植被影响下坡面流阻力变化特征研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45、87和127mm/h降雨强度下,20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面流阻力变化特征.结果表明,由于植被覆盖措施的阻滞作用,相对于裸地坡面,草地和灌木地坡面径流阻力系数明显增大.草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58 ～ 7.45倍和5.61 ～6.26倍.不同被覆条件下坡面平均阻力系数与降雨强度关系密切,随降雨强度的增大呈减小趋势.同时,坡面流阻力系数受到降雨强度和下垫面条件发育形态的共同影响.建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式,变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.     

坡面流水动力学特性分析

为了研究坡面流的水动力学特性,提出了考虑河床坡度以及降雨动量的坡面降雨径流计算方法,建立了基于Roe格式的坡面流水动力模型。结合相应的试验进行了模型验证,结果表明模拟值与实测值比较接近。应用该模型模拟了自然降雨条件下的坡面流运动情况,分析了坡面流流速、水深及出流断面单宽流量的变化规律,并对其影响因素进行了敏感性分析。模拟结果显示:坡面流流速、水深均随降雨强度、坡长及坡度的增大而增大,其中坡度的影响最为显著;出流断面单宽流量随降雨强度的增大而增大,随坡度的变化不显著。     

基于BP神经网络的坡面流阻力模型试验研究

通过室内人工模拟降雨试验,根据45、90、130 mm/h降雨强度下20°裸地坡面的坡面流阻力系数变化特征,以模拟降雨强度、坡面流流速、坡面流水深、坡面糙率为输入变量,坡面阻力系数为输出变量,建立了基于BP神经网络的坡面流阻力系数模型,采用遗传算法进行模型参数寻优,使用AdaBoost算法对所建模型进行优化。结果表明:BP神经网络模型能够用于坡面流阻力系数的计算,AdaBoost优化后的模型对测试集的平均预测误差为8.94%,比未优化模型的平均预测误差减小了8.96个百分点,模拟预测精度显著提高。     

流量和坡度对植被水流水动力学特性的影响

为深入揭示植被覆盖下坡面流阻力的内在规律,系统研究了植被覆盖度为32.32%时6个坡度和12个流量组合下坡面流的流动特性。结果表明:坡面流速随流量的增大而增大,该覆盖度下流态指数值接近1;坡面流从层流变化成过渡流,最后发展成紊流状态,但植被覆盖下坡面流的层流状态与明渠定义的不同;阻力系数随流量的增大而增大,流量是影响阻力的主要因素,而坡度对其影响可以忽略;阻力系数随平均水深和壅降差的增大而增大,壅降差不仅能代表水深对阻力系数的影响,而且能反映植被前壅水和后尾水旋涡的形成程度。     

坡面流阻力研究进展

坡面流阻力的研究对了解坡面流水流特性、汇流过程、土壤侵蚀和坡面产沙机理都非常重要。本文分5个方面总结了坡面流阻力研究的最新进展:(1)坡面流阻力系数与雷诺数的关系;(2)光滑床面上的坡面水流阻力;(3)粗糙床面上的坡面水流阻力;(4)降雨对坡面流阻力影响的研究;(5)坡面流阻力的计算模型。综合前人研究发现,阻力系数与雷诺数在不同的条件下呈正相关或负相关关系;用叠加法计算不同条件下的坡面流阻力有其合理的一面,也有不足之处;粗糙动床条件下的坡面水流阻力计算模型更接近实际情况。最后,本文指出了当前坡面流阻力研究存在的主要问题和未来需要突破的主攻方向。     

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。     

公路弃土场坡面产流特征及过程模拟

公路弃土场坡面径流的模拟对流域水资源评价和道路侵蚀模型的构建均具有重要意义。通过不同雨强(0.6～2.79mm/min)的人工降雨试验,对不同坡度(19.4%～78.1%)弃土场坡面及坡度为30.6%的弃土场施工道路的坡面径流过程进行了研究。结果表明:在小雨强下(0.6mm/min)径流显著受到土壤干容重及小区坡度的影响,而随雨强的增加,坡度及土壤干容重对径流的影响逐渐被降雨所覆盖。使用Green-Ampt入渗模型可以较为准确地计算公路弃土场坡面径流,模型有效系数达0.975。     

模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征研究

本研究采用模拟降雨实验的方法,研究了30、60和90 mm/h降雨强度下,5种枯落物覆盖坡面径流的水动力学特征,以期揭示枯落物覆盖条件对坡面产流产沙过程及其径流水动力学特征影响。研究结果表明:坡面平均产流率和产沙率随降雨强度增大而增大,随枯落物生物量增加而减小,并且与降雨强度和枯落物生物量之间均为指数函数关系;坡面流量-历时曲线稳定流量值主要受降雨强度的影响;产沙率-历时曲线稳定产沙率受降雨强度和枯落物生物量等多种因素的影响;枯落物覆盖对坡面径流水动力学特性有显著影响,相比于裸坡覆盖有50、100、150、200 g/m~2枯落物坡面径流平均流速相比裸坡减少率分别在17.7%、26.8%、37.9%、53.7%;雷诺数减少率分别在11.2%、18.7%、26.3%、33.4%左右;弗劳德数减少率在21.3%、30.3%、42.9%、61.2%左右,Darcy-Weisbach阻力系数增大了0.5~5.6倍;产沙率与Darcy-Weisbach阻力系数呈对数关系,与剪切力和径流功率呈线性关系,枯落物能显著增大径流临界剪切力和功率;产沙率(Dr)和各水动力学因子间有良好的相关关系,相关程度顺序为:RewVPFrft。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。     

