坡面侵蚀演化过程中水流水力学特性及侵蚀动力研究

本项目以黄土高原普遍采用的五种坡耕地地表状况为研究对象，结合土壤侵蚀学、水文学、水力学和明渠均匀流理论等，在充分考虑复杂地表坡面流为三维、非恒定、非均匀沿程变流量基础上, 通过间歇性人工模拟降雨实验，探明不同处理坡面土壤侵蚀演化过程，分析此过程中坡面流水力学特性的时空分布规律，弄清坡面水流受阻状况以及与侵蚀产沙的耦合关系。在此基础上，试图运用径流剪切力、径流能耗和单位径流功率理论阐述坡面径流剥离土壤的水蚀过程，并建立三者与侵蚀产沙耦合关系，揭示复杂地表水流侵蚀产沙机制。开展本项目研究将有助于加深人们对复杂地表坡面流水力学特性的认识，有助于对坡面水蚀机理的进一步理解，进而服务于土壤侵蚀预报、指导坡耕地管理。

本研究以黄土高原普遍存在的裸坡、鱼鳞坑、人工掏挖和等高沟垄4种地表处理为研究对象，在充分考虑复杂地表坡面流为三维、非恒定、非均匀沿程变流量基础上，通过间歇性人工模拟降雨实验和采用三维激光扫描仪、流速仪先进设备，探明不同地表15°黄土坡面土壤侵蚀演化关键过程，分析坡面流水力学特性的时空分布规律，弄清坡面水流受阻状况，为人们了解不同地表状况下细沟侵蚀的动态演变过程与水动力过程的内在机制提供借鉴作用。主要结论如下：.（1）实现了细沟侵蚀动态发育过程可视化和图形化研究，发现裸坡细沟侵蚀表现为片蚀-跌坑-断续细沟-连续细沟-细沟崩塌；人工掏挖因地形起伏相间排列，层层拦截降雨，侵蚀发育以局部掏蚀、冲刷为主；鱼鳞坑坡面水流比较分散，侵蚀发育过程较紊乱，坡面上以细沟侵蚀为主，鱼鳞坑内以跌坑、掏蚀为主；等高沟垄坡面由于犁沟、土垄相间地形的出现，降雨被层层拦截，犁沟内不断增加的径流造成径流横向侵蚀发育，加速了细沟沟宽的发展。.（2）对细沟侵蚀水沙变化过程进行了研究，各处理各场降雨径流量和含沙量均随降雨时间增加而逐渐增加。在出现细沟前，鱼鳞坑、人工掏挖和等高沟垄3个处理由于地形原因，前期降雨多被拦截就地入渗，径流量和含沙量都较小。而当细沟出现后，各处理地表有不同程度破坏，坑内水流加大，并不断冲刷、掏蚀地表造成形态破坏。.（3）对地表糙度的变化情况进行研究，裸坡和鱼鳞坑2个处理初始地形较为平坦，随降雨场次的增加，细沟侵蚀愈为严重，增加了坡面地形的起伏变化，造成地表糙度的增加，径流量、含沙量均与地表糙度呈正相关线性关系；相反，人工掏挖和等高沟垄处理与地表糙度呈负相关对数关系。.（4）对坡面流水力学特性的时空分布规律进行，各处理细沟和细沟间的流速、水深、雷诺数和弗劳德数均随降雨场次呈增加趋势。裸坡细沟内流速明显高于细沟间流速，坡面流属于紊流和急流，且细沟内因汇集更多径流，紊流程度明显高于细沟间；鱼鳞坑处理因受初始地形影响，水流较为分散，各坡位流速、水深差异较小，为层流；.（5）对坡面水流阻力时空分布规律进行研究，各处理阻力来源于降雨、颗粒、形态阻力。且雨阻力和颗粒阻力随降雨累积时间呈减小趋势，形态阻力则因地表侵蚀加剧，形态高低起伏使得逐渐增加。鱼鳞坑、人工掏挖和等高沟垄在整个五场降雨过程中形态阻力占主导地位。

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