坡面薄层水流的土壤分离实验研究

土壤分离是土壤侵蚀的重要过程之一。准确预测土壤分离对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用变坡水槽实验测试了土壤分离速率与坡度和流量的关系，并与水流剪切力、水流功率和单位水流功率三种水动力参数进行比较，结果表明：土壤分离速率随着坡度和流量的增加而线性增加；当流量小于某一临界流量时，土壤分离将不发生；利用坡度和流量回归的线性模型能准确预测土壤分离速率；在水流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水力参数之间，水流功率是描述土壤分离速率的最好参数；比较坡度-流量模型与水流功率模型，认为坡度-流量模型更具有实用性和     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

坡面水流分离崩岗崩积体土壤的动力学特征

利用变坡式水槽,在坡度(20°,25°,30°,35°,40°)和流量(1.1,2.2,3.3,4.4,5.5L/min)下进行崩岗崩积体土壤的分离试验。结果表明:流量对土壤分离速率的作用大于坡度,土壤分离速率与坡度及流量呈线性相关;水深对土壤分离速率的影响大于坡度,土壤分离速率与坡度及水深呈线性相关;土壤分离速率与水流流速呈指数函数关系;水流剪切力、水流功率及单位水流功率与土壤分离速率之间的关系均为线性关系,其中,水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩积体的土壤分离速率。     

试论初生侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性

从水力学与泥沙运动力学观点，对初生态侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性，如流产；充态、临界水深、阻力系数等几个基本问题，作了半理论性探讨。     

坡面径流分离土壤的水动力学实验研究

土壤分离过程是指在降雨溅击和径流冲刷作用下 ,土壤颗粒脱离土壤母质的过程[1] 。对因降雨溅击引起的土壤分离过程曾进行过深入系统的实验室模拟 ,但对因径流冲刷引起的土壤分离过程 ,并没有得到充分的研究[2 ] 。实验水槽内的水流动力特性与坡面径流的水动力学特征十分相似 ,     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

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。     

国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展

径流分离土壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之一,对国外近２０年来,坡面径流分离土壤过程的研究方法、控制方程、分离能力、挟沙力及存在的问题进行了详细的论述,旨在综合国外研究经验,促进我国相关研究的发展。     

坡面薄层水流优势流速研究

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一.为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8 °、12°,流量12、24、48 L/min条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.Sm处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速.结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ～0.568 m/s之间.随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大.流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响.不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态.结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据.     

坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法

针对坡面径流水深浅(1～5mm)和水动力学参数(流速、水深等)提取困难,给坡面侵蚀径流水流结构、能量耗散及泥沙输移等的深入研究带来困难的问题,基于水动力学原理和相似性理论,通过非常规比尺模型将径流水深进行放大,来研究坡面薄层含沙水流的水流相似过程。结果表明:(1)当薄层含沙水流水深放大2.5倍,含沙量在10～320kg/m~3时,薄层含沙水流原型和模型的水面线(阻力)、流速、侵蚀地形的误差分别为0～0.1%,0.1%～5.3%,0.9%～4.9%,误差均在允许范围之内,原型和模型满足几何、运动等相似比尺转换关系;(2)水深在0.5～1.25cm时,薄层含沙水流为紊流,原型和模型的流速垂向分布满足对数分布,可以用同一方程进行表达;(3)非常规比尺模型可以作为一种方法应用到薄层含沙水流的水动力学参数提取、水流结构、能量耗散、泥沙输移等的深入研究过程中。     

含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响

土壤分离过程为侵蚀产沙提供了物质准备,对其发生、发展的过程进行准确模拟具有重要的实践和理论意义。选取棕壤为研究对象,设计6个土壤含水量(3%,6%,9%,12%,15%,18%)、3个坡度(5°,10°,15°)和3个流量(8,12,16L/min),分析含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响。结果表明:(1)土壤分离能力均随含水量的增大呈下降趋势,且土壤分离能力间的差异随含水量的增大而减小,当含水量18%时,土壤分离能力几乎为0。土壤分离能力与含水量呈现二次多项式关系,在含水量3%时,土壤分离能力最高。(2)土壤分离能力在含水量6%,9%,12%,18%时均随坡度的增大而增大,并且与坡度呈二次多项式关系,在坡度15°时,土壤分离能力达到最大。(3)土壤分离能力在含水量3%~12%均随流量的增大而增大,并且与流量呈二次多项式关系,流量为16L/min时,土壤分离能力最大。(4)仅考虑两者对土壤分离能力的影响,误差的贡献率均为最高。若考虑三者的影响,坡度对土壤分离能力变异的贡献率最大(29.64%),其次为含水量(22.29%)和流量(19.72%),土壤分离能力的模拟精度分别由0.550,0.638,0.498显著提高到0.995。     