基于ε-SVR的草灌被覆坡面流阻力模型研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值。通过人工模拟降雨试验,获取45 mm/h、90 mm/h和130 mm/h降雨强度下,20°坡面草地和灌木地的坡面流水力学参数。以模拟降雨雨强、坡面流流速、坡面流水深、坡面糙率为输入,坡面流阻力系数为输出,分别建立了草地、灌木地坡面流阻力系数ε-SVR模型,使用网格搜索和9折交叉验证进行模型参数寻优。结果表明,草地、灌木地坡面流阻力ε-SVR模型的MSE分别为0.028、0.05,模型对训练集的平均拟合误差分别为4.68%、5.39%,对测试集的平均预测误差分别为7.35%、4.65%,模型总体预测精度较高,具有较好的逼近能力和泛化能力。该研究对于完善草地、灌木地坡面流阻力计算方法,提高侵蚀预报模型的预报精度等具有一定意义。     

植被根系形态对边坡稳定性的影响分析

针对裸露边坡大量增加导致破坏自然植被、威胁边坡稳定性等问题,以植被护坡的力学效应为重点,采用的经典WU模型对植被根系附加凝聚力进行数值模拟,并在工程常用岩土软件Geo Studio的基础上建立了基于二维有限元方法的植被护坡模型。应用植被护坡模型分析了不同乔木类型以及不同边坡类型对边坡稳定性的影响,对JI模型和ZHANG模型进行模拟计算,验证了模型的可行性。结果表明:无论是直坡还是阶梯状边坡,植被根系都可以提高边坡稳定性,安全系数增量最高可达39.7%。相同附加凝聚力下,Tap型根系对安全系数的提高效果大于Plate型根系。黄土边坡平整为阶梯状后安全系数提高(刺槐坡安全系数增量为8.3%,侧柏坡为8.2%);砂土和粉土的直边坡更稳定。研究成果对植被根系护坡模拟和生态护坡基础建设具有重要的借鉴意义。     

红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

基于运动波理论建立了自然降雨下红壤坡地产流模型,应用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解,并通过实测资料对模型进行验证,结果表明计算值与实测值的相对误差最大不超过±17%,说明该模型是合理的,可以描述不同雨型下不同水土保持措施的红壤坡地产流规律。将试验实测的降雨过程输入到本文建立的模型中计算,得到不同雨型下的产流过程。分析表明:百喜草覆盖与敷盖措施的起始产流时间明显滞后于裸露地,而洪峰流量也明显小于裸露地,说明百喜草覆盖与敷盖措施都有明显的削峰滞流作用。     

不同降雨强度和下垫面条件对黑土区坡面产流产沙的影响

为了优选合适的东北黑土区堤防坡面侵蚀防控技术,基于人工模拟降雨的方法研究了不同降雨强度和下垫面条件下坡面的产流产沙特征,利用三维激光扫描仪对降雨后的坡面侵蚀形态进行监测,分析坡面土壤的侵蚀情况。结果表明,降雨强度增大,坡面的初始产流时间提前,产流率随降雨历时波动更加显著。在不同降雨强度下,植被措施使平均产流率降低7.4%～20.4%,在裸地上施加PAM(聚丙烯酰胺)使平均产流率增大6.8%～25.9%。随降雨强度增大,下垫面L1(裸地)和下垫面L2(均匀撒施5 g/m~2 PAM的裸地)的产沙率随降雨历时波动更加显著,其产沙率变化规律可以用幂函数进行描述。下垫面L1的总产沙量相比下垫面L2增幅明显,在裸坡上施加PAM能够减少总产沙量,起到固土效果。草地坡面在降雨过程中未出现产沙情况,裸地坡面的侵蚀形态主要表现为溅蚀和片蚀特征,施加PAM使得侵蚀严重区域的面积相较裸地减小了21.5%,能够起到一定侵蚀控制的效果。总体来看,草地坡面的保水固土效果要优于裸地坡面。在坡面上施加PAM使得土壤入渗能力减弱,但能减少侵蚀产沙,在实际工程中有应用价值。     

