坡面降雨径流和土壤侵蚀的数值模拟.pdf

第 29 卷 第 3 期 力 　学 　学 　报 Vol . 29 ,No . 3 1997 年 5 月 AC TA M ECHAN ICA SIN ICA May , 1997 坡面降雨径流和土壤侵蚀的数值模拟1) 戚隆溪 　　　　　　　　　　黄兴法 ( ) ( ) 　 中国科学院力学研究所 ,北京 　100080 　 中国农业大学东校区 ,北京 　100083 摘要 　利用水力学原理建立了坡面降雨径流和土壤侵蚀模型 ,分别采用特征线法和有限差分法 对径流量和土壤侵蚀量进行了求解 ,并针对具体降雨事件进行了模拟计算 ,计算结果与试验小 区实测值基本一致. 本研究表明水土流失随着降雨强度和坡度的增大而加剧 ,特别是坡度引起 的土壤侵蚀. 关键词 　 降雨 ,坡面径流 ,土壤侵蚀 ,数值模拟 ,特征线法 ,有限差分法 引　言 　　土壤的加速侵蚀已构成了对农业生产和人类生存的严重威胁 ,成为全球 性环境灾害之一. 它既是土地生产力退化的主要原因 ,又是水体非点源污染的重要方面 ,这对于象我国这样的发展 中国家表现得尤为严重. 我国是世界上水土流失最严重的国家之一 ,对土壤侵蚀及其防治途径的 研究十分重要 ,也日益引起人们的关注. ( ) 60 年代初 ,Wischmeier 及其合作者们提出了通用土壤流失方程 U SL E ,它是最早形成的土 壤水蚀预报理论[ 1 ] . U SL E 是一种经验性的预报模型 , 已不能满足当代人们对土壤侵蚀预报的要 求. 例如 ,它不能反映现场数据的变化趋势 ,不能给出单次侵蚀事件所造成的实际侵蚀量 ,亦不能 反映水力侵蚀诸过程等. 因此 ,根据可靠的物理力学基础来建立新一代预报体系成为国内外土 壤侵蚀研究的热点[2 ] . 目前 ,我国对土壤侵蚀过程的发生 、发展规律及其物理力学机制的研究正待发展 ,我们应用 流体力学原理和方法 ,建立基于过程的数学模型来分析土壤侵蚀机理 ,这对提高我国的预测预报 水平是十分重要的. 本文拟就某一次降雨事件在坡面引起的地表径流和土壤侵蚀情况进行探讨. 1 　坡面降雨径流和土壤侵蚀模型 　　水蚀是水引起的土壤表层的移动 ,它全要来 自降水事件. 当降雨量大于入渗率时 ,就会出现 地表径流. 在斜坡上 ,降水是导致土壤颗粒分离的主要因素 ,而径流造成了颗粒移动和分离 ,成为 土壤侵蚀的主要原因. 坡面径流及侵蚀的物理图像如图 1 所示. 根据坡面上水流和泥沙的质量和 动量的守恒定理 ,可得到如下的径流方程[3 ] 和泥沙输运方程[4 ] h h u ( ) + u + h = r 1 t x x u u h u r ( ) ( ) + u + g = g i - i - 2 t x x 0 f h 　 1) 国家自然科学基金资助课题. 收到第一稿 ,