坡面侵蚀性降雨径流水动力学特性及其对输沙的影响

【摘要】坡面侵蚀性降雨径流水动力学特性及侵蚀机理是水力侵蚀动力学学科研究的基础，也是研究侵蚀动力、能量来源的重要内容。本研究针对坡面径流在流速分布、流型判定、阻力计算及侵蚀动力学机理等方面存在的问题，基于流体动力学、泥沙运动力学、土壤侵蚀学、水文学等相关理论，通过定床加糙坡面、动床坡面、不同牧草结构坡面模拟试验，系统研究了坡面侵蚀性降雨径流的水动力学特性及其对输沙的影响。此研究对侵蚀过程预报和坡面水土流失控制具有重要的理论意义和应用前景。取得的主要成果如下：（1）分析了地表糙度和含沙量对坡面薄层径流流速分布的影响，揭示了能够反映坡面侵蚀径流能量耗散的卡门常数与明渠流的区别，并阐明了其垂线流速分布规律。定床加糙及动床模拟试验表明坡面侵蚀径流不同流层之间明显存在质点交换，流型为紊流。以此为依据，通过概化坡面径流侵蚀模式，引入普朗特掺混长度理论，给出了坡面径流的垂线流速分布公式。初步验证结果表明坡面侵蚀径流垂向流速符合对数分布，其卡门常数小于明渠流对应值。采用表层流速为参考流速所得的流速分布公式能够满足日常计算的精度要求，且弥补了目前采用径流量反算平均流速在理论与实践方面的缺陷。地表糙度及含沙量S对坡面径流流速分布有显著影响。卡门常数k随地表糙度增加而增大，说明糙度影响坡面径流紊动掺混长度，紊动的增加促使侵蚀径流垂向分布趋于均匀化。坡面越粗糙，横向流速分布也越均匀。随S增加，卡门常数k先减小后增大，临界含沙量为300kg/m3，但均小于清水对应值，说明含沙水流垂向分布不如清水均匀。（2）探讨了地表糙度和含沙量对坡面薄层径流阻力特性的影响，阐明了坡面含沙水流滚波的演变规律。采用阻力分割法将粗糙坡面阻力分为颗粒阻力和绕流阻力，绕流阻力约占总阻力的78%，是阻力的主要构成部分，相对水深是计算总阻力和绕流阻力的关键参数。含沙量对坡面流阻力的影响存在临界含沙量S=300kg/m3，低于此含沙量，含沙水流阻力系数大于清水，相反则小于清水。随S增加，坡面流滚波频率及波速逐渐减小，而波长及形成滚波的临界坡长则逐渐增大，表明水流中的泥沙抑制滚波的产生和聚合，不利于坡面流的进一步侵蚀输沙。给出了坡面含沙水流滚波消失的临界条件。（3）揭示了坡面降雨径流水动力学特性对坡面侵蚀形态的影响，并提出了沟相关系的概念。基于自然流域存在特定坡面、特定汇流条件下形成特定侵蚀形态这个事实，为了研究坡面侵蚀形态与坡面本身特性及来水来沙的关系，提出了侵蚀沟相关系的概念，即特定的坡面在特定上游来水和降雨条件下将形成特定的侵蚀沟形态，而这些侵蚀形态表征参数如沟宽、水深和比降与坡面本身特性及水沙关系相关。在此基础上，给出了判定坡面不同侵蚀形态的指标及判别标准：最优指标为宽深比参数ζ，细沟、浅沟和切沟适宜ζ范围分别为5~15、2~5及0.2~1.5；其次为断面水力几何形态指数，细沟的形态指数1、2和3为0.3、0.4和0.3，浅沟和切沟为0.4、0.4和0.2，冲沟为0.5、0.4和0.1；第三为坡面径流水动力学参数，随坡面侵蚀形态逐步发展，其对应的径流Re逐渐增大，阻力系数逐渐减小，Fr也呈增加趋势，且所有侵蚀形态下的径流均为急流流态。（4）建立了适用于降雨条件下坡面薄层流的非粘性泥沙起动流速公式，并分析了降雨对泥沙起动的影响。基于动量守恒原理，导出了雨滴对坡面泥沙颗粒作用力的数学表达，采用滑动起动模式，给出了该公式。公式物理意义明确，结构合理。公式表明降雨可促进坡面泥沙起动，其作用大小主要与雨强、泥沙粒径及水深与雨滴直径比(h/dy)有关。雨强越大，泥沙越易起动，而粒径或h/dy越大，降雨的影响则越小。将公式应用于坡面降雨径流输沙能力计算，计算值与实测值吻合较好。将该公式应用到黄土高原坡面泥沙起动流速计算时应考虑土壤粘聚力的影响。（5）初步探索了坡面侵蚀径流的阻力统一规律，并给出了一种能够反映不同土地利用方式坡面产流输沙时空变化的耦合模型。基于不同下垫面模拟试验和资料收集，对坡面侵蚀径流的阻力进行初步统一，将其划分为四种不同的阻力分区。以此为基础，建立了该模型，模型计算简单，参数较少，且能满足精度要求。利用该模型对黄土高原不同坡面水沙输移特征进行模拟，发现典型降雨下，5年树龄以上的林地和覆盖度60%以上的草地坡面标准小区基本不再发生侵蚀；十年一遇降雨下，10年树龄以上的林地坡面土壤侵蚀基本得到控制，草地调控坡面水沙的能力有限，裸坡更差。
【作者】赵春红；
【导师】高建恩；
【作者基本信息】西北农林科技大学，水土保持与荒漠化防治，2014，博士
【关键词】降雨径流；流速分布；阻力特性；侵蚀输沙；黄土高原；

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