饱和紫色土坡面片蚀与细沟侵蚀水动力特征研究

作     者：谭文浩 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈晓燕

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：片蚀 细沟侵蚀 水动力学特性 饱和紫色土 模拟降雨 

摘      要：紫色土是我国西南地区主要土壤类型之一,具有物理风化作用强烈,入渗性能好的特征,但其母质层透水能力弱,阻碍了降雨入渗,导致在持续降雨过程中表层土壤易处于饱和状态。与非饱和土壤相比,饱和土壤颗粒间的黏结力弱,抗蚀性能差,会加剧土壤侵蚀。片蚀与细沟侵蚀作为坡面土壤侵蚀的两种重要方式,其侵蚀强度与坡面流水动力学特性密切相关。因此,研究饱和土壤坡面片流和集中流水动力学特性及片蚀和细沟侵蚀变化特征,厘清片流和集中流水动力学特性与片蚀和细沟侵蚀特征的定量关系,对于深入认识片蚀和细沟侵蚀水动力学机理,提高土壤侵蚀预报模型的精度具有重要意义。鉴于此,本研究通过室内人工模拟降雨试验,结合饱和供水装置,测定了不同坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和降雨强度(30,60,90 mm/h)条件下饱和紫色土坡面径流流速、侵蚀量、坡面侵蚀由片蚀转为细沟侵蚀(即坡面径流由片流转为集中流)的临界坡长。根据临界坡长区分了坡面发生片蚀的坡段和发生细沟侵蚀的坡段,计算了坡面片流和集中流的径流深、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率等水动力学参数以及坡面片蚀和细沟侵蚀率,系统分析了不同坡度和降雨强度条件下饱和紫色土坡面片流与集中流水动力学特性及片蚀与细沟侵蚀率变化特征,明确了片蚀和细沟侵蚀率与不同水动力学参数的相关关系,采用多元逐步回归分析构建基于水动力学参数的饱和土壤坡面片蚀和细沟侵蚀率预测方程,主要研究结论如下:(1)饱和紫色土坡面细沟发生的临界坡长随坡度和降雨强度增大而减小。坡面集中流平均流速是片流平均流速的2.01～2.77倍,均随坡度和降雨强度的增大而增大。相同工况下集中流径流深比片流径流深大,片流和集中流径流深均随坡度增大而减小,整体上随降雨强度增大而增大。片流均为层流,集中流在小雨强(30 mm/h)条件下为层流,在中雨强(60 mm/h)和大雨强(90 mm/h)条件下为过渡流。在小坡度(2°,5°,10°)条件下,片流为缓流,大坡度(15°,20°)条件下,片流多为急流,而集中流在不同条件下多为急流。相同条件下,片流阻力系数比集中流阻力系数大,片流阻力系数随坡度和降雨强度增大而减小。不同坡度和降雨强度下饱和土壤坡面集中流剪切力、水流功率、单位水流功率均大于片流,二者的水动力学参数均随坡度和降雨强度的增大而增大。降雨强度对径流剪切力的影响比坡度大,而坡度对径流单位水流功率的影响比降雨强度大,但对于水流功率,降雨强度对片流水流功率的影响更大,坡度对集中流水流功率的影响更大。(2)饱和土壤坡面片蚀率随坡度增大呈对数函数增加,随降雨强度增大呈幂函数增加;细沟侵蚀率随坡度增大呈线性函数增加,随降雨强度增大呈幂函数增加。随着坡度和降雨强度增大,细沟侵蚀率对片蚀率的倍数从2°坡、30 mm/h降雨强度条件下的0不断增加到20°坡、90 mm/h降雨强度下的6.05。降雨强度对片蚀率和细沟侵蚀率的贡献率大于坡度。(3)片蚀率与径流平均流速、弗劳德数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率呈极显著正相关关系,与径流深、阻力系数呈极显著负相关关系,其中,水流功率与片蚀率相关性最好;细沟侵蚀率与径流平均流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、径流剪切力、水流功率、单位水流功率均呈极显著正相关关系,其中,径流平均流速与细沟侵蚀率相关性最好。片蚀率可以很好地用水流功率来预测,预测方程的决定系数R为0.96,纳什有效系数NSE为0.96,平均绝对百分比误差MAPE为6.2%;细沟侵蚀率可以很好地用径流平均流速来预测,预测方程的R为0.91,NSE为0.91,MAPE为19.5%。