红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

本文采用一维运动波理论建立了自然降雨下红壤坡地产流模型，应用Preissmann隐式格式对模型进行了数值求解，通过实测资料进行验证，计算值与实测值的相对误差最大不超过17%，说明该模型是合理的，可以描述不同雨型下不同水土保持措施的红壤坡地产流规律。将试验实测的降雨过程输入到本文建立的模型中计算，得到不同雨型下的产流过程。通过分析表明：百喜草覆盖与敷盖措施的起始产流时间明显滞后于裸露地，而洪峰流量也明显小于裸露地，说明百喜草覆盖与敷盖措施都有明显的削峰滞后作用。     

The experimental study of hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with three-dimensional Geomat

The hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with a three-dimensional Geomat are studied for different rainfall intensities and slope gradients. The rainfall intensity is adjusted in the rainfall simulation system. It is shown that the velocity of the overland flow has a strong positive correlation with the slope length and the rainfall intensity, the scour depth decreases with the increase of the slope gradient for a given rainfall intensity, and the scour depth increases with the increase of the rainfall intensity for a given slope gradient, the overland flow starts with a transitional flow on the top and finishes with a turbulent flow on the bottom on the slope with the three-dimensional Geomat for different rainfall intensities and slope gradients, the resistance coefficient and the turbulent flow Reynolds number are in positively related logarithmic functions, the resistance coefficient and the slope gradient are in positively related power functions, and the trend becomes leveled with the increase of the rainfall intensity. This study provides some important theoretical insight for further studies of the hydrodynamic process of the erosion on the slope surface with a three-dimensional Geomat.     

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

Experimental Study on Slope Runoff,Erosion and Sediment under Different Vegetation Types

The relationships between precipitation, vegetation and erosion are important yet unresolved issues in the field of earth surface processes. Vegetation plays an important role in controlling soil erosion. Through field simulated rainfall experiments, we analyzed the characteristics, regulation of, and correlation among the slope rainfall-infiltration-runoff, erosion and sediment under different vegetation types. The results showed that the forest effectively improved soil structure, had stronger runoff and sediment regulation and was influenced less by rainfall intensity than those under other vegetative conditions. In addition, the efficiency and pattern of the regulation of runoff and sediment varied with vegetation types as did the mechanism of action. The soil and water conservation function of forest was water storage and sediment reduction by plant root systems to reduce erosion power, increase infiltration, decrease runoff and reduce flow speed. The function of grassland was direct sediment interception based on surface vegetation canopy for runoff and sediment regulation. The root contribution to runoff and sediment reduction was relatively greater than the shoot contribution under forest conditions, whereas, the effect of shoots and roots on soil loss was almost equivalent under grassland conditions. The different spatial structures of vegetation affected runoff and sediment regulation in different ways, and plant root systems were crucial for soil and water conservation. The cumulative sediment yield of the slopes increased as a statistically significant power function of cumulative runoff. The coefficient and curve shape of function were dependent on vegetation type, soil properties, rainfall intensity and surface roughness. The process of slope runoff and sediment was divided into development, active and stable stages. These stages correlated with each other to constitute a complete rainfall-runoff and erosion-sediment process, which exhibited their own features at each stage. This study furthers understanding of the relationships between vegetation, soil erosion and precipitation.     

粗糙度对坡面侵蚀及泥沙分选性影响试验研究

为进一步揭示土壤侵蚀的内在规律,以某一试验小区为例,通过模拟不同地表粗糙度,分析了不同雨强条件下的坡面侵蚀产沙及泥沙颗粒粒径变化特征。结果表明:相同雨强和降雨历时下,粗糙度对坡面径流率、水流功率、径流含沙量和产沙率有显著影响;侵蚀泥沙的搬运形式与雨强和粗糙度均有关,而不同泥沙颗粒搬运方式是引起不同粗糙度坡面侵蚀产沙分异的重要原因。因此,坡面侵蚀产沙模型中应综合考虑地表粗糙度和泥沙粒径信息。研究成果可为水土保持规划设计和水土保持措施优化配置提供一定依据。     

坡面产流过程及产沙临界对立地条件的响应关系

利用人工模拟降雨试验，以黄土高原黄土丘陵沟壑区第三副区黄土为模拟对象，依据45、90mm/h和130mm/h降雨强度下共计18个试验组次观测资料，定量研究了裸地、草地和灌木地三种立地条件20°陡坡产流过程及其产沙临界的响应关系。研究表明，高强度降雨条件下，草地和灌木地的减流作用会降低；裸地径流过程具有明显的起涨阶段，而草地和灌木地的起涨阶段不明显，对洪水过程具有消波调控作用，同时草地产流量受下渗率的影响比灌木地的大；裸地下渗率比草地和灌木地的明显为小，且其过程波动性强；三种立地条件的初渗率与稳渗率之差以裸地的最大，草地的最小，而且，产流与入渗的关系对降雨的响应是非线性的；断面比能参数可表征为产沙的主导因子，裸地、草地和灌木地的临界断面比能分别为0.074、0.11cm 和0.13cm。该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理，为生态修复工程建设提供科学依据具有重要科学意义。