二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。     

坡面薄层流的数值模拟及在坡面流侵蚀研究中的应用

本文依据坡面薄层水流的动力波方程，由水沙动力学原理出发建立坡面细沟流侵蚀过程的模拟方法。采用动力波模式(一维非恒定流方程组)计算了坡度变化时不同细沟宽度下的细沟沟内流速，根据数值计算得到了细沟流动的Re数，以及相同净雨强和坡长下能够使细沟流速达到最大的坡度。依据泥沙运动力学的原理分析了这些结果在坡面流侵蚀过程中的意义。模拟结果表明，细沟扩宽过程对坡度和坡面表土临界起动流速的变化十分敏感。当细沟扩宽侵蚀在小区片蚀中占主要成分时，小区的片蚀总量常表现出与坡度和表层土使用方式的明显关系。     

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。     

坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究

本文采用运动波理论和两次改进后的Green-Ampt入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资料的良好验证。运用该模型研究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律，分析了雨强，土壤初始含水量，渗透系数，坡面阻力，以及坡长，坡度等因素对坡面产流过程的影响规律，得出了一些有益的结论。     

透水坡面降雨径流过程的运动波近似解析解

本文从坡面流运动波理论的基本方程出发，利用运动波特征线法和分级叠加法，推导出了实验条件下考虑净雨强随时间变化的坡面流运动波方程近似解析解。用实验实测资料对模拟计算结果进行了验证。结果表明，坡面漫流过程的模拟计算结果与实测资料符合良好。     

细沟作为坡面水土流失红线监测标志可行性探讨

水土流失红线为计入水土流失面积的土壤流失量控制线,容许土壤流失量是水土流失红线特征值,但缺乏水土流失红线监测的指示标志。解决水土流失监测对象问题是水土流失红线研究的首要任务。细沟是水力侵蚀作用下在坡面上产生的一种小沟槽地形,细沟形成是坡面水土流失由轻微转向强烈的最明显标志。根据细沟形态特征、侵蚀特点和发育条件,论证了细沟作为坡面水土流失红线监测标志的可行性,即细沟不仅具备坡面水土流失监测对象的条件,还可作为坡面容许土壤流失量判别的标志,而且可作为坡面水土流失治理效果评估的重要指标,更是坡面水系工程布局的依据。     

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。     

基于一维运动波理论的坡面汇流和沟道汇流数学模型研究

一维运动波理论常用于坡面汇流和沟道汇流的模拟,根据坡面汇流和沟道汇流的特点,采用不同形式的运动波控制方程组来分别描述坡面汇流和沟道汇流过程。采用Mac Cormack格式开发了坡面汇流模型,采用线性离散和非线性离散的显式有限差分格式开发了沟道汇流模型,通过3个典型的算例对各模型进行了验证。验证结果表明,开发的沟道汇流模型是成功的;空间步长的尺度对数值解精度有较大影响,步长越小,数值解精度越高;在沟道汇流模型中,线性求解和迭代求解两种方法的计算结果基本一致。     

西南陡坡山区坡面产流输沙动力学特性

利用运动波理论近似模拟陡坡山区坡面流,导出其坡面流基本方程,根据净雨历时与汇流平衡时间的关系,得到了不同净雨历时的坡面流近似解。假定在恒定雨强条件下,根据坡面汇流理论,提出了坡面雨滴溅蚀有效坡段概念,分析坡面流输沙受雨滴溅蚀作用和径流冲刷作用的主次关系,确定了Guy坡面流输沙能力公式的应用范围。     

地表条件对坡面产流的影响

本文将复杂地表条件对坡面流运动的影响概化为阻力的变化，运用运动波理论和修正的Green-Ampt入渗模型，建立了能够反映地表条件影响的坡面降雨入渗产流模型，数值结果与实验符合较好，运用该模型分析了植被、地形、坡长、坡度等地表条件对坡面产流过程的影响。     

坡地侵蚀平面形态的研究

伴随着坡面上产流、产沙过程，坡面形态亦在经历一个迅速变化的过程。本文利用随机理论和分形几何学方法，对坡地侵蚀实验资料进行分析，以坡面细沟密度指标及沟系分维数对坡地侵蚀的平面形态进行了定量描述。为研究坡地侵蚀程度提供了一种新的判定方法。     

