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土壤学报 2022年第1期59卷 129-138页

作者：陶婷婷陈晓燕陈仕奇韩珍李彦海顾小杰叶鸿铭西南大学资源环境学院重庆400716

细沟水力学特征是影响坡面土壤侵蚀的重要动力因素。不同侵蚀阶段细沟形态影响水流动力学特征,进而影响细沟侵蚀发育与形态演变。试验以饱和紫色土为研究对象,在测量得到不同流量(2,4,8 L·min^(-1))及坡度(5°,10°,15°,20°)下初始... 详细信息

细沟水力学特征是影响坡面土壤侵蚀的重要动力因素。不同侵蚀阶段细沟形态影响水流动力学特征,进而影响细沟侵蚀发育与形态演变。试验以饱和紫色土为研究对象,在测量得到不同流量(2,4,8 L·min^(-1))及坡度(5°,10°,15°,20°)下初始态细沟和稳定态细沟径流流速的基础上,计算得到初始态和稳定态细沟水力学参数,包括平均径流深,雷诺数,弗劳德数,达西阻力系数,曼宁糙率系数等,对其特征进行对比分析。结果表明,在不同细沟侵蚀阶段,初始态细沟流速介于0.170~0.778m·s^(-1)之间,稳定态细沟流速介于0.156~0.619m·s^(-1)之间,在同一流量和坡度条件下,初始态细沟流速>稳定态细沟流速,且流量和坡度在不同细沟侵蚀阶段对流速和平均径流深的贡献率存在差异。流态以过渡流居多,均属于急流,弗劳德数在稳定态细沟阶段受到流速和平均径流深的调节保持相对稳定且趋近于1。达西阻力系数受流速和平均径流深的影响发生改变,在初始态细沟中流速的影响占主要作用,稳定态细沟中平均径流深的影响占主要作用。饱和紫色土细沟从初始态到稳定态的发育过程中,流速逐渐减小,平均径流深增大,雷诺数增大,弗劳德数减小,达西阻力系数和曼宁糙率系数增大。研究结果有利于明确饱和紫色土坡面不同细沟侵蚀阶段水力学特征,对建立土壤侵蚀物理模型具有一定参考价值。

关键词：细沟侵蚀饱和紫色土水力学特征土槽冲刷试验

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饱和紫色土坡面细沟形态与水力学关系研究

饱和紫色土坡面细沟形态与水力学关系研究

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作者：麻力文西南大学

学位级别：硕士

细沟侵蚀是紫色土坡耕地土壤侵蚀最重要的形式之一,也是造成坡耕地土壤流失及其结构退化的原因。紫色土坡面由于其特殊的二元岩土结构,在持续降雨条件下,土层浅薄、孔隙度大且渗水能力强的耕层土壤极易饱和。土壤饱和后,坡面会发生比非... 详细信息

