放水冲刷条件下紫色土细沟侵蚀特征

细沟侵蚀对于坡面侵蚀量的贡献很大.以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟径流土槽放水冲刷试验,研究不同流量、坡度和坡长情况下,紫色土细沟侵蚀特征.结果表明:相同坡度和流量情况下,清水流速大于浑水流速,坡度和流量影响流速的变化;不同流量情况下,5 °坡面流速随坡长增大变化幅度很小,基本稳定.15°和23°坡面流速呈现随坡长增加而减小的趋势,并趋于稳定.在给定的坡度和流量条件下,产沙量随着坡长的增加而增加,但增加的幅度越来越小,且趋近一个稳定值.5 °坡面含沙量稳定所需的坡长在5、15和25 L/min情况下,分别为7、5和5m.15°和23°坡面在5和15 L/min情况下,含沙量稳定所需的坡长分别为7和6m,25 L/min情况下坡长到试验坡长10m时,含沙量还没稳定,含沙量与坡长成对数函数关系.其研究结果为紫色土坡面侵蚀物理模型的建立提供参数支持.     

模拟降雨条件下坡面水流流速与径流输出特征研究

利用室内人工模拟降雨试验,研究不同坡度径流小区的水流流速与径流输出特征间的关系。研究结果表明:定坡长土槽坡度变化为5~20°时,水流流速随着坡面坡度的增加呈递增趋势;同时,同一坡度下坡面水流流速随时间的变化大体上是增加的过程;在模拟降雨条件下,30 min内坡面水流速度的变化趋势分为3个阶段:降雨径流产生初期,坡面微形态的形成阶段和侵蚀沟形成阶段。在25°坡面上,这3个阶段的界限不明显。另外,得出了径流量输出特征与水流速度有着密切的幂函数相关关系,且5°,10°,15°,20°坡面流速与径流量的相关系数在0.9左右,但25°坡面的相关系数较小。根据方差得出,5~25°坡面流速与径流量关系显著,坡度越大,流速对径流量的影响越显著,并分析出20~25°是坡地土壤侵蚀的临界坡度。     

工程堆积体陡坡坡面径流水动力学特性

通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡(36°)在模拟径流冲刷条件下的坡面径流水动力学特性进行了研究,结果表明,平均流速与径流深均随流量的增加呈幂函数增加,不同坡面径流状态下(薄层水流和细沟流)流量的指数不同,且各自与室内研究结果有所差异;不同坡段的平均流速随坡长增加呈“S”形曲线变化.堆积体陡坡坡面径流属急流范畴,由过渡流向紊流转变的临界放水流量在20～25 L/min之间.Darcy-Weisbach阻力系数(f)与径流雷诺数(Re)之间存在幂函数正相关关系,与弗罗德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系,不同坡段的平均阻力系数与坡长呈双曲线函数关系.     

短坡条件下侵蚀产沙与坡长的关系

采用变雨强人工模拟降雨,选择1~10 m共7个坡长,在5°条件下研究了侵蚀产沙量及其过程与坡长的关系,每个坡长进行干运行和湿运行降雨。结果表明:(1)干运行降雨40~80 min,虽然雨强逐渐减小,但4 m及以上坡长小区的径流含沙量保持较高的水平并出现跳跃,而1 m和2.5 m的小区的径流含沙量在整个降雨过程中较平滑;湿运行含沙量总体上小于干运行,且波动幅度较干运行小。(2)2 h降雨平均含沙量随着坡长的增加而增加,可用二次多项式、幂函数及直线来拟合。(3)侵蚀模数与坡长呈幂函数关系,细沟间和细沟侵蚀模数的坡长指数分别为0.101~0.240和0.757~1.609,表明随着坡长增加,细沟间侵蚀增加较小,而细沟侵蚀增加迅速;干运行的坡长指数均大于湿运行的波长指数。     

黄土坡面细沟流速随细沟发育的特征

研究细沟流速特征是对细沟侵蚀发育机理探讨的必要方面,通过不同雨强(1.5,2.0,1.0mm/min)连续室内纯净水人工模拟降雨试验,分析不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10m)条件下细沟流速随细沟发育的变化特征。结果表明,坡面发生细沟侵蚀且再降雨小于前降雨强度的条件下,细沟流速随时间变化的差异极小,可以利用坡面平均细沟流速进行此阶段的相关研究分析;相同降雨条件下,坡长对细沟流速的影响不显著,细沟流速与细沟流路之间的关系应作为进一步研究对象;细沟流速与坡度呈负相关关系,随着降雨进行,细沟的发育,相关程度逐渐增大。     

