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)。     

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。     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

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。     

北江红壤河岸坡面侵蚀水动力特征

受自然和人为干扰的交互影响,北江河岸带水土保持功能退化严重.本研究基于野外原位模拟径流冲刷试验,分析不同坡度(7°、9°、11°和15°)和放水强度(15、12和9 L/min)条件下红壤河岸坡面侵蚀水动力学参数变化特征及其与侵蚀产沙的关系.结果表明:1)平均流速随放水量增加而增加,在相同放水量下与坡度呈极显著线性正相关关系(P＜0.01);雷诺数随着放水时间增加总体上呈增大趋势,但增幅较小,坡度对雷诺数的影响较复杂,无明显规律;弗劳德数随放水历时增加呈先减小后趋于稳定,各处理的平均弗劳德数均＞1,说明坡面流均处于急流状态,且与坡度呈线性极显著正相关关系(P＜0.01);阻力系数随着放水时间增加总体呈增大趋势,且随坡度增加呈先增大后减小的趋势,说明阻力系数与坡度可能存在非线性关系.2)径流系数随放水历时增加呈先增大后趋于平稳趋势,相同放水量下随坡度增大而增大,同时坡度之间存在显著的幂函数关系(P＜0.05);侵蚀产沙量随着放水历时的增加呈先减小后稳定的趋势,且随坡度的增大而增大,二者之间存在显著的线性关系(P＜0.05).3)侵蚀产沙量随水流剪切力和水流功率的增大而增大,且与二者之间均存在线性显著正相关关系(P＜0.01).鉴于河岸带作为阻滞坡地泥沙进入河流的最后一道屏障,本研究的结果可为红壤河岸带坡面水土保持提供科学依据.     

黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性

通过人工模拟降雨试验对黄河中游多沙粗沙区沙黄土坡面薄层水流水动力学特性进行了试验研究,取得了以下结果:(1)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流流速随降雨历时的增加而增大,可用对数方程很好地描述,薄层水流流速与雨强和坡度呈正相关关系;(2)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流的平均水深随降雨强度的增加整体警平稳增长趋势,其变化过程均可用幂函数方程描述,而平均水深与坡度呈负相关关系;(3)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流雷诺数随降雨历时的持续整体呈递增趋势,雨强对雷诺数的影响较坡度更为显著,薄层水流不属于传统意义上的层流,而是处于层流失稳状态;佛汝得数随降雨历时的变化范围基本上都大于1,且随着降雨历时的延长而稳步递增,坡度对佛汝得数的影响比雨强更为显著,试验中薄层水流基本处于急流状态;(4)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流阻力系数随降雨历时的持续皆呈递减趋势.     

重力侵蚀黄土沟壑区沟坡产沙特性

沟坡是黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的主要来源,其侵蚀规律的研究可为流域水土保持措施优化配置提供科学依据,对该地区的防灾减灾和可持续发展具有重要现实意义。在多种坡度、坡高的陡坡模型上进行了模拟降雨试验,分别采用地貌仪和径流泥沙采样装置对次降雨过程中沟坡的重力侵蚀量和产流、产沙过程进行了动态监测和定量分析。结果表明:重力侵蚀在高含沙水流的形成中起着十分重要的作用,但不是每次重力侵蚀的发生都能导致高含沙水流;次降雨过程中,含沙量和输沙率均随降雨历时呈现上升趋势,特别是次降雨的中后期,含沙量和输沙率的增大趋势都比较明显;历次降雨事件中,次降雨30min全过程出口径流的平均产沙量和次降雨中后期出口径流平均产沙量的变化趋势一致;次降雨过程中,出口径流含沙量与输沙率随坡度的增大呈整体波动式增大,但与坡高关系不显著。总之,在黄土沟坡区,重力侵蚀对产沙过程有显著影响。     

黄土坡面片蚀过程试验研究

片蚀过程是坡面径流侵蚀过程的第一阶段和侵蚀方式演变的初始形态,阐明坡面片蚀过程可为坡面侵蚀过程模型建立和坡面水土流失治理提供重要科学依据。采用人工模拟降雨试验方法对黄土坡面片蚀过程进行了研究,结果表明:不同雨强及不同坡度下,坡面片蚀率皆随降雨历时的增长呈先急剧增大后趋于稳定的变化趋势,变化的转折点为产流后的5min左右;坡面片蚀模数随雨强和坡度的增大均呈显著的增加,可分别用指数方程和对数方程描述;雨强和坡度对片蚀模数的综合影响可以用二元幂函数方程描述,其中,坡度的影响大于雨强;水流功率是试验条件下与坡面片蚀动力学过程关系最密切的水动力学参数,坡面片蚀动力学过程的发生发展根源于坡面薄层径流的水流功率的动力作用。采取有关水保措施减低地面坡度,增加地面入渗,降低坡面径流流速可以有效地减少坡面片蚀。     

