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。     

地表粗糙度及植被盖度对坡面流曼宁阻力系数的影响

为探明地表颗粒和植被共同影响下的坡面流曼宁阻力系数变化规律,在5°缓坡定床条件下,以曼宁阻力系数表征坡面流阻力,利用等效水力半径计算等效曼宁阻力系数,等效水力半径考虑了水流与植被的接触面,分别研究了4个地表粗糙度(0.009,0.12,0.18,0.38 mm)和4个植被盖度(0,4.0%,6.6%,12.2%)在9个单宽流量(0.2×10^-3~0.5×10^-3m^3/(m·s))冲刷下的坡面综合等效曼宁阻力系数、颗粒等效曼宁阻力系数及植被等效曼宁阻力系数的变化特征及相互之间的关系。结果表明:1)在坡面没有植被时,坡面综合等效曼宁阻力系数与流量呈负相关,当坡面有模拟植被时,两者间呈正相关。坡面综合等效曼宁阻力系数随着地表粗糙度和植被盖度的增加而增加;2)当地表粗糙度和模拟植被存在的坡面,线性叠加原理不适用于坡面综合阻力的计算,在水深较小时,会出现附加阻力。附加等效曼宁阻力系数与粗糙度和盖度呈正相关,而与水深负相关;3)通过多元回归分析得到坡面综合等效曼宁阻力系数的计算式,模拟效果较好(相关系数R=0.98),并分析得到各阻力分项等效曼宁阻力系数的计算式。分别剔除各阻力分项后将相关系数比较,植被阻力对坡面流综合阻力的影响最大,颗粒阻力次之,而附加阻力最小。研究成果将为构建坡面侵蚀模型和防治坡面侵蚀提供科学依据。     

坡面流水动力学参数对土壤分离能力的定量影响（简报）

利用变坡试验水槽,在较大流量（0.5～2.0 L/s）和坡度（0～50%）范围内,详细研究了水深、平均流速、雷诺数、佛汝德数和阻力系数对土壤分离能力的定量影响,旨在得到估算土壤分离能力最简单的方法。研究结果表明：坡面流土壤分离能力与水深、平均流速间均呈显著的幂函数关系;土壤分离能力与水流流态密切相关,与水流佛汝德数相比,水流雷诺数与土壤分离能力的关系更密切;土壤分离能力与水流阻力间呈良好的幂函数关系。研究结果表明,平均流速是预测土壤分离能力的最佳参数。研究结果对于理解土壤侵蚀机理,建立土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。     

A portable integrated rainfall and overland flow simulator

This paper describes a prototype of a portable rainfall simulator that can simulate a wide range of rainfall intensities with a kinetic energy similar to that of natural rainfall and, more innovatively, provide simultaneous or independent simulations of rainfall and overland flow at the microplot scale (0.70 m²). The design of the rotating shutter disc makes possible a wide range of rainfall intensities, from 30 to 155 mm/h without changing nozzle type or working pressure. Overland flow intensity can be adjusted from 94 to 573 mm/h depending on nozzle type and working pressure. The flow is applied on the upper side of the experimental plot. The Christiansen coefficient of uniformity of the simulated rainfall varied between 81.4 and 85.1%, and the calculated kinetic energy was >90% the kinetic energy of corresponding natural rain. Special attention was paid to portability. Stainless steel was used whenever possible and the equipment was constructed in modules so that it could easily be dismantled and carried by two people. A telescopic-type frame allows operation on sloping ground.     

Evolution of overland flow after a severe forest fire,Point Reyes,California

Forest fires on granitic soils often increase overland flow and erosion. Runoff generation was monitored on a small hillslope plot on Mt. Vision near Point Reyes Peninsula, California, after it had been burned by a wildfire on October 3, 1995. After the fire, the ground surface was covered with up to 2 cm of ash, which overlaid a 5–20 cm thick hydrophobic (water repellent) soil layer. We used nine recording tensiometers to monitor soil-water potentials during infiltration and runoff. Surface-runoff rates were determined by diverting the flow into a collection tank. The subsurface flow through the upper 6 cm of soil was collected and measured in a second tank. The surface runoff was diverted to a tank in order to record its rate. The initial intense rainfall infiltrated into the base of the ash-bed; here, the hydrophobicity limited deeper penetration and led to both subsurface and shallow saturation overland flow. The preferential flow paths through the ash layer contributed to deeper water penetration. As the ash was eroded and consolidated with successive rainstorms, the preferential flow paths clogged, the infiltration capacity reduced, thus preventing the storage of shallow permeable soil; therefore, the runoff generation changed to Hortonian overland flow. Correspondingly, the runoff ratio increased from approximately 0.2 during the early storms to 0.8 during intense rain bursts. These results suggest that runoff mechanisms evolve simultaneously with the eroding soil surface.     

