坡面水蝕輸沙動力過程試驗研究.pdf

1、坡面侵蝕是水力侵蝕的重要組成部分,其發(fā)生發(fā)展過程是土壤侵蝕動力機制研究的核心內(nèi)容,也是水土流失防治和土壤侵蝕物理模型建立的關(guān)鍵所在。本研究針對坡面徑流分散、剝離、輸移和沉積過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),采用變坡土槽放水沖刷試驗方法,結(jié)合稀土元素(REE)復合示蹤技術(shù)和坡面流速、徑流寬、水沙等的觀測,運用灰色關(guān)聯(lián)和回歸分析等方法,系統(tǒng)地分析了坡面侵蝕動力與侵蝕產(chǎn)沙的時空變化規(guī)律,闡明了坡面侵蝕產(chǎn)沙與水蝕動力因子之間的動態(tài)響應過程,揭示了土壤剝蝕率與沿程

2、水蝕動力參數(shù)及含沙量之間的動態(tài)響應關(guān)系,建立了坡面土壤剝蝕率的計算模型。主要取得了如下結(jié)論： (1) 闡明了徑流沖刷條件下主要水蝕動力參數(shù)和坡面侵蝕產(chǎn)沙特征的時空變化規(guī)律。在放水沖刷試驗條件下,坡面水流流態(tài)特征和動力特征表現(xiàn)為：坡面徑流沿程雷諾數(shù)、水流剪切力和水流功率逐漸減少；沿程佛汝德數(shù)和流速逐漸增加；徑流剪切力和徑流功率隨時間增加有增大的趨勢；其侵蝕產(chǎn)沙特征表現(xiàn)為坡面上部土壤侵蝕最為劇烈,是坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要來源。從坡上到坡

3、下,各坡段產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的百分比急劇減少；產(chǎn)沙量沿土層深度方向越來越小；不同坡度和流量條件下產(chǎn)沙量在開始的1-2min內(nèi)便達到最大值,隨著時間的推移逐漸減少。 (2) 建立了試驗條件下坡面徑流產(chǎn)沙的計算模型根據(jù)兩坡段徑流沖刷試驗和REE示蹤的結(jié)果,運用灰色關(guān)聯(lián)和多元回歸分析方法,分析了各坡段產(chǎn)沙量和水蝕因子之間的關(guān)系,結(jié)果表明：就單個因子對產(chǎn)沙量的影響而言,水流功率對產(chǎn)沙量影響最大；對多個因子組合對產(chǎn)沙量的影響時發(fā)現(xiàn),流量和坡

4、度組合對產(chǎn)沙量影響最大,據(jù)此建立了坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙量與坡度和放水流量的冪函數(shù)關(guān)系模型(W1=aSbQc,a,b,c為系數(shù)),這為分坡段侵蝕產(chǎn)沙計算提供工具。 (3)建立了坡面不同空間部位徑流含沙量與主要水動力參數(shù)的相關(guān)關(guān)系根據(jù)兩坡段徑流沖刷試驗和REE示蹤的結(jié)果,對不同坡段徑流含沙量時空變化規(guī)律的分析結(jié)果表明：各坡段的徑流含沙量隨時間的增加呈下降的趨勢,沿程徑流含沙量逐漸增加。通過對不同坡段徑流含沙量與佛汝德數(shù)和相對重力作用(a

5、ωs/V)的分析,建立了各坡段坡面徑流含沙量與佛汝德數(shù)和相對重力作用的冪函數(shù)關(guān)系式(Sw=K(aωs/V)a(V2/gR)b,K,a,b為系數(shù)) 。 (4)揭示了土壤剝蝕率隨水流含沙量變化的特征根據(jù)兩坡段徑流沖刷試驗和REE示蹤的結(jié)果可以看出,同一坡度和流量條件下,各坡段土壤剝蝕率隨水流含沙量線性增加,不同坡度和流量條件下,各坡段土壤剝蝕率與水流含沙量呈冪函數(shù)關(guān)系(Dr=aSβw,α、β為系數(shù))。 (5)揭示了土壤剝蝕率

6、隨水蝕動力和水流輸沙能力非線性變化的特征根據(jù)兩坡段徑流沖刷試驗和REE示蹤的結(jié)果,通過對不同坡度、不同流量的土壤剝蝕率Dr與有效剪切力(τ-τc)和輸沙率和挾沙力比值(qSw/Tc)之間關(guān)系的分析,發(fā)現(xiàn)當坡度為小于21°時,土壤剝蝕率Dr與有效剪切力和輸沙率和挾沙力比值之間線性相關(guān)顯著；而當坡度大于21°時,土壤剝蝕率與有效剪切力和輸沙率和挾沙力比值之間存在冪函數(shù)關(guān)系(Dr=0.011(τ-τc)0.161｜1-qSw/Tc｜-11.0

7、2,R2=0.752),從以上分析可知,在試驗坡度范圍內(nèi),坡度為21°是侵蝕產(chǎn)沙的臨界坡度。 (6)建立了計算土壤剝蝕率的經(jīng)驗模型根據(jù)一個坡段徑流沖刷試驗結(jié)果表明,土壤剝蝕率受水流剪切力、水流功率、單位水流功率和單寬能耗因素的影響,運用灰色關(guān)聯(lián)方法對土壤剝蝕率與水蝕因子關(guān)系進行了分析,分析結(jié)果表明：在坡度相同的條件下,土壤剝蝕率隨單寬能耗線性增加(Dr=6.95(ΔE耗-1.45),R2=0.91);在流量相同的條件下,水流剪切