降雨过程中黄土坡面微地形因子与侵蚀关系研究

以断续降雨过程中不同阶段的黄土坡面栅格单元地形信息为研究对象,通过12段30 min、 60 mm/h雨强的降雨进行模拟降雨试验,对微坡度、微坡向与黄土坡面侵蚀过程、细沟形态演变的相互影响进行研究。研究结果表明：坡面微坡度与微坡向的变化主要集中在降雨初始阶段(0～30 min),后续阶段(30～360 min)变化幅度较小,微坡度和微坡向变化与坡面时段侵蚀量显著正相关。细沟网络形成后,微坡度<15°区间和45°以上区间栅格占比缓慢上升,且主要产生于细沟内部,细沟内部在发育过程中会产生泥沙堆积的平台和坡度较大的陡坎。细沟的发育过程是细沟内径流的剥蚀和边壁不稳定土体的坍塌共同作用的非均匀发育过程,径流的剥蚀和土体的坍塌互相促进,加速了细沟的发育过程,从而造成了侵蚀量的波动。细沟侵蚀过程中坡面微坡向以坡面坡向为主导,坡面坡向栅格占比在30 min后保持不变,而细沟总表面积逐渐增加,说明微坡向与坡面同向的细沟栅格数增加。细沟会产生有一定宽度的沟底,沟道的横截面由“V”形向“U”形过渡。除北向外,其余微坡向栅格数变化与细沟密度、细沟割裂度、细沟复杂度、细沟累计长度和细沟平均宽度显著相关,微...     

河段汇流及抵偿河长的计算与分析

地表径流的汇流包括坡面汇流及河网汇流两个阶段,总称为流域汇流。坡面汇流是分析净雨经过坡面调蓄如何进入河网的,实质上就是将净雨在时程上进行初次再分配后输送补给河网,它是流域中净雨汇集并注入河网的必然过程。河网汇流是经河网的调蓄作用,再次将净雨进行分配后到达流域出口断面的过程,它是水流运动在新条件下的继续,也是聚集坡面水流运动后所导致的必然结果。小流域坡面汇流对出口断面的径流过程起主导作用,故解决小流域汇流问题是以研究坡面汇流为基础的。坡面汇流引起的径流,在时程上的初次分配对出口断面的径流过程     

典型红壤区输变电工程堆积体边坡细沟侵蚀特征

为科学治理典型红壤区输变电工程堆积体水土流失问题,采用室内人工模拟降雨试验,设计了雨强(2、2.5、3 mm/min)和坡度(10°、15°)2个处理方式,研究了红壤堆积体坡面土壤侵蚀过程,分析了雨强、坡度、侵蚀产沙特征以及细沟形态特征参数(密度、割裂度、复杂度和宽深比)之间的关系。结果表明：不同雨强红壤堆积体坡面产流量随降雨历时的增加而增大,入渗率和输沙量随降雨历时的增加呈减小趋势;细沟密度、细沟割裂度、细沟复杂度和细沟宽深比分别为0.77～1.35 m/m²、0.04～0.08、0.93～1.40、1.01～2.39;细沟宽深比随着雨强和坡度的增大而减小,细沟密度、割裂度以及复杂度的变化与之相反。细沟形态特性指标与坡面侵蚀速率之间的相关性排序为：细沟复杂度>细沟割裂度>细沟密度>细沟宽深比。研究成果可为典型红壤区输变电工程水土流失防治提供技术参数和依据。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

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。     

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。     

黄土地区流域产沙的数学模型

泥沙及污染物质在自然界搬运、输移,主要依靠运动水流冲刷、挟带来完成.在坡面上一场降雨以薄层漫流形式汇集到沟壑,其流量集中,单位水体侵蚀、挟沙能力迅速增大.本文为了描述象这样的黄土地区径流形成过程中两种不同形式,首先将流域分为面蚀区和重力侵蚀区,然后直接应用干旱地区流域水文模型计算的净雨过程覆盖在坡面面蚀区域上,建立了在坡面层状漫流过程中它所形成的泥沙层状剥蚀、推移质运动方程以及地表流汇集到沟壑河网后,穿过重力侵蚀区的沟蚀悬移质运动方程.本文在这里指出流域产沙主要是由这两种方式引起的. 最后结合岔巴沟流域产沙计算的例子,本文总结了流域下垫面因素对流域产沙量的影响.