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%。     

基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究

坡面径流流速是决定土壤侵蚀强度的重要因素，也是坡面侵蚀预报模型考虑的关键问题。采用LabVIEW虚拟仪器，开发了一套室内模拟坡面径流流速测量系统，包括试验台、光电传感器、采集卡及测控软件等。系统以泡沫粒子作为示踪粒子，进行了室内模拟坡面径流流速的测试。结果表明，自行设计的试验台能实现水沙循环使用，在0～400 kg/m³含沙量、0～25°坡面的范围内，该测量系统能够测定径流流速，最大相对误差为2.29%，为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种新的有效的方法。     

基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义.该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统.试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究.结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法.     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

黄土坡面径流输沙过程试验研究

为了建立合理的土壤侵蚀评价和预报模型,基于泥沙运动理论,通过室内径流冲刷模拟试验,以黄土坡面为研究对象,研究了坡面径流输沙过程,推导了坡面径流输沙率理论公式。研究结果表明,不同坡度、流量组合条件下,坡面平均流速和不同时段的产沙比随冲刷历时的变化具有相同的变化趋势;坡度对流速和坡面产沙比的阶段性影响相反;坡面侵蚀输沙变化规律受制于流量和坡度之间的相互对比情况,坡度越陡,坡面流达到侵蚀平衡时刻越早;通过试验数据验证输沙率公式,相关系数为R²=0.799 3。     

坡面径流的水动力学特性研究进展

坡面径流不同于一般明渠水流，具有独特的水力学特性。详细论述了坡面径流产流理论、运动方程和水动力学特性等方面的研究进展情况，系统阐述了国内外对坡面径流的流态、流速测量和分析、水深确定、阻力表达以及径流分离挟沙能力等水动力学要素的研究，目的在于总结以往的研究经验和成果，促进相关研究的进一步发展。     

坡沟系统水动力因子的坡长效应研究

基于可调控的放水冲刷试验,建立黄土高原典型沟壑区坡沟系统试验模型,研究不同放水流量和坡长条件下坡沟系统各过水断面水动力参数的变化特征,为研究坡沟系统水蚀过程作用机理提供科学依据。通过室内放水冲刷试验,采用5个放水流量(6,8,10,12,14L/min)和3个坡长(4,6,8m)研究坡沟系统侵蚀动力因子的坡长效应。结果表明:坡沟系统中沿程各过水断面的雷诺数随放水流量的增大而增大,且不同放水流量和坡长条件下坡面雷诺数明显大于沟道。弗劳德数在坡沟系统中沿程变化过程中逐渐增大,且沟道增长速率明显大于坡面;不同坡长条件下放水流量为10L/min时,弗劳德数远大于其他放水流量。相同放水流量条件下,沟道的径流流速明显大于坡面,坡沟系统的坡面径流流速相对沟道明显稳定且变化范围较小。不同坡长条件下放水流量为10L/min时沿程阻力系数值从2号断面急剧减小到0.03~0.05范围之内,且远小于其他放水流量下同断面的阻力系数值;相同放水流量条件下(除10L/min外),坡长越小,坡面和沟道的波动性相对越小,且坡面处的波动值大于沟道。径流侵蚀功率与雷诺数、弗劳德数、流速显著相关,与雷诺数呈对数函数关系,而与弗劳德数、流速和沿程Darcy-Weisbach阻力系数值呈幂函数关系。研究结果表明,坡长能够影响坡沟系统中坡面和沟道的侵蚀动力因子,并对坡面和沟道沿程侵蚀能量削减和增加效应研究提供重要的科学依据。     

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。     

极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(90、120、150 mm?h^-1)和坡度(5°、8°、15°、25°)条件下,南方风化花岗岩母质土壤红土层裸地降雨坡面径流和壤中流中总碳(Total carbon，TC)的流失量及流失过程,并分析了雨强和坡度对TC流失量的影响。结果表明，在坡面径流中，坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小，且流失率曲线与质量浓度曲线呈极显著相关关系，TC流失率变化主要受质量浓度的影响；在壤中流中，TC质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势；在试验条件范围内，各坡度条件下，随着雨强的增大，坡面径流中TC流失量增大，而壤中流中TC流失量减小；在大雨强下，坡面径流中TC流失量与坡度没有明显的线性关系，而随着雨强的增大，坡度与壤中流中TC流失量线性关系明显增加；在试验雨强和坡度下，雨强对TC流失总量和坡面径流中TC流失量的影响较坡度更显著，而在壤中流中坡度的影响则更显著。径流中碳素流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系, R²＞0.800。结果可为我国南方风化花岗岩母质土壤裸坡径流中TC单位面积流失量的估算提供依据。     

基于虚拟仪器技术的食品物性检测系统的研究

采用虚拟仪器技术、机电一体化技术、单片机技术、传感器技术于一体，研制了食品物性参数的自动检测和分析系统。系统硬件由食品受力传感器、食品变形位移传感器、定时器、信号调理、数据采集、串口通讯、扩展LCD等模块电路构成；软件基于Lab Windows/CVI虚拟仪器开发平台，采用多线程技术实现了信号采集、动态曲线显示、试验数据的实时分析和处理。试验结果表明：该系统的检测精度高、检测功能完善及抗干扰能力强，具有理论研究意义和实用价值。     