细沟侵蚀是紫色土坡耕地土壤侵蚀最重要的形式之一,也是造成坡耕地土壤流失及其结构退化的原因。紫色土坡面由于其特殊的二元岩土结构,在持续降雨条件下,土层浅薄、孔隙度大且渗水能力强的耕层土壤极易饱和。土壤饱和后,坡面会发生比非饱和土壤坡面更加剧烈的侵蚀,直观地表现为坡面细沟形态的差异和细沟侵蚀量的显著增加,内在表现为集中流水力学特征的改变。整个细沟侵蚀过程中,细沟形态与水力学特征是相互影响的,但目前细沟形态与水力学特征的相关关系仍不明确,极大程度上制约了对饱和紫色土坡面细沟侵蚀过程和机理的认识。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,测算了不同降雨强度(30,60,90 mm/h)和坡度(2°,5°,10°,15°,20°)条件下细沟宽度、深度和宽深比等形态参数、细沟侵蚀量以及集中流速、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数等水力学参数,量化了不同工况下饱和紫色土坡面细沟形态和水力学参数的空间变化特征,分析了降雨强度和坡度对饱和土壤坡面细沟形态和水力学参数的影响,并在此基础上阐明了坡面细沟形态与水力学特征的相关关系,主要结论如下:(1)饱和紫色土坡面细沟形态变化具有空间异质性。细沟宽度、深度和宽深比沿坡面的变化范围分别介于2.94～10.02 cm、0.68～9.92 cm和1.11～5.42之间,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体表现为先增大后减小的变化规律,细沟横断面形态沿坡面从上至下表现为“宽浅型”发展为“窄深型”的变化规律;饱和紫色土坡面细沟形态参数与降雨强度和坡度之间存在显著相关关系。不同工况下,饱和紫色土坡面细沟坡面细沟平均宽度、深度和宽深比分别介于3.44～9.64 cm、1.01～8.14 cm和1.18～3.87之间,细沟平均宽度和深度与降雨强度和坡度呈显著正相关关系,细沟宽深比与降雨强度和坡度呈显著负相关关系,且坡度对细沟形态参数的影响大于降雨强度。饱和紫色土坡面细沟侵蚀量沿坡面呈先增大后减小的变化规律,在中下坡位达到最大值,因此在布设坡面水土保持措施时应加强中下坡位措施的布设。细沟侵蚀量随降雨强度和坡度的增大而显著增大,坡度对细沟侵蚀量的影响比降雨强度更明显。(2)饱和紫色土坡面水力学参数变化具有空间异质性。饱和紫色土坡面平均流速、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数沿坡面的变化范围分别介于0.102～0.441 m/s、248.399～1915.108、0.380～2.658、0.384～2.070之间,平均流速沿坡面整体呈先增大后减小的变化规律,雷诺数沿坡面逐渐增大,弗劳德数沿坡面呈先增大后减小的变化规律,达西阻力系数沿坡面呈先减小后增大的变化规律。饱和紫色土坡面水力学参数与降雨强度和坡度之间存在显著相关关系。不同工况下,饱和紫色土坡面细沟坡面平均流速、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数分别介于0.175～0.350 m/s、393.011～1313.626、0.711～2.184和0.558～0.982之间,平均流速和雷诺数受降雨强度的影响更明显,弗劳德数受坡度的影响更明显。(3)饱和紫色土坡面细沟形态与集中流水力学参数之间具有显著相关关系。饱和紫色土坡面细沟侵蚀量的主要来源为细沟沟壁坍塌侵蚀。在p饱和紫色土细沟宽度与平均流速、雷诺数和弗劳德数间均呈显著正相关关系,与达西阻力系数间无显著相关性(p<0.01);细沟深度与平均流速和弗劳德数间呈显著正相关关系,与雷诺数和达西阻力系数间无显著相关性(p<0.01);细沟宽深比与平均流速、弗劳德数和达西阻力系数间均呈显著负相关关系,与雷诺数间呈显著正相关关系(p<0.01)。

关键词：饱和紫色土模拟降雨细沟形态侵蚀量水力学特征

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饱和紫色土坡面片蚀与细沟侵蚀水动力特征研究

饱和紫色土坡面片蚀与细沟侵蚀水动力特征研究

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作者：谭文浩西南大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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%。

关键词：片蚀细沟侵蚀水动力学特性饱和紫色土模拟降雨

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不同降雨强度及坡度条件下饱和紫色土坡面细沟形态特征

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水土保持学报 2023年第1期37卷 77-83页

作者：麻力文陈晓燕陶婷婷李丹丹谭文浩孔令勇西南大学资源环境学院重庆400715

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结... 详细信息

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结果表明:饱和紫色土坡面细沟平均宽度、深度和细沟宽深比分别为3.44~9.64 cm、1.01~8.14 cm和1.18~3.87,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体均表现出先增大后减小的趋势,细沟宽深比沿坡面表现为上坡饱和土壤坡面细沟侵蚀形态变化规律、进一步探究坡面细沟发育过程具有重要参考价值。

关键词：饱和紫色土细沟侵蚀形态特征模拟降雨

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重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

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水土保持学报 2023年第3期37卷 66-72页

作者：谭文浩陈晓燕陶婷婷李丹丹麻力文孔令勇西南大学资源环境学院重庆400716

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片... 详细信息

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。

关键词：片流细沟流临界水力条件饱和紫色土模拟降雨

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