生物埂不同植物类型下土壤分离水力学特性研究

【目的】探明川中丘陵区六棱型预制网格式生物埂不同植物类型下土壤分离能力与细沟水流水力学特性间的数学关系。【方法】野外采集生物埂坡面麦冬和韭菜2种植物根系下的原状土样(直径10 cm),以单一网格式生物埂裸坡为对照,建立室内模拟细沟(长4 m,宽0.12 m,深0.1 m),在3个坡度(15°、20°、25°)、5个流量(39.86、59.98、79.67、100.45、121.16 L/min)的完全组合条件下进行冲刷试验,探讨水力学参数(雷诺数Re、弗汝德数Fr、Darcy-Weisbach阻力系数f、曼宁系数n)与土壤分离能力间的数学定量关系。【结果】1)不同植物类型下生物埂土壤分离能力表现为麦冬(均值2.24 kg/(s·m^2))>对照(均值1.34 kg/(s·m^2))>韭菜(均值1.09 kg/(s·m^2))。2)土壤分离能力与水流流态与流型参数之间均呈幂函数正相关,其中与雷诺数Re呈极显著幂函数正相关(均值R^2=0.75,P<0.01),与弗汝德数Fr呈显著幂函数正相关(均值R^2=0.27,P<0.05)。3)土壤分离能力与水流阻力参数间的关系主要呈负相关,其中与Darcy-Weisbach阻力系数f呈显著幂函数负相关(均值R^2=0.36,P<0.05),而与曼宁系数n之间的幂函数关系不显著(均值R^2=0.16,P>0.05)。【结论】与麦冬相比,韭菜增强土壤抗侵蚀能力的效果更显著。水力学参数中,水流流态流型参数中雷诺数Re预测土壤分离能力的效果相对较好,水流阻力参数中以Darcy-Weisbach阻力系数f效果较好,总体比较,以雷诺数预测土壤分离能力效果最好。     

不同降雨强度及坡度条件下饱和紫色土坡面细沟形态特征

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结果表明：饱和紫色土坡面细沟平均宽度、深度和细沟宽深比分别为3.44～9.64 cm、1.01～8.14 cm和1.18～3.87,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体均表现出先增大后减小的趋势,细沟宽深比沿坡面表现为上坡<中坡<下坡的变化特征。整体来看,坡面细沟宽度和深度均与降雨强度和坡度呈正相关关系,且降雨强度和坡度对坡面细沟宽度的影响相近,而坡度对细沟深度的影响较降雨强度更显著;细沟宽深比与降雨强度和坡度呈负相关关系,且坡度对坡面细沟宽深比的影响显著大于降雨强度的影响。研究结果对认识饱和土壤坡面细沟侵蚀形态变化规律、进一步探究坡面细沟发育过程具有重要参考价值。     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。