黄丘区坡面细沟流速分布特征试验研究

利用坡面水蚀精细模拟降雨试验,对黄丘区陡坡(20°)条件下细沟流速分布特征进行了研究。通过对细沟形态演变过程的观察与分析,同时结合试验中对细沟间及细沟内流速的观测,给出了细沟发育过程中坡面流速沿程分布以及细沟内关键位置的流速分布。结果表明,细沟间流速分布基本不受细沟发育程度的影响,而细沟内水流流速与细沟发育过程之间存在互馈关系,首先坡面漫流向集中股流的转化促使细沟发育,会导致细沟内流速的增加,但随着细沟的进一步发展,汇流面积减小,沟床形态阻力及沟底跌坎消能作用增大,细沟流速又会逐渐减小,沟床形态阻力与径流集中产生的流速增量二者间的相互对比关系影响着细沟内水流速度。     

黄土坡面沟蚀发生机理的水动力学试验研究

本文通过试验观测及理论分析．首次从理论上探讨了坡面侵蚀过程中．侵蚀方式发生演化的水动力学机理。计算及测试结果都证明了坡面侵蚀由面状侵蚀向淘状侵蚀发展的内在原因是由于坡面径流在顺坡流动过程中，径流受边界干扰所形成的急流冲击波影响的结果。由于急流冲击波的作用．在水流方向上的冲击波交汇点．不仅水深出现局部增加，而且也会导致径流流速增大以及水流紊动增强。最终在水流纵向上出现径流侵蚀切应力的激增点。在这些切应力激增点处．水流急剧地侵蚀搬运表土，形成导致侵蚀沟发育的沟头。     

坡面沟蚀及其分形特性试验研究

随着降雨击溅及坡面径流的持续冲刷,坡面侵蚀将由面蚀向沟蚀转化,并形成复杂的坡面微地形,坡面微地形又将改变坡面侵蚀方式。通过降雨及直接径流冲刷条件下的坡面侵蚀试验,研究了坡面侵蚀过程和冲刷流速(量)、侵蚀率与坡面微地形分形特征之间的关系,结果表明:侵蚀坡面地形分维值与冲刷流量和坡度存在明显的相关关系,把流速和坡面侵蚀率作为坡面地形演变的直接指标,均存在分维值随其先增大后减小的规律。     

坡沟系统侵蚀时空分布特征试验研究

依托水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室的水土流失试验厅,采取高精度三维激光扫描技术获取坡沟系统不同侵蚀发育阶段的地形Grid数据,借助Arc GIS软件中Arc Toolbox的3D Analyst工具和数据管理工具模块的分析功能,从时间和空间角度分别对坡沟系统侵蚀发育过程进行量化分析。研究表明:1坡面侵蚀和沟坡侵蚀对坡沟系统产沙量贡献率的大小受降雨历时和侵蚀发育阶段影响,降雨初期的面蚀阶段以沟坡侵蚀为主,继而向坡面侵蚀为主转化。在雨强85 mm/h、降雨历时60 min的模拟试验条件下,降雨过程的前20 min面蚀阶段坡面与沟坡侵蚀贡献率之比约为3∶7,降雨过程的后20~60 min的细沟和切沟侵蚀阶段坡面与沟坡侵蚀贡献率之比约为7∶3;2径流含沙量与地表侵蚀空间不同步,试验条件下径流含沙量峰值区约滞后于侵蚀强度较大部位2个断面(2 m)。     

上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响

土壤中细颗粒的流失是土壤质量恶化的重要表现之一。利用试验土槽和供沙土槽双土槽径流小区系统,分析了黄土坡面在不同降雨强度、不同含沙水流汇入条件下的细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化特征,探讨了降雨强度、坡面上方不同含沙水流汇入、细沟水流流速对细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化的影响及其机理。结果表明,上方水流的汇入使侵蚀泥沙中<0 001mm的粘粒含量呈增加趋势,0 05～0 001mm的粉砂粒呈减少趋势,而降雨强度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响不甚明显;同时,侵蚀泥沙中粘粒含量随细沟水流流速和细沟侵蚀产沙量的增大而增加。     

上方来水来沙对细沟水流水力学参数的影响

利用供沙土槽和细沟土槽双土槽径流小区系统 ,定量分析了粘黄土陡坡地在 5 0、90和 1 30mm h降雨强度下上方来水来沙对坡下方细沟水流水力学参数变化的影响。结果表明 ,上方来水的汇入和降雨强度的增大 ,可使细沟水流流态由层流转变为紊流。上方来水来沙使细沟水流的流速、雷诺数、弗罗得数明显增大 ,而阻力系数明显减少 ,从而导致细沟侵蚀产沙量增大。定量分析了细沟水流流速、雷诺数和阻力系数与上坡来水引起坡下方净细沟侵蚀产沙量的关系 ,建立了一定条件下净细沟侵蚀产沙量与流速相对增量、雷诺数相对增量和阻力系数相对减量的数学统计模型     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀转变过程