植被调控红壤坡面土壤侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,研究坡度10°,15°和雨强60,120,180mm/h条件下,盖度为0,33%,67%和88%的香附子对南方红壤坡面的减沙效应及其水动力学机理。研究结果表明:香附子在红壤坡面具有良好的减沙作用,盖度为33%的香附子平均能够减少72%的土壤侵蚀;随着植被盖度的增加,土壤侵蚀量减少,减沙率增大。雨强越大,红壤坡面的植被减沙率越大。相同盖度植被的减沙率在15°坡面较在10°坡面小。香附子能够降低坡面流的流速和弗劳德数,增大达西—韦斯巴赫阻力系数。植被盖度越大,流速越小,弗劳德数越小,达西—韦斯巴赫阻力系数越大,盖度为88%的坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数约是裸坡的7倍。坡面流流速可以通过水流能坡的0.5次幂、单宽流量0.33次幂的乘积来拟合,拟合方程的系数能够反映植被对坡面粗糙度的影响。坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数随着植被盖度呈指数函数显著增加。植被盖度越大,土壤的抗冲性越强,植被盖度为88%的坡面的土壤临界剪切力约是裸坡的2.5倍。     

三维土工网防护边坡侵蚀特性的试验研究

为了揭示三维土工网防护坡面侵蚀规律,利用室内模拟放水冲刷试验,定量研究了不同坡度（5°,10°,15°,20°,25°,30°）、不同流量（1 m³/h,1.5 m³/h,2 m³/h）条件下,三维土工网防护坡面的侵蚀过程及侵蚀特征。结果表明:（1）累积侵蚀量随坡度和流量的增大而增大,且冲刷最初10 min内得到的侵蚀量占侵蚀总量的70%左右,而冲刷末期的坡面流含沙率仅在0.01～0.04 g/cm³内波动;（2）随着坡度增大,累积侵蚀量的贡献率增大,流量对累积侵蚀量起主导作用,在大流量冲刷的条件下,流量对累积侵蚀量的贡献率比流量较小时更加显著;（3）累积侵蚀量与坡度呈正相关的幂函数关系,相关性显著;（4）三维土工网防护边坡的坡面流为紊流,累积侵蚀量与雷诺系数的关系可以表示为:M=0.186Re^0.672,相关系数R²=0.9429。     

The potential for soil phosphorus tests to predict phosphorus losses in overland flow

Soil phosphorus tests offer a potentially powerful tool for land managers trying to predict the areas which will contribute diffuse losses of phosphorus (P) to surface water bodies through the overland flow vector – but do they work? We address this question at a range of scales, from patch (< 1 m²), through plot (several m²) to small watershed (several hectares). Our hypothesis is that as we increase the scale, and therefore the complexity of the system, soil P tests will predict P concentrations and losses associated with overland flow less well, and that this is partly due to a shift from dissolved P losses to P losses associated with eroded soil material. At the patch scale soil P tests were used to predict the P concentration and load from 24 European soils exposed to simulated rainfall under controlled conditions in the laboratory. Results showed that soil P tests were generally good predictors of reactive P <0.45 μm, but did less well at predicting total P > 0.45 μm. By combining the soil P test with measured sediment concentrations predictions of total P concentrations improved. Outdoor rainfall simulation experiments on bare soil plots (10 m²) revealed the overwhelming influence of particle bound P losses compared with P losses in the water phase. Soil P tests, which relate primarily to the dissolved P fractions in soil, were not able to predict total P losses, but were related to reactive P < 0.45 μm losses. At the watershed scale soil P tests were able to predict reactive P < 0.45 μm losses, but with considerable uncertainty. We conclude that soil P tests, in combination with sediment concentration provide a useful means of assessing the mobilization of P in overland flow, but should not be expected to provide watershed scale predictions of the movement of P into overland flow.     