三峡库区生物结皮对土壤分离过程的影响及其机制

为探明三峡库区生物结皮对土壤分离过程的影响及机制,以湖北省秭归县王家桥小流域为研究区域,选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以无结皮覆盖的裸地为对照,设计5个结皮盖度水平(1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%),采集原状土样,进行不同侵蚀动力条件下(水流剪切力4.89～17.99 Pa)的冲刷试验,建立生物结皮盖度与土壤分离能力、细沟可蚀性和临界剪切力间的定量关系,明确影响土壤分离过程的主要因素并阐明其作用过程。结果表明,生物结皮盖度显著影响土壤分离,裸地的土壤分离能力(0.160 kg/(m2·s))为生物结皮土壤(0.008～0.081 kg/(m2·s))的1.9倍～21.0倍,裸地的细沟可蚀性(0.018 7 s/m)为生物结皮土壤(0.009 5～0.000 9 s/m)的2.0倍～20.0倍;相对土壤分离速率和细沟可蚀性均随结皮盖度的增加呈指数衰减;通径分析显示土壤分离能力主要受结皮盖度、土壤黏结力和沙粒含量的影响,细沟可蚀性主要受结皮盖度和土壤容重的影响;非线性回归表明,土壤分离能力可用水流剪切力、黏结力和结皮盖度的幂函数进行模拟(...     

坡面流土壤分离速率与输沙率耦合关系研究

采用变坡实验水槽在较大流量(0.5～2.0 L/s)和坡度(8.7%～46.6%)范围内,系统研究了坡面薄层水流输沙率与土壤分离速率之间的耦合关系。结果表明:不同坡度与流量组合条件下,土壤分离能力、挟沙力与坡度和流量均呈良好的线性关系,土壤分离速率与输沙率之间也呈良好的线性相关关系,随着输沙率的增大土壤分离速率逐渐减小。研究证明:由Foster和Meyer提出的土壤分离速率与输沙率呈线性关系的假定是正确的,可作为描述土壤分离与径流输沙关系的控制方程,应用于土壤侵蚀过程模型的建立。     

冲刷时间对土壤分离速率定量影响的实验模拟

土壤分离过程为侵蚀产沙提供了物质准备 ,对它发生、发展的过程进行准确模拟 ,具有重要的实践和理论意义。利用变坡实验水槽 ,在较大流量 (0 .5～ 1 .5 L / s)和坡度 (5°～ 1 5°)范围内 ,系统研究了冲刷时间对土壤分离速率的定量影响。研究结果表明 :不同流量和坡度条件下 ,土壤分离速率均随着冲刷时间的延长而呈良好的幂函数形式下降 (Dr=At B) ,系数 A随着流量和坡度的增大而增大 ;土壤分离速率与坡度和流量间的关系随着冲刷时间的不同而不同 ,当冲刷时间在 1 0 s以内时 ,随着冲刷时间的增加土壤分离速率与流量和坡度间的相关性增大 ,当冲刷时间大于 1 0 s后 ,随着冲刷时间的增大其相关性反而减小 ;以土样下切 2 cm为条件 ,建立了最佳冲刷时间与流量和坡度间的幂函数关系 ,为相关实验径流冲刷时间的设计提供了思路     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究.采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm;3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征.结果表明:不同近地表水流饱和深度下...     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

黄土高原土壤分离速率的季节变化研究

为定量研究水动力对土壤分离速率的影响,采用变坡实验水槽方法,在特定水动力条件下,分析黄土高原七种典型土地利用类型土壤分离速率的季节变化。结果表明:(1)不同土地利用下土壤分离速率差异显著,测定期内平均值为谷子土豆玉米大豆荒坡草地林地;(2)除林地外,各土地利用类型土壤分离速率具有明显的季节变化,变化幅度为玉米谷子大豆荒坡土豆草地林地;(3)农地土壤分离速率的季节变化主要由农事活动导致,播种、除草、收获等农事活动可使土壤分离速率提高2～6倍;(4)土壤表层粘结力对各类土地利用土壤分离速率的季节变化具有重要影响。研究结果为进一步分析土壤侵蚀过程和建立侵蚀模型提供了一定的理论基础。     