不同覆盖度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀的动力学特征

基于崩岗崩积体易侵蚀的特性,通过室内人工模拟降雨试验,研究30°坡度条件下,不同秸秆覆盖度(0,25%,50%,75%,100%)和雨强(60,90,120mm/h)组合坡面侵蚀的水动力学参数特征。结果表明:(1)不同条件下,雷诺数变化范围在462.86~750.19Re之间,雨强对雷诺数的影响达到极显著水平,覆盖度对雷诺数的影响不显著;弗罗德数的变化范围在0.06~0.64Fr之间,水流的流型为缓流,覆盖度对弗罗德数的影响达到极显著水平,雨强对弗罗德数的影响不显著;阻力系数的变化范围在9.65~1 018.19f之间。(2)覆盖度对坡面流流速的影响达到极显著水平,坡面流流速随着覆盖度的增加而减小;覆盖度对水深的影响达到显著水平,坡面径流深随着覆盖度的增大而增加;阻力系数与雨强和覆盖度之间无明显关系。(3)覆盖度与单位水流功率之间呈极显著的指数函数关系,与水流剪切力和断面单位能量之间呈显著的指数函数关系;雨强对流速、水深和阻力系数的影响都不显著。     

黄土坡面细沟水流流型试验研究

采用组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流流型进行了试验研究。结果表明:(1)细沟水流流型判别指标雷诺数随径流历时的变化,在不同雨强及不同坡度下皆表现为先增大随后转为较平稳的变化过程,皆可用幂函数方程描述;(2)细沟水流平均雷诺数分别随雨强及坡度增大而增大,均可用对数方程很好地描述,随雨强及坡度的变化可用二元幂函数方程描述;(3)细沟水流在不同雨强下几乎一直处于层流状态,两个最大雨强在产流开始9min后变为过渡流,而在不同坡度下也一直处于层流状态,两个最大坡度在产流开始15min后变为过渡流;(4)在试验雨强及坡度条件下,一次降雨径流过程的细沟水流平均雷诺数变化范围为327~457,表明细沟水流流型在试验条件下大致处于层流状态。细沟水流雷诺数随流量的变化呈显著的线性正相关关系。     

植被格局对坡面流阻力影响的试验研究

利用室内模拟降雨试验,定量研究在15°坡度和60,90,120,150mm/h降雨强度下,茵陈蒿(Artemisia capillaris)不同分布格局对坡面流阻力(Darcy-Weisbach阻力系数,f)的影响。结果表明:由于植被格局的阻滞作用,相对于裸地坡面,不同格局坡面流阻力系数明显增大,平均阻力系数是裸坡的1.25~13.13倍;带状格局(BP)、棋盘状格局(CP)和小斑块格局(XP)增强坡面流阻力的作用显著高于长条状格局(LP)。剪除地上部分后,根系作用坡面阻力系数显著降低,约为裸坡的0.75~3.78倍。裸坡平均阻力系数随雨强增大呈减小趋势,完整植被格局和根系作用坡面相对阻力系数(与裸坡阻力系数比值)随雨强增大呈指数函数增大。阻力系数与水流雷诺数的关系可用幂函数表示;阻力系数与坡面侵蚀速率呈极显著幂函数关系。     

砒砂岩陡坡面径流水动力学特征

为研究砒砂岩地区陡坡面径流的侵蚀规律,为该地区坡面水蚀预报模型的建立提供科学的理论依据,通过室内模拟冲刷试验,对不同冲刷流量和坡度的坡面径流水动力学特征进行研究。结果表明:在试验的冲刷流量和坡度范围内,砒砂岩坡面径流流速随冲刷流量和坡度的增大而增大,它们之间呈幂函数关系。径流雷诺数(Re)随随冲刷流量的增大而增大,40°则是Re变化的临界坡度,此时Re最大,而弗罗德数(Fr)的变化趋势正好相反。当冲刷流量大于4L/min时,径流流态为紊流和急流,其余处理坡面径流流态都为层流和急流。径流Darcy-Weisbach阻力系数(f)随压实度增大而减小,随冲刷流量的增大而增大,60°则是f变化的临界坡度,此时f最大,且f和输沙率有一定的正相关关系。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

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。     

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。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。