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。     

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。     

斑块状植被覆盖下坡面流水动力学特性

为阐明斑块状植被随机覆盖下坡面流水动力学特性,通过5个覆盖度、6个坡度和7个流量组合条件下的室内放水冲刷试验,系统研究了斑块状植被覆盖下坡面流的流型流态及阻力机制。研究结果表明:1)该试验工况下,坡面水流位于虚拟层流区和过渡流区,水流流态发育受覆盖度和坡度相互制约。2)在虚拟层流区,综合阻力系数与雷诺数呈负相关,而在过渡流区,二者关系在临界覆盖度处发生转捩,随覆盖度的增加,二者关系逐步由负相关变为正相关。3)综合阻力系数与覆盖度呈幂指函数相关,而随淹没度变化趋势则受制于覆盖度。低于临界覆盖度时,二者整体上为负相关;高于临界覆盖度时,综合阻力系数随着淹没度增大先减后增。此外,基于水流阻力等效原则,综合考虑水力坡度、覆盖度、雷诺数、淹没度的影响,建立了坡面流阻力计算模型。     

急陡坡土壤侵蚀试验研究

随着各项开发建设项目的大力开展,人为地产生了大量>25℃的急陡坡坡面,造成严重的土壤侵蚀.采用人工模拟降雨方法,进行了急陡坡对土壤侵蚀影响的试验研究.研究结果表明:随着坡度的增加,降雨产流的径流总量和流速随之减少;坡面的降雨侵蚀形式由径流侵蚀为主向击溅侵蚀为主转变,从而导致土壤侵蚀量的波动变化趋势.     

草被覆盖对坡面流流速影响的人工模拟试验研究

草被覆盖是影响坡面流流速变化过程及特征的重要因素之一。研究草被覆盖下坡面流流速时空分布特征，对揭示草被减蚀作用机理有重要作用。该文通过室内放水冲刷试验研究了黄土丘陵区坡沟系统坡面不同草被覆盖对坡面流流速变化过程及特征的影响。试验中共涉及坡沟系统坡面5种草被覆盖度、3种空间配置和2种放水冲刷流量。研究结果表明：放水流量为3.2 L/min时，坡面草被覆盖对坡面流流速的延缓作用较大；流量为5.2 L/min时作用相对减弱；坡面及沟坡平均流速随坡面草被覆盖度的增加呈指数下降趋势。坡面流流速在坡面的发展有一个坡长范围，试验中，在距坡顶3～4 m处，坡面流流速达到最大；坡面、沟坡各断面流速基本上都随着放水冲刷时间的延长而呈下降趋势。     

紫色土坡耕地可溶性有机碳径流迁移特征

为探明紫色土坡耕地可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)的径流迁移特征,该文通过具有壤中流观测功能的径流小区观测地表径流和壤中流的可溶性有机碳(DOC)迁移。结果表明,径流方式对紫色土坡耕地径流DOC迁移质量浓度具有明显影响。地表径流过程中DOC质量浓度随降雨历时逐渐降低,而壤中流过程DOC质量浓度则表现出先升后降而后趋于稳定的趋势。暴雨和大雨地表径流和壤中流过程中DOC质量浓度均表现出不同的变化特征。暴雨地表径流过程DOC初始质量浓度高,衰减快,壤中流DOC质量浓度高、峰值出现较早。2010、2011年2a内地表径流和壤中流平均累积径流量分别为61.2、300.3mm,平均径流系数为7.7%和37.6%。2a内次降雨产流事件中地表径流和壤中流DOC平均质量浓度分别为3.9和3.4mg/L,壤中流DOC年平均迁移通量为105.2mg/m2,年平均负荷达1007.6mg/m2,约为地表径流的4.8倍,壤中流携带DOC损失是紫色土坡耕地DOC径流迁移的主要方式。土层温度是影响壤中流DOC质量浓度季节性变化的重要因素,二者具有显著的负相关性(P<0.05),而土层温度对地表径流DOC质量浓度季节性变化无显著影响。该研究可为调控紫色土坡耕地DOC流失提供一定的参考。     

雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响

基于流体力学和水力学基本理论,通过6个糙度、5个流量和5种雨强组合条件下的放水冲刷和模拟降雨试验,研究雨强和糙度对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:在坡面薄层水流中,床面糙度对坡面流阻力有"增阻"效应,但在粗糙尺度为1.77 mm时产生拐点;降雨条件下,坡面流自由表面失稳的动态演化过程显著,其波动临界条件为黏深比0.382 4、0.599 3,在整个动态过程中阻力系数都随着降雨强度增加而减小;结合黏滞阻力、雨强阻力构建层流过渡区阻力计算公式,决定系数为0.92(P0.05),可以较好地为坡面流模型的建立提供参考依据。研究成果有助于从泥沙运动力学的角度揭示坡面流层流失稳的本质,为坡面流理论的发展奠定基础。     

黄土高原陡坡土壤侵蚀特性试验研究

通过室内冲刷模拟试验对黄土高原陡坡土壤侵蚀特性进行系列研究.结果表明,陡坡径流平均流速随径流量和坡度的增大呈波动趋势增加.坡面径流平均含沙率,平均输沙率和平均剪切力均随流量的增加波动增加,随坡度的增加而呈抛物线形式变化,临界坡度值出现在21°和24°之间.坡面径流平均输沙率与平均剪切力之间量良好的线性关系.本研究对深入了解陡坡土壤侵蚀机理,合理确定退耕坡度具有重要意义.     

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。     

黄土区沟道阶梯状边坡水土流失防治措施与机理

陕北地区治沟造地工程中新修沟道阶梯状边坡抗蚀性较弱。研究利用室内人工模拟降雨试验,研究新开挖沟道阶梯状边坡在降雨作用下不同水土保持措施的水沙效应,并观测其侵蚀发育过程。结果表明:极端气象条件(120mm/h雨强)与坡顶部区域汇水作用是导致阶梯状边坡产生快速侵蚀破坏的两个主要条件。当边坡仅受到降雨作用,雨强在60mm/h~90mm/h之间变化时,产沙速率稳定,不同雨强下产沙速率呈现倍率关系,坡面侵蚀现象无明显差异,坡体无明显破坏;120mm/h雨强条件下,产沙速率显著上升,侵蚀发育过程出现明显变化,坡体破坏明显。阶梯状边坡平台反坡措施能有效减少60mm/h,90mm/h,120mm/h三种雨强下产沙量58.4%,35.2%,62.1%,减少径流量69.6%,26.6%,60.8%,并有效减缓坡体表面破坏及侵蚀发育速度。用放水试验模拟无截排水措施情况,发现截排水措施能够有效降低产沙量92.7%,同时改变了侵蚀发育的现象,将急剧下切发育的细沟侵蚀转变为了发育较为缓慢的层状面蚀。从减水减沙的角度,坡顶截排水措施与平台反坡措施皆为有效的阶梯状边坡水土流失防治措施。     

不同长度小麦秸秆覆盖下黄土耕地坡面流水动力学特性

为了系统研究秸秆长度对坡面流水动力学特性的影响,利用室内人工模拟冲刷定床阻力试验,在4个坡度、5个流量条件下分别对3~5、8~10和13~15 cm长度秸秆覆盖坡面流水动力学参数变化特征进行分析,阐明不同长度秸秆覆盖坡面水流阻力与雷诺数的关系。结果表明,秸秆长度对坡面流水动力学参数影响显著。不同长度秸秆覆盖条件下,坡面流雷诺数变化范围为166~558,当流量≤7.5 L/min时,坡面流态为层缓流;流量为9.0 L/min时,坡面流态为过渡缓流。秸秆覆盖条件下,坡面流具有较小的流速和较大的水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数。随着秸秆长度增加,坡面流流速随之增加,而水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数随之降低。随着秸秆长度和水力坡度增加,流态指数值总体呈现降低趋势。当秸秆长度由3~5 cm增加至13~15 cm时,流态指数平均由0.716降至0.501。研究可为秸秆覆盖条件下水土流失阻控机理研究提供科学依据。