利用REE元素示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验布设方法,通过室内模拟降雨试验,研究了次降雨条件下坡面侵蚀形态的转变过程和细沟的发育发展过程。研究结果为:降雨初期坡面以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀将加快加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟累积侵蚀量都将逐渐增加,后者的增加速率大于前者,面蚀所占总侵蚀量的百分比随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量分别为面蚀量的5倍、4.3倍、2.8倍和3.7倍,面蚀量所占侵蚀总量的百分比递减到20%左右。该示踪方法,为定量区分面蚀和细沟侵蚀量,研究面蚀和细沟侵蚀的演化发育过程提供了思路和解决途径。     

黄土陡坡细沟侵蚀动态发育过程及其发生临界动力条件试验研究

研究细沟动态发育过程及其发生的临界动力条件是认识细沟发生和了解土壤侵蚀水动力过程的重要基础.本研究采用室内人工模拟间歇性降雨试验,对20°黄土陡坡细沟侵蚀动态发育、产流产沙过程及侵蚀发生的临界条件进行了研究.结果表明:(1)细沟侵蚀过程为溅蚀-跌坑-侵蚀穴-断续细沟-连续细沟,到第10场降雨结束,细沟侵蚀面积达68.32％,较发育初期增加了6.7倍,最长沟长、沟宽、沟深增加了9.8倍、5倍和3.3倍;(2)随降雨历时增加,各场降雨地表产流量前期迅速增加,随后达到稳定;含沙量变化为前期迅速增加,随后逐渐稳定并略有增加;(3)径流动能、水流功率与输沙率间均呈线性关系,径流动能更能准确揭示坡面土壤分离过程.实验条件下,黄土坡面土壤剥蚀的临界径流动能为0.013J,临界单位水流功率为0.003m/s;细沟侵蚀的临界径流动能为0.045J,临界单位水流功率为0.004m/s.     

基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析*

结合作者提出的坡面发育自组织模型，本文对典型坡度条件下坡面的发育过程进行了模拟，并重点分析了面蚀与沟蚀在坡面侵蚀中的关系，尤其是关于面蚀和沟蚀贡献大小的转化机理这样一些过去无法预测的方面。结果表明，面蚀与沟蚀在侵蚀机理上有本质的区别。当坡度小于20°时，面蚀在总体侵蚀中所占的比例随坡度的增大而迅速减小；当坡度大于20°时，其减小速度随坡度的继续增加则明显变缓。由面蚀为主向沟蚀为主的转化过程之快慢，在土壤及降雨等条件一定时与坡面的坡度关系很大。15°以下的缓坡面蚀向沟蚀转化的时刻远远滞后于20°以上的陡坡。这种差异可能是由于陡坡发育过程中坡面破碎程度远远高于缓坡所造成的。     

草被覆盖下坡面—沟坡系统坡面流阻力变化特征试验研究

本项研究旨在通过室内放水冲刷试验，揭示坡面—沟坡系统坡面不同草被覆盖面积比、不同空间配置、不同放水流量下坡面阻力的变化过程及特征。试验共涉及坡面—沟坡系统坡面5种草被覆盖面积比、3种空间配置和2种放水冲刷流量。结果表明：坡面—沟坡系统坡面流各段面平均曼宁糙率系数和平均阻力系数与放水流量关系密切，随流量的增大在有草被覆盖断面两系数呈减小趋势，在无草被覆盖断面呈增大趋势。有草覆盖面积大小对阻力影响较大，随面积比的增加阻力系数增大；坡面流阻力在整个坡面—沟坡系统中沿流程增加而下降。在有草覆盖条件下各断面径流平均曼宁糙率系数和平均阻力系数均呈增加趋势，无草坡面则变化不大。因此可得出结论认为草被覆盖和坡度对坡面流阻力大小起着决定性的影响。     

黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究

本文通过径流冲刷试验，对黄土坡面形成的细沟的水力学特征进行了试验研究。结果表明，反映细沟中径流水力几何形态的过水断面宽，平均径流深，以及平均径流速度与流量的关系指数分别为０２６，０４８和０２６。细沟阻力系数的大小与水流雷诺数密切有关，但其变化趋势受坡度的影响很大。在坡度较缓的坡面上，阻力系数随雷诺数的增大而减小。在坡度较陡的坡面上，由于水流侵蚀作用强度的变化及重力影响作用的渐趋显著，阻力系数又会随雷诺数的增大而变大。     

黄土细沟侵蚀演化过程及其水力学特性试验研究

采用间歇性室内人工模拟降雨试验,对15°黄土坡面细沟侵蚀动态发育时空分布规律及其水力学特性进行了研究。结果表明:细沟侵蚀过程为溅蚀-片蚀-跌坑-断续细沟-连续细沟-细沟崩塌,沟长发育迅速,沟宽和沟深发育相对缓慢。5场降雨结束,细沟平面密度、最长沟长、沟宽、沟深较发育初期分别增加了2.5倍、10.2倍、0.8倍和1.6倍;随着降雨历时的增加,坡面流速、水深、雷诺数都呈增加趋势,伴有较小波动;细沟内流速增长平稳,而细沟内水深与雷诺数呈波动性增长。弗劳德数波动较大,但随降雨场次的增加而增加。颗粒阻力与降雨阻力随降雨时间增加而减小,形态阻力随降雨场次增加而增大,叠加阻力前两场降雨波动较大,第三场降雨达到最小,后两场降雨又有所增加,最终稳定。前两场降雨,颗粒阻力占主导地位,后两场降雨,形态阻力成为主导阻力。     