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。     

坡面水流速度与坡面含砂量的关系

通过组合不同坡度（10°、15°、20°、25°）、不同坡长（5、10 m）、不同雨强（1.5、2 mm/min）的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流速的沿坡变化进行了研究,并讨论了流速与坡面含沙量的关系。试验结果显示：从坡顶至坡脚,坡面细沟流的速度逐渐增加;坡面流速主要受雨强和其流动距离影响,与坡度无关,并得到流速与雨强和距坡顶距离的关系式。坡面含沙量与坡度、雨强和坡面流速相关,而10 m坡长所测的含沙量与5 m坡长相近。将坡面流的能量分配为自身流动所需能量、剥蚀土壤消耗能量以及携带搬运土壤所需能量,在一定坡长内,径流的能量足以剥蚀并携带搬运坡面土壤,但超过此范围,虽然流动速度在增加,但是径流消耗于携带搬运泥沙的能量也增加,从而使坡面流的能量不足以支撑剥蚀土壤耗能,而坡面含沙量不会有显著的增加。     

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明：在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33～11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。     

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。     

坡面细沟侵蚀过程中的水动力特性变化

为定量揭示坡面细沟水流侵蚀过程中的水动力特征,开展不同流量(2 L/min,4 L/min,8 L/min)、不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的放水冲刷试验,对坡面细沟发育过程中的水动力学参数变化规律进行了研究。结果表明:在试验的流量和坡度范围内,平均流速随冲刷历时的延长和细沟形态的发展呈迅速递减—略有起伏—缓慢减小并最终趋于稳定的变化趋势,径流深随冲刷历时的增大而增大; 坡面细沟水流的雷诺数变化范围为237～1 090,在小流量时,雷诺数随冲刷历时增大而略有增大,在大流量时,雷诺数随冲刷历时增大而减小; 在整个冲刷过程中,弗劳德数始终大于1,表明该试验条件下的坡面流属于急流范畴; 坡面细沟水流的阻力系数随冲刷持续而增大; 弗劳德数随阻力系数的增大而减小,且具有良好的负向幂函数关系。该研究结果初步表明了土坡面的细沟侵蚀特征和水动力学特性,为土侵蚀动力学机制的进一步研究提供理论基础。     

黄土坡面细沟发育及细沟与细沟间侵蚀比率研究

基于室内人工模拟降雨试验,采用三维激光扫描仪对坡面进行监测,研究了黄土坡面不同坡度(10°,15°,20°,25°)和雨强(90,120mm/h)下细沟发育过程、形态特征及细沟与细沟间侵蚀比率变化规律。结果表明:(1)随着坡度、降雨强度增大,坡面产流时间、细沟出现时间有减小趋势,断面流速有增大趋势;(2)黄绵土坡面细沟形态变化受降雨强度影响较小,受坡度影响较大。在10°,15°坡度条件下,受溯源侵蚀及沟道下切作用较强,形成的细沟长、窄,深;在20°,25°条件下,受沟壁坍塌作用影响较大,形成的细沟短、宽、浅;(3)采用多元回归方法对细沟与细沟间侵蚀比率与坡度、雨强、径流的关系进行拟合,拟合函数为幂函数方程,细沟与细沟间侵蚀比率随着坡度、降雨强度增大而增大。     

土石混合崩积体坡面细沟径流流速试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面细沟流速的变化特征,设置不同的流量(2,4,8,12 L/min)和砾石质量含量(0,10%,30%,50%),采用径流冲刷试验,分析崩积体坡面细沟径流流速的变化过程,研究流速对流量和砾石含量的响应。结果表明:流速在初始阶段(前5 min)减小幅度较大,随着冲刷进行,流速变化趋于平缓,二者呈幂函数关系,纯土坡面的流速衰减趋势大于含砾石的坡面;流速随着流量的增加呈幂函数增加,而随着砾石含量的增加呈对数函数递减;流量与砾石含量对流速的影响均达到显著水平,且流量的作用大于砾石含量,可用流量和砾石含量的二元对数表达流速(NSE=0.78)。研究结果深化了对崩积体坡面细沟侵蚀水动力过程的认识。     

