黄土丘陵区坡面薄层水流动力学特性及其对土壤侵蚀的影响

为奠定基于运动力学参数构建土壤侵蚀模型的理论基础,通过不同降雨强度(25、50和75 mm/h)、不同坡长(1、5、10、15和20 m)下径流小区内人工模拟降雨试验,对不同处理下坡面薄层水动力学特性进行分析,并对水动力学参数与土壤侵蚀之间的关系进行初步探讨。结果表明:当坡度一定时,坡面平均流速主要受坡长及单宽流量影响,降雨强度通过影响单宽流量的大小间接影响坡面平均流速;在试验设计范围内,当坡长1 m时,整体上呈"层流-急流态",当坡长为1 m时,整体上呈"层流-缓流态";当降雨强度一定时,雷诺数随着坡长的增加线性增加,佛汝德数随着坡长的增加以幂函数形式增加;降雨强度对坡面流有明显的"增阻"效应;坡面阻力系数随着坡长的增加呈幂函数减小趋势;坡面平均土壤侵蚀率与单宽流量间呈一元线性趋势增加,与水流平均流速间呈指数函数增加,与雷诺数间呈二次函数增加。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

降雨强度和单宽流量与地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征

为探明降雨和地表颗粒共同影响下的坡面流阻力变化特征及形成机理,在15?定床条件下,分别研究了4个粗糙度(0.009,0.18,0.25,0.425 mm)和4个降雨强度(0,60,90,120 mm/h)在9个单宽流量(0.397~2.049L/(m·s))冲刷下的坡面流流速、流态指数、阻力系数、雷诺数等水动力学参数间的关系及变化特征。结果表明:1)坡面流流速与粗糙度呈反比,与降雨强度呈正比。流态指数m的计算结果显示(m0.5),坡面水流能量主要转化为动能形式;2)试验条件下,雷诺数变化范围为300~2 300,达西阻力系数变化范围为0~3.0,颗粒阻力和降雨阻力皆随着雷诺数的增加而减少,随着水深的增加,降雨对坡面流施加的影响逐渐减小。坡面总阻力系数与粗糙度成正比,与雷诺数和雨强成反比,降雨具有"减阻"效果;3)计算降雨阻力与颗粒阻力线性叠加值与坡面流总阻力的差异,结果表明坡面流总阻力大于线性叠加的结果,t检验结果显示差异显著(sig.0.0030.05),表明将坡面流阻力分量线性叠加计算坡面流总阻力的方法具有一定局限性;进一步构建降雨及地表颗粒影响下的坡面流阻力通式,具有良好的模拟效果。研究成果为深入探明坡面流阻力形成机理和构建坡面侵蚀模型提供科学依据。     

砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面土壤可蚀性影响试验研究

通过人工模拟降雨试验,选取2种坡度(15°,30°),2种降雨强度(92,119 mm/h)和6种砾石覆盖度(0,10%,20%,40%,60%,80%),探究砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面侵蚀及土壤可蚀性的影响.结果表明:随累积降雨量增加,土壤可蚀性参数先增大后减小,并趋于稳定.坡度对土壤可蚀性影响显著,坡度越陡,坡面土壤可蚀性越大.砾石覆盖度与土壤可蚀性参数并非呈单调关系.坡度较陡且低覆盖度时,砾石覆盖增加坡面侵蚀;而当高覆盖度时,砾石覆盖可降低坡面径流速率,增加入渗率,减小土壤侵蚀率.适当盖度砾石覆盖能够改变边坡表面粗糙程度,降低坡面土壤可蚀性.砾石覆盖坡面径流雷诺数与土壤可蚀性参数呈显著线性负相关关系.通过径流雷诺数与土壤可蚀性参数线性关系定量分析能够较好反映坡面高钠盐土颗粒输移水动力学过程,对于构建盐碱土边坡泥沙输移预测模型具有重要意义.     

山区流域坡面流的一种近似解

在山区流域面流近似为运动波的条件下，利用Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊｕ．ｅｔ．ａｌ．提出的坡面流分离变量形式，导出了坡面流的偏微分基本方程，根据坡面净雨历时与汇流平衡时间的关系，得到不同净雨历时的坡面流漫流过程。     

模拟氮沉降对白羊草地群落特征及其坡面流水动力特性的影响

大气氮沉降的增加可能会通过草地群落进而影响坡面流水动力特性。选取黄土高原典型地带性草本白羊草为研究对象,通过设置不同施氮处理(0,2.5,5,10 g/(m2·a),以N计,下同)模拟氮沉降,采用人工模拟降雨,探究土壤有效氮升高对白羊草群落季节变化及坡面流水动力特征的影响。结果表明,一定程度的施氮可有效增加白羊草盖度,促进藻结皮的生长,但会抑制苔藓结皮的发育。施氮使Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别降低了68.6%～71.5%和44.7%～47.4%;平均流速加快了32.0%～44.0%,径流深减小了25.1%～28.7%,同时,使径流剪切力和水流功率显著增加,过水断面单位能减少。随着季节变化,9月白羊草群落坡面Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别较6—8月显著增加了220.2%～496.9%和79.5%～139.4%,平均流速减缓了23.5%～29.7%,径流深增加了36.4%～66.9%,径流剪切力和水流功率均显著降低,过水断面单位能增加。降雨强度对坡面流特征也存在显著影响。随着降雨强度的增大,坡面流阻力减小,进而导致流速、径流深及水流功率增加。草地具有良好的调控坡面流的作用,然而大气氮沉降的增加可能会加剧草地群落坡面土壤侵蚀。     

小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响

为系统研究小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性的影响,采用室内定床模拟试验,探究在不同流量(3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 L/min)和坡度(3°、5°、10°、15°)下,坡面流水动力参数随秸秆覆盖量(0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm²)的变化特征。结果表明：1)秸秆覆盖显著影响坡面流流型,在不同流量和坡度下,无秸秆覆盖时坡面流型均为急流,而在秸秆覆盖条件下,坡面流型均变为缓流。当流量≤7.5 L/min时,流态均为层流,当流量>7.5 L/min时,流态均为过渡流。2)随着秸秆覆盖量的增加,坡面流流速分别较裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。3)不同覆盖量下,坡面流流态指数随坡度的变化规律不一致。覆盖量≤2.5t/hm²时,随坡度的增加,流态指数呈先增后减的变化趋势,覆盖量>2.5 t/hm²时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小。4)不同覆盖量下,坡面流阻力系数随坡度的变化规律不一致。秸秆覆盖坡面阻力系数是裸坡的9.36～19.68倍。低覆盖量下(≤2.5t...     

草地覆盖坡面流水动力参数的室内降雨试验

为研究两种典型黄土的坡面流水力特性变化规律,进行了室内人工降雨试验。以草地盖度为主要影响因子,土壤质地和雨强为辅助影响因子进行分析。结果表明:同一盖度下,随雨强逐渐增大,流量和流速也随之增加;当盖度增加时,流量和流速随之减小。流速随降雨历时的延长而逐渐增大;当雨强增大时,流速曲线整体抬高;当覆盖度逐渐增大,流速曲线整体降低。平均水深随流速增大而减小;同一雨强下,盖度增加时氟汝德数Fr随之增加,雷诺数Re降低,而Darcy-Weisbach阻力系数f及曼宁粗糙系数n均大致呈增加趋势;对同一盖度,雨强增加Fr随之减小,Re逐渐增加,同时f和n均随之减小。因此草地覆盖度增加将改善坡面流水力性质,总体上减小了坡面流速,增加了阻力和粗糙度。     

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.