冻融坡面土壤剥蚀率不同预测模型比较

为探究水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率的影响,采用2个坡度(10°,15°)、4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)和4个起始解冻深度(2,5,10,15cm),模拟野外径流冲刷试验。采用BP神经网络方法和逐步回归分析法,分析土壤剥蚀率和流量、坡度、起始解冻深度、流速、水流剪切力、水流功率与单位水流功率7个水蚀因子关系。结果表明:通过BP神经网络连接权关系分析水蚀因子对冻融坡面土壤剥蚀率影响顺序为水流功率单位水流功率起始解冻深度水流剪切力流量流速坡度。BP神经网络模型的土壤剥蚀率预测平均误差为2.848%(R~2=0.954);逐步回归模型的土壤剥蚀率预测平均误差4.820%(R~2=0.925);基于单一水蚀因子(水流功率)模型的土壤剥蚀率预测平均误差5.298%(R~2=0.867)。基于BP神经网络的土壤剥蚀率预测效果最好,为春季解冻时期冻融坡面不同起始解冻深度条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供了新思路。     

Modelling Soil Detachment of Different Management Practices in the Red Soil Region of China

Soil erosion from cropland is a primary cause of soil degradation in the hilly red soil region of China. Soil characteristics and the resistance of soil to erosion agents can be improved with appropriate management practices. In this study, hydraulic flume experiments were conducted to investigate the effects of five management practices [manure fertilizer (PM), straw mulch cover (PC), peanut–orange intercropping (PO), peanut–radish rotation (PR) and traditional farrow peanut (PF)] on soil detachment. Based on the results, three conservation management practices (PC, PM and PO) increased the resistance of soil to concentrated flow erosion. The rill erodibility of different treatments was ranked as follows: PC (0·001 s m⁻¹) < PM (0·004 s m⁻¹) < PO (0·007 s m⁻¹) < PF (0·01 s m⁻¹) < PR (0·027 s m⁻¹). The rill erodibility was affected by soil organic content, aggregate stability and bulk density. The soil detachment rate was closely correlated with the flow discharge and slope gradient, and power functions for these two factors were developed to evaluate soil detachment rates. Additionally, the shear stress, stream power and unit stream power were compared when estimating the soil detachment rate. The power functions of stream power and shear stress were equivalent, and both are recommended to predict detachment rates. Local soil conservation can benefit from the results of this study with improved predictions of erosion on croplands in the red soil region of China. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

聚丙烯酰胺对花岗岩砂土分离与产沙过程的影响

[目的] 探究聚丙烯酰胺(PAM)施用对花岗岩母质发育砂土分离与产沙过程的影响,明确PAM改良砂土抗蚀性的浓度阈值,为崩岗侵蚀防治提供依据。[方法] 选取崩岗侵蚀区花岗岩母质发育的砂土,设置5个PAM施入水平(0‰,1‰,3‰,5‰,7‰),通过径流冲刷模拟试验,研究不同水力条件下砂土产沙速率、分离速率及细沟可蚀性对PAM施用浓度的响应规律。[结果] ①PAM显著降低了砂土的产沙速率、分离速率和细沟可蚀性,且显著提高了临界剪切力(p<0.01)。PAM的减沙效应随冲刷时间的增加呈降低后稳定的趋势,而随其施用浓度的增加逐渐增大。当PAM施用浓度在5‰以内时平均减沙效果最明显。②土壤分离速率与PAM施用浓度呈极显著的负相关关系(p<0.001),但随着PAM施用浓度的增加,分离速率的降低速率逐渐减缓,且PAM(F=37.39,p<0.001)对土壤分离与产沙过程的作用大于水流剪切力(F=15.38,p<0.001)。③PAM处理组与CK的细沟可蚀性之比与PAM浓度呈二次函数关系(R²=0.996,p<0.001),且5‰的PAM对细沟可蚀性的降低效率最显著。[结论] 施用PAM有效降低了花岗岩砂土的产沙速率、分离速率与细沟可蚀性,提高了其临界剪切力,改良效果在PAM施用浓度低于5‰时呈不断增加的趋势,而PAM施用浓度大于5‰时改良效果没有明显变化。因此,建议5‰为PAM改良花岗岩砂土抗蚀性的浓度阈值。