黄土坡面细沟径流输沙过程试验研究

细沟侵蚀是黄土地区坡面最主要的侵蚀方式之一,输沙过程是细沟侵蚀中的重要环节,阐明细沟输沙过程对理解细沟侵蚀发生发展过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。该文采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟径流输沙过程进行研究,结果表明:(1)不同降雨强度及不同坡度下,细沟径流输沙率随径流过程的变化具有极大的相似性,都随径流历时的增加而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;(2)细沟径流输沙模数随降雨强度及坡度的增大皆相应增加,可分别用幂函数方程及指数方程很好地描述;(3)雨强及坡度的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中,二者的影响基本相当;(4)水流切应力是与细沟输沙动力学过程关系最密切的水动力学参数,细沟输沙动力学过程的发生发展根源于细沟水流剪切力的动力作用。     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

黄土坡面细沟水流流速试验研究

流速是最基本、最重要的水流水力学参数之一,阐明细沟水流流速变化的特征对于揭示坡面细沟侵蚀动力学过程机理具有重要作用。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流流速进行了试验研究。结果表明:(1)细沟径流流速随径流历时的变化过程在不同雨强下不断递减,可用指数方程很好地描述,递减速率在产流后6min内较大,以后减小,各雨强下递减速率基本分别一致;(2)细沟径流流速随径流历时的变化过程在不同坡度下也不断减小,可用指数方程很好地描述,各坡度下变化趋势一致,整个径流过程中减小速率也基本一致;(3)细沟水流平均流速随雨强增大而增大,可用对数方程很好地描述;随坡度增大而增大,可用幂函数方程很好地描述;随雨强及坡度的变化可用二元对数方程描述。     

坡长对黄土区工程堆积体产流产沙影响的模拟试验研究

[目的]探究坡长对黄土区工程堆积体产流产沙的影响,为生产实践中工程堆积体水土流失合理防控提供理论依据和技术支撑。[方法]在裸露的堆积体边坡上选取3个坡度(24°,28°,32°)5个坡长(4,8,12,16,20 m)进行野外模拟径流冲刷试验。[结果] 24°,28°,32°坡面产流率和产沙率均随坡长的增加持续波动;4和8 m处坡面的产流率和产沙率之间相关性显著,12,16和20 m处坡面的产流率和产沙率间只有在32°时相关性显著;累积产流量和累积产沙量均随坡长增加而增大且符合幂函数关系;累积产沙量与累积产流量之间具有线性函数关系。[结论]坡长对坡面产流率和产沙率的影响因坡度而存在差异性;累积产流量、产沙量均随坡长的增加而增加。     

坡面细沟侵蚀断面形态发育影响因素分析及动力特性试验

研究细沟形态发育过程对认识细沟侵蚀具有重要作用,该文采用6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°),5种流量(8、16、24、32、40 L/min)下的组合冲刷试验,系统研究了坡面细沟横纵断面形态发育影响机制及动力特性。结果表明:细沟宽深比变化范围为3.006~4.884,根据水力最佳断面,细沟水流远未达到稳定。横断面形态系数随坡度的变化范围为0.36~0.522,细沟横断面形态随流量、坡度以及冲刷历时均趋近于梯形水力最佳断面,即阻力最小的断面。随着流程长度的增加,横断面形态由宽深逐渐变窄,横断面形态系数也随之减小。细沟纵断面形态范围为0.60~11.26,且随坡度的增大而增大,与流量相关性不大。综合阻力系数及消能率均与细沟纵断面形态系数呈良好的幂函数关系。     

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。     

急陡黄土坡面细沟侵蚀的水动力学特性试验研究

通过组合不同坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)、不同流量(0.6,1.0,1.5,2.0,2.5 L/min)的室内放水冲刷试验,对急陡黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的细沟水动力学特性进行了研究。结果表明:细沟水流平均流速随细沟的发育呈现出先减小后稳定的变化趋势。细沟流的雷诺数Re在199.996～873.482变化,且主要受流量的影响,随着流量的增大呈线性关系;而弗劳德数Fr在整个细沟发育过程中均大于1,表明细沟流均处于急流范围,且与流量呈倒数关系,随着放水流量的增大Fr呈曲线减小。阻力系数f随着流量的增加而增大,且与雷诺数之间存在f=a·Re~-~b(a、b为系数)的幂函数关系。     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。