坡面细沟发生临界条件研究

本文在总结前人研究工作的基础上，通过雨后野外细沟侵蚀查资料、试验小区观测和模拟降雨试验研究结果，分析了影响坡面细沟侵蚀的降雨径流侵蚀力与土壤抗蚀性因素；对细沟发生的水流侵蚀力临界条件和浅层洞穴诱发形成细沟的情况进行了较为深入的探讨，并对细沟发生的坡度与土壤抗剪力临界条件作了初步分析。     

植被覆盖下坡面流的水流特性实验研究

为研究柔性植被和刚性植被覆盖下坡面流的水流特性,用水槽模拟坡面,PVC塑料薄膜模拟植被,通过调节水槽的坡度和柔性、刚性植被覆盖度对坡面流的水流流态、流速、水流深度进行了研究。经过多组实验得出了大量植被覆盖下的坡面流水力特性数据,并通过数据分析,总结了在不同植被覆盖、不同坡度条件下坡面流流速的变化规律。最后得出,通过减小坡面流流速、增加水流水深、控制水流流态、选择刚性植被覆盖坡面,可减少对坡面土壤的水力侵蚀。实验结果对控制流域非点源污染和选择水土流失防治措施有参考作用。     

细沟侵蚀过程的双土槽试验研究

利用位于坡面上部的供沙土槽和坡面下部的试验土槽的双土槽径流小区，定量分析了不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程的影响及其细沟水流水力学特征参数与坡上来水引起的坡下方净侵蚀产沙量的关系，建立了细沟水力学参数与坡下方净细沟侵蚀产沙量的统计模型。     

黄土高原不同尺度水保坡面措施减轻沟蚀作用定量研究

本文对黄河中游黄土高原地区不同尺度水保坡面措施减轻沟蚀的作用进行了定量研究。结果表明,黄河中游黄土高原地区流域水保坡面措施减轻沟蚀的作用,大于坡面措施本身的减沙作用。在黄土丘陵沟壑区小尺度典型流域,因坡面措施拦蓄导致坡面径流不下沟可以减轻沟蚀量55%。在大尺度典型流域,坡面措施多年平均减轻沟蚀量是坡面措施本身减沙量的1.11～1.25倍;占流域水保措施多年平均总减沙量的29%。进行黄河中游黄土高原地区水保措施蓄水减沙效益计算,应该考虑坡面措施减轻沟蚀的作用。     

模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究

为科学治理工程开挖坡面水土流失问题,采用野外人工模拟降雨试验,设计了5种雨强(30,60,90,120,150 mm/h)和3种坡度(10°,20°,30°),系统分析了不同情景下雨强、坡度、径流率、径流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:工程开挖坡面剥蚀率Di与坡度S相关性不显著(p 0.05),与雨强I、坡度和雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(p 0.01);采用3种常用的细沟间侵蚀模型来计算工程开挖坡面土壤剥蚀率,就拟合效果而言,幂函数型坡度因子指标更适用于工程开挖坡面土壤剥蚀率的计算;采用径流流速、水流剪切力和水流功率为代表的水动力学参数来计算土壤剥蚀率,就拟合效果而言,水流功率是描述其细沟间侵蚀动力过程的最理想水力参数。研究成果可为建立工程开挖坡面水土流失量预测模型提供技术参数和依据。     

黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究

利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。     

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。     

工程堆积体坡面细沟流水力学参数特性研究

为采用水力学参数特性揭示黄土高原沟壑区工程堆积体坡面土壤侵蚀过程,开展了野外放水冲刷试验。通过组合不同流量(35、45、55L/min)、不同坡度(24°、28°、32°)的试验,对坡面沟蚀发生发展过程中的水力学参数特性进行了研究。结果表明,坡面细沟水流的平均流速与水深主要受流量控制,二者均与单宽流量呈幂函数关系,且流速随冲刷时间的持续和冲刷形态的变化呈现上下起伏—瞬时增大—稳定的波动或减小—趋于稳定的变化历程。在所有坡度和流量范围内,雷诺数Re在42.9~1 082.8之间变化,雷诺数Re随坡度的增大呈先减小后增大的抛物线趋势。由坡面流弗劳德数Fr随冲刷历时变化情况表明,坡面径流形态是由急流向缓流发展。阻力系数f在0.019~0.94之间变化,f随坡度的增加先减小后增加,且随雷诺数Re的增大而增大,二者之间呈显著的指数函数关系。粗糙系数n随雷诺数增大而增大,且其与雷诺数存在显著性的指数函数关系。研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供一定的参数,对解决生产建设项目弃土弃渣场、取土场等水土流失问题具有重要的作用。