模拟玉米茎秆流对土壤侵蚀的影响

玉米茎秆流是降雨过程中经玉米冠层截留后沿茎秆流向根部的水量,是种植坡地地表径流的重要组成部分,对植物根部的土壤侵蚀过程具有重要影响。采用人工模拟降雨方法,研究了成熟期玉米茎秆流对坡地土壤侵蚀的影响。试验土槽长为0.40 m、宽为0.23 m、深为0.14 m;采用直径为2 cm的PVC管模拟成熟期玉米茎秆,高度为1.2 m;模拟茎秆流量为5,10,15 g/s,用相同降雨条件下无茎秆流坡地作为对照措施;降雨强度为60,90,120 mm/h,降雨历时108 min,坡度为10°。结果表明:(1)与对照措施相比,茎秆流具有加快坡地地表产流的作用;(2)模拟茎秆流条件下地表产流量和产沙量均高于对照,相较无茎秆流坡地,3个降雨强度下各茎秆流量的产流贡献率为14.90%~43.10%,产沙贡献率为12.47%~26.75%;(3)茎秆流在茎秆周围地表形成细小股流,促使坡地土壤侵蚀过程由面蚀向细沟侵蚀转变,从而增加了坡地土壤侵蚀量。因此,在坡地水土流失计算与评价中应考虑茎秆流的土壤侵蚀作用。     

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。     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

黄土坡面径流输沙能力试验研究

为了建立合理的土壤侵蚀评价和预报模型,基于坡面流理论,通过室内径流冲刷模拟试验,以黄土坡面为研究对象.研究了坡面径流输沙能力.研究结果表明,当坡面侵蚀达到相对平衡时,在同一坡度条件下,坡面径流输沙率随流量的增加呈阶梯性增加,即表现为"缓一陡一缓一陡"的变化过程;坡面径流输沙率与坡度和流量之间存在指数函数关系,且流量对输沙率影响大于坡度;坡面径流输沙率与坡面径流切应力、单位水流功率及Re之间均存在着良好的线性关系.     

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。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

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     

连续降雨下岩溶区含砾石石灰土坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响，以土质坡面为对照，采用室内模拟降雨试验方法，研究了递增型降雨（0.5—1.0—2.0—2.5—3.0 mm/min）条件下偏土质（砾石含量30%）和偏石质（砾石含量70%）石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明：（1）0.5 mm/min雨强下，土质、偏土质和偏石质坡面均未产流；随雨强增大，各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势，且土质坡面径流率整体小于两种含砾石坡面；偏土质和偏石质坡面产流量较土质坡面增加了0.49倍和0.37倍；（2）1.0～3.0 mm/min雨强下，土质坡面侵蚀速率变化范围为0.16～5.4 g/(m2?s)，整体呈稳定—波动增加的变化趋势；偏土质和偏石质坡面分别为0.16～5.4 g/(m2?s)和0.06～0.74 g/(m2?s)，前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈，后者变化范围小且稳定；随砾石含量的增加，各坡面侵蚀量呈先增后减的变化趋势，偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加了2.5倍，而偏石质坡面则较其减少了0.9倍；（3）各砾石含量坡面侵蚀速率与径流率均呈极显著正相关（P＜0.01，n=76），土质坡面相关性最好，径流率对侵蚀速率具有显著影响；土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著幂函数、线性函数和线性函数关系；结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土治理提供一定的科学依据。     

东北黑土区不同垄作坡面产流产沙过程

起垄种植是东北黑土区普遍的耕作模式,不同垄作坡面产流产沙规律尚不明晰、亟需研究。为此,基于野外放水冲刷试验,设计3个冲刷流量(30 L/min,60 L/min,90 L/min)和4种处理坡面(横坡垄作、斜坡垄作、无垄作、顺坡垄作),探究东北黑土区不同垄作坡面的土壤侵蚀差异。结果表明:(1)3种冲刷流量产流率和含沙量均随垄作措施改变呈持续波动趋势,但受冲刷流量影响二者变化规律不同。(2)4种垄作措施状况下,产流时间与冲刷流量均不相关,含沙量与产流时间均呈负相关; 其他试验条件下,因冲刷流量和垄作措施的差异出现不同相关性。(3)30 L/min,60 L/min两种冲刷流量下,侵蚀强弱表现为:顺坡垄作>无垄作>斜坡垄作>横坡垄作。冲刷流量90 L/min时,侵蚀规律变为:横坡垄作>顺坡垄作>斜坡垄作>无垄作,且横坡垄作与斜坡垄作的累积产沙量较30 L/min冲刷流量比分别增加了12.78倍和10.11倍。综上,小流量冲刷条件下横垄和斜垄可有效控制径流和水土流失,当冲刷强度增大后二者发生断垄恰是径流和泥沙发生变异的最主要因素。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。