坡面细沟侵蚀形态演变与量化研究评述

坡面细沟形态是一个降雨驱动下侵蚀产沙的微地形动态响应系统,这一地形因素体现着坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用,是基于物理过程的水蚀预报模型的关键部分。要建立具有物理意义的坡面侵蚀产流产沙预报模型,就必须从地形角度对细沟形态及其演化过程进行深入研究。评述了近年来国内外在坡面细沟形态演变与量化领域的相关研究成果,从理论研究和观测方法两方面剖析了制约研究发展的因素,提出了推动该研究发展的对策,即:构建细沟形态量化参数评价标准,从建立"状态+时间"综合量化模式入手,以坡面细沟形态为切入点,研究一个连续降雨过程中细沟形态的发育过程与降雨侵蚀产沙过程的关系,定量揭示坡面侵蚀响应规律。     

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。     

黄土坡面细沟侵蚀中的水流阻力规律研究

运用原型模拟径流冲刷实验，研究了黄土坡面侵蚀过程水流阻力的变化规律。坡度的这种作用在很大程度上是通过径流刷形成的侵蚀形态特征不同来体现的。     

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。     

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。     

坡面水蚀过程与地形演变关系试验研究

采用径流冲刷试验的方式对坡面水蚀过程进行研究,记录了在不同坡度和不同冲刷流量工况下坡面侵蚀量、侵蚀沟宽和溯源速度的变化。结合坡面侵蚀沟头溯源速度、断面侵蚀沟宽度等的变化曲线,分析了水蚀过程中坡面侵蚀量与地形形态变化的关系。结果表明:流量和坡度是水蚀过程的动力因素;溯源速度、沟壁的坍塌展宽及细沟的横向合并是导致坡面侵蚀量出现波动、峰值大小以及出现时间早晚的根本原因;坡面侵蚀方式与地形演变过程有着密切的关系。     

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。     

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。     

侵蚀细沟水力学特性及细沟侵蚀与形态特征的试验研究

本文进行了一系列水槽试验，研究不同长度的侵蚀细沟在坡度及入流量影响下的浅水水流水力学特性、侵蚀量及细沟的形态特征。所采用的土壤材料为砂壤土，试验使用四种入流流量，四种坡度，四种细沟长度。记录水流速度、沟宽及径流中的泥沙含量，并用多元回归方法分析了它们与坡度、入流量或它们的交互项之间的关系。提出了一种数学模型来描述试验中沟宽的周期性形态变化。提出了通过试验得出的不同细沟长度的产沙量来确定水流输沙能力的方法，并得出出测定输沙能力的采样长度为2～4m,通过对细沟形态变化分析进一步说明了所确定的水流输沙能力采样长度的正确性。     

基于自组织理论的黄土坡面细沟形成机理模型

作为面蚀向沟蚀转化的特殊阶段，细沟侵蚀在坡面侵蚀机理的研究中有着重要的意义。本文在对坡面侵蚀特点进行分析的基础上，应用自组织理论的基本思想建立了描述黄土坡面细沟形成和发育过程的模拟模型。分析表明，坡地侵蚀过程中降雨及微地貌对应于自组织系统中的无序输入，而纹沟、细沟和沟网等对应于自组织系统的有序输出。基于自组织理论的机理模型可以定量地预测坡面细沟发育的过程，而这些信息在过去只能依靠实验观测获得。模型预测与相同输入条件下的室内实验结果相近，从而说明了模型的合理性。本模型中未计入雨滴击溅的影响，这一影响也在计算结果中得到了反映。文中还对模型中参数选择的影响进行了讨论。     

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。     

关中平原区细沟水流侵蚀产沙研究

为了研究关中平原区坡面细沟侵蚀过程,利用定水头冲刷试验,系统研究了6个坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°)、5个流量(8L/min、16L/min、24L/min、32L/min、40L/min)工况下的细沟水流含沙量及其与各水动力学间的耦合关系。结果表明:不同流量和坡度下,细沟断面流速随细沟断面的增加而呈波动性增加。断面流速与流量及断面呈显著性相关,而与坡度和平均含沙量相关性不大;不同流量和坡度条件下,含沙量随冲刷历时的增加,先急剧降低,然后呈微小波动趋势,最终归于稳定。含沙量与流量和坡度呈显著幂函数关系增加;挟沙饱和系数K变化范围为10.17~295.66,对应的不淤保证率约为73%。K随流量和坡度的增大逐渐增加,但增加的趋势逐渐减缓。由此可知,挟沙水流的剥蚀能力是有限度的。     

多沙粗沙区细沟流水动力学试验研究

为探求多沙粗沙区沙黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的水动力学特性,研究了3种坡度(3°、9°、15°)、5种流量(2.4L/min、3.6L/min、4.8L/min、6.0L/min、7.2L/min)组合冲刷试验的坡面细沟水力要素的变化规律。结果表明,沙黄土细沟水流平均流速和放水流量与水力坡度间存在幂函数关系;试验床面形态属于动平床过渡区,土壤黏粒含量愈大,沟床愈趋向于低能态区延伸,随着中值粒径的增加水流愈向高能态区发展。弗劳德数变化在0.96~1.30之间,水流流态多属于急流;雷诺数主要在307~1 465之间变化,属于过渡区范畴;阻力系数与雷诺数之间并无显著关系,主要与床面中值粒径或者黏粒含量有关,与明渠水流中紊流粗糙区的阻力特征比较类似,根据阻力特征分析,含沙水流已进入阻力平方区。     

黄土丘陵区坡面薄层水流侵蚀动力机制实验研究

根据人工模拟降雨试验，研究了黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀水动力过程。结果表明：薄层水流的流速～流量、阻力系数～雷诺数及弗罗德数～雷诺数等3种关系均呈幂函数形式，除阻力系数～雷诺数关系递减外，其余均呈递增。降雨所形成的坡面流属过渡流和紊流，坡面流在时空分布上是非稳定和非均匀的，是在下垫面和降雨影响下严重受扰的扰动流，且具有急流的特点。薄层水流的这种流态特征是侵蚀形成的动力原因。分析了径流量与坡度、雨强，产沙量与坡度、雨强及径流量之间的关系，对深入揭示坡面侵蚀产沙规律有重要的意义。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

黄土坡面侵蚀产沙沿程变化的模拟试验研究

坡面侵蚀产沙的沿程分布规律研究是认识土壤侵蚀规律，进行有效水土保持的理论基础。为了揭示坡面侵蚀产沙的铅程分布规律以及不同坡长下细沟的发育规律。我们进行了不同坡长（2.5,5,7.5,10m)和不同雨强（0.72,1.16,1.4,2.0,2.4mm/min)的室内模拟降雨实验。结果表明，在实验条件下，黄土坡面侵蚀产沙从坡顶向下依次增大，但在不同雨强条件下变化趋势有所差异。当雨强小于2mm/min时，坡面侵蚀在5-7.5m坡段急剧增加；雨强大于2mm/min时，发生急剧变化的坡段上移至2.5/5m。上方来水是影响坡面侵蚀产沙的重要原因。短坡条件下，坡面侵蚀量与上方来水量成直线关系。细沟密度是描述细沟发育程度较好的指标。其大小随雨强以及坡长呈线性增加。     

黄土区陡坡径流水动力学特性试验研究

通过黄土水槽冲刷试验，初步研究了黄土区坡面径流的水动力学特性。陡坡径流的流态属于急紊流，且具有时空分异特征。随着坡度的增加，径流雷诺数Re和Darcy-Weisbach阻力系数f均呈先增后减的抛物线趋势。f与Re之间存在幂函数正相关关系，而f与弗劳德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系。