R2=0.77),土壤剥蚀率与水流剪切力呈幂函数关系(R2=0.908),土壤剥蚀率随着水流功率的增加呈线性增加(R2=0.945),土壤剥蚀率和单宽能耗呈线性关系(R2=0.91),土壤剥蚀率与单位水流功率呈三次方关系(R2=0.52);坡度和水流功率是影响土壤剥蚀率的土要凶素.     

冻融坡面土壤剥蚀率不同预测模型比较

为探究水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率的影响,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),模拟野外径流冲刷试验。采用BP神经网络方法和逐步回归分析法,分析土壤剥蚀率和流量、坡度、起始解冻深度、流速、水流剪切力、水流功率与单位水流功率7个水蚀因子关系。结果表明:通过BP神经网络连接权关系分析水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率影响顺序为水流功率单位水流功率起始解冻深度水流剪切力流量流速坡度。BP神经网络模型的土壤剥蚀率预测平均误差为2.848%(R~2=0.954);逐步回归模型的土壤剥蚀率预测平均误差4.820%(R~2=0.925);基于单一水蚀因子(水流功率)模型的土壤剥蚀率预测平均误差5.298%(R~2=0.867)。基于BP神经网络的土壤剥蚀率预测效果最好,为春季解冻时期冻融坡面不同起始解冻深度条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供了新思路。     

花岗岩崩岗区不同土层的侵蚀水动力学特征

土壤剥蚀率是单位时间单位面积水流剥蚀土壤的质量,定量研究崩岗不同土层土壤剥蚀率对预测土壤剥蚀过程及建立崩岗侵蚀物理模型具有重要的理论和实践意义。针对湖北通城花岗岩崩岗区发育的表土层、红土层、砂土层、碎屑层,采用不同坡度(8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%)和不同流量(0.2 Ls~(-1)、0.4 Ls~(-1)、0.6 Ls~(-1)、0.8 Ls~(-1)、1.0 Ls~(-1))相结合的室内放水冲刷试验,分析表土层、红土层、砂土层、碎屑层土体土壤剥蚀率与水动力学参数之间的关系,初步探讨花岗岩崩岗侵蚀的水动力学机制。结果表明:在一定坡度条件下,土壤剥蚀率随径流流量的增大而增大,且各土层土壤剥蚀率存在很大差异,碎屑层土壤剥蚀率最大,砂土层次之,表土层最小;在相同流量条件下,各土层土壤剥蚀率均随冲刷时间的延长逐渐降低并趋于稳定;径流剪切力、水流功率对崩岗各土层土壤剥蚀率的影响均可采用线性方程很好地描述(R~20.926),相比用单位水流功率拟合的多项式方程的相关性(R0.830)要高,径流剪切力和水流功率均可作为描述崩岗各土层土壤侵蚀的水动力学参数。表土层、红土层、砂土层、碎屑层的临界径流剪切力依次减小,分别为0.28Pa、0.13Pa、0.10Pa、0.07Pa,各土层土壤细沟可蚀性参数差异明显,碎屑层的最大,砂土层次之,表土层最小。因此,在崩岗垂直结构上,随着土层深度的增加,土体抵抗径流剥蚀的能力逐渐减弱。     

冻融坡面土壤剥蚀率与侵蚀因子关系分析

为确定影响冻融坡面土壤剥蚀率的主要土壤侵蚀因子,采用2个(10°、15°)坡度、2个(3、9 L/min)流量和4个(2、5、8、11 cm)起始解冻深度组合进行野外冲刷试验,分析土壤剥蚀率随坡度、流量和解冻深度变化规律,研究土壤剥蚀率与水蚀动力参数(径流水深、水流剪切力、水流功率、单位水流功率)间的相关关系,运用逐步回归分析方法,建立冻融坡面土壤侵蚀预测模型。结果表明:相同起始解冻深度条件下土壤剥蚀率随着坡度和流量的增加有增大的趋势,相同坡度条件下,流量为3 L/min时,起始解冻深度5 cm时土壤剥蚀率最大;流量为9 L/min时,随着起始解冻深度的增加土壤剥蚀率增加;土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率分别呈显著线性正相关关系(P0.01);建立了基于水流功率和起始解冻深度的土壤剥蚀率预测方程(R~2=0.967)。     

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。     

坡面径流水蚀动力参数室内试验及模糊贴近度分析

为了确定何种水蚀动力参数能更好地描述径流剥蚀土壤的过程，该文在坡度为3°～30°和流量为2.5～6.5 L/min范围内采用变坡土槽径流冲刷试验,对土壤水蚀动力过程进行了系统模拟，并运用模糊贴近度的分析方法,系统地研究了坡面水蚀动力参数(单宽径流能耗、水流剪切力、水流功率和单位水流功率)与土壤剥蚀率之间的贴近程度。研究结果表明:流量相同时,单宽能耗与土壤剥蚀率贴近程度最大,水流功率次之，且单宽能耗和水流功率分别与土壤剥蚀率呈线性关系，该研究说明单宽能耗和水流功率能较好地描述径流剥蚀土壤过程。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

集中流作用下黄土坡面剥蚀率对侵蚀动力学参数的响应

集中流引起的细沟侵蚀是黄土高原坡耕地主要侵蚀方式之一,对坡面集中水流动力学特性研究有利于掌握坡面集中流剥蚀产沙的根本原因,但目前哪种集中流水动力学参数最能准确揭示侵蚀动力过程机理尚不明确。该文采用室内集中流放水冲刷试验,以黄土高原典型黄绵土为研究对象,研究坡面平均和瞬时剥蚀率与相应水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量之间的关系。结果表明,除了瞬时过水断面单位能量拟合效果较差外,其他平均和瞬时水力学参数均能够较好地与坡面剥蚀率建立不同的拟合关系。所有参数中平均水流功率是描述本试验条件下的最优水力学参数。由于细沟发育过程中大量坍塌的出现,导致整个径流剪切力和水流功率与剥蚀率之间的关系曲线整体上升,出现了临界剪切力和临界水流功率为负值的情况。通过与仅考虑水流对坡面直接作用参数所得结果对比,表明坍塌等作用在细沟发育过程中具有重要影响,对剥蚀率的贡献可达90.93%。研究可为控制和预防集中流侵蚀发生提供科学依据。