黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究201311305101942609.docVIP

黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究 1?前言 　　随着对侵蚀机理研究的不断深入及计算机技术的不断发展，以土壤侵蚀发生过程为基础、具有明确物理意义的侵蚀预报模型得到了很大的发展。这类模型以泥沙运动力学及河床演变理论为依据，通过分析侵蚀发生过程中各因子间的力学关系，用较为严密的控制方程计算土壤侵蚀量。由于在坡面侵蚀过程中，细沟侵蚀与面状侵蚀是具有不同机理及发生过程的两种侵蚀方式，因此，以过程为基础的预报模型都将细沟侵蚀与面状侵蚀区别开来加以预报[1，2]。要对坡面细沟侵蚀作出合理的预报，必须解决以下三个方面的问题：(1)细沟在坡面的分布特征，(2)降雨产流发生过程中径流量在每个细沟中的分配，(3)各个不同形态的细沟的侵蚀产沙特征及其侵蚀量多少。其中，最后一个问题是建立细沟侵蚀物理模型的关键。为了达到这一目的，必须深入地研究坡面细沟的水动力学特征。然而，目前关于细沟流的水动力学特征还了解的不多，除了国外有关缓坡条件下的一些实验结果的报道外，关于黄土坡面上细沟的水动力学特性的有关研究报道还很少。本研究通过室内径流冲刷实验，对发育于黄土坡面上的细沟水力学特征及其相互关系进行了研究。 2?细沟水力要素的观测计算 　　细沟侵蚀是径流汇集后发生的侵蚀过程，其水流运动方式已经有别于坡面漫流而类似于河流，只是坡面细沟流的沟床比降较大，径流深较小，及其形态演化较为迅速而已。因此，在目前还没有成熟的坡面流理论之时，可以借鉴河流动力学的原理和方法，用其相应的有关公式来计算研究细沟的水动力学特征。径流深、过水断面宽度、径流平均流速、雷诺数、弗氏数以及阻力系数等水力要素是反映水流动力学特征的主要指标，可以用相应的水力学公式对细沟流的上述水力要素进行计算或测定。 Darcy weisbach阻力系数由公式计算 f=8gRJ/U2 (1) 式中?f是Darcy weisbach糙度系数；g是重力加速度；R为水力半径，R=A/P,A为过水断面面积，P为湿周。J为水面能波，U为水流平均流速。 无量纲参数雷诺数及弗氏数也可用来表征细沟流紊动性程度和流态 Re=Uh/v (2) Fr=U (3) Re为雷诺数，Fr为水流弗罗德数，U为细沟断面平均流速，h为断面平均径流深，v是水动粘性系数。g是重力加速度。 　　曼宁糙率系数用曼宁公式计算 U=(1/n)·R2/3J1/2 (4) n=(R2/3J1/2)/U (5) n曼宁糙率系数。R为水力半径，在宽深比较大时可用径流深代替。J为水流能坡，在细沟底坡较大时可近似的用地表坡度代替。U为径流的平均速度。 　　过水断面宽度是根据量测的细沟横断面形态数据而建立的细沟断面上不同深度与相应深度处的断面宽度的关系，经验关系式(6)计算过水断面宽度 B=6.148h0.431 (6) 式中?B为过水断面宽度，cm，h为径流深，cm。 　　径流平均流速不仅是主要的水力学参数，而且也是计算其他许多水力要素所必须知道的参数。试验中用染色法测定了径流平均流速。其方法是多次测定径流流经固定细沟区间的时间，用式U=1/m·∑L/ti计算平均径流流速。m为测验定次数，L为测验定段的细沟长短度，ti为径流流经测定段所需时间。 　　水深是反映水力特征的重要因子。试验中用淤积地形测定仪测定计算了细沟中平均径流深。其方法是多次测定不同细沟断面处的径流深，用式h=1/m·∑hi计算平均径流深。?m为测定次数，hi为每次测定的径流深。 3?试验程序及方法 　　据前人的研究[3]，坡面细沟侵蚀主要受制于细沟中水流的特征及土壤性质，受雨滴打击的影响很小。一场暴雨过程中，自然坡面上发育的细沟，其深宽因分布的部位、土质条件以及降雨强弱的不同，其规模在尺度上变化很大，但其宽度一般为几厘米到几十厘米不等，深度大多也不超过二十厘米(黄土坡面上梨底层的深度)。因此，细沟侵蚀过程可以通过水流冲刷槽试验来模拟，细沟流的水力学特征及其之间的相互关系也就可以通过水流冲刷试验来研究。 　　本试验在宽为50cm，长500cm，深70cm的可调坡钢制冲刷槽内进行。在装填实验土之前，先在实验槽中铺填30cm厚的天然沙，以保持实验土的透水状况接近天然坡面。然后，现场采集的土样经过筛选后，把通过2cm孔径的土样填入试验槽，填土过程中边填边用力压实，然后再将表层20cm左右翻松以模拟耕作层，填土完成后试验槽土壤表层的干容重为1.17g/cm3。供水设备采用定水头控制流量，从试验槽上端按设计要求加注不同的流量。为了保证每次试验的初始条件一致，试验开始前先均匀地在试验土表面撒水，撒水量控制在能使土壤表面充分饱和，但又未发生产流的程度。试验开始后，仔细观察径流冲刷过程，把握细沟形成时刻，一但细沟形成，使用染色法测定细沟中径流的平均流速，用清华大学研制的淤积地形测定仪测量水深的变化。试验过