水流动力学参数和土壤剥蚀率试验研究——以榆林风水两相侵蚀地区为例

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黄土高原是中国乃至世界上水土流失面积最广、侵蚀强度最大的地区,风水两相侵蚀地区是黄土高原的侵蚀中心。坡面是构成山地、丘陵和台塬最基本的地貌单元,是最能够充分反映土壤侵蚀过程的基本地形。定量研究坡面冲刷试验中各水流动力学参数及土壤剥蚀率是认识坡面土壤侵蚀过程及坡面径流冲刷对水沙影响的基础。  本文在黄土高原榆林风水两相侵蚀地区建立野外试验小区,通过人工模拟径流冲刷试验的方法,开展不同下垫面小区的水沙关系研究,揭示坡面水流动力学参数、各水蚀动力因子及土壤剥蚀率在不同条件下对土壤侵蚀的影响,在坡面尤其是黄土高原风水两相侵蚀地区坡面土壤侵蚀规律的研究方面取得了一定的进展和深化。主要结论如下:  (1)坡面径流流速具有时空变化特征。在同一坡度不同流量条件下,坡面径流流速随时间的变化规律比较平稳,随着流量的增加,流速也随之增大;在相同流量不同坡度条件下,径流流速随坡度的增加而增大。径流对坡面的侵蚀主要集中在坡面的中上段。  (2)径流雷诺数Re的变化与坡面的侵蚀方式有关。试验初期,水流比较分散,水流的侵蚀能力较弱;随着试验历时的增加,水流侵蚀逐渐增强,在跌坎相互贯通形成细沟之后,水深变深,薄层水流紊动性增强,相应的薄层水流雷诺数也增加。  (3)在本试验条件下,径流弗劳得数Fr大多大于1,水流处于急流状态,并随流量的增加逐渐增大。弗劳得数与坡面坡度的关系是:Fr15°>Fr20°,Fr30°>Fr20°,Fr随坡面坡度的变化规律是先减小后增大,临界点在20°左右,具体的临界点需进一步研究。  (4)在流量4L/min条件下,阻力系数f与坡面坡度的关系是f20°>f15°>f30°;在相同的坡度条件下,阻力系数f与流量的关系是f4L/min>f6L/min>f9L/min。  (5)在流量为9L/min,坡面分别为10°、15°、20°、25°、30°自然植被坡面的条件下,水蚀动力因子--水流剪切力与土壤剥蚀率的发展趋势最接近,两者之间呈直线关系,经回归分析得:Dr=9.7355τ-0.4171,R2=0.9349。  (6)在20°裸坡,流量分别为3L/min,4L/min,6L/min,9L/min的条件下,水蚀动力因子--单宽能耗与土壤剥蚀率的发展趋势最接近,两者之间呈曲线关系,经回归分析得:Dr=-45.22△E2+99.677△E-34.66,R2=0.6691。  (7)在坡面20°、流量4L/min、人工苜蓿不同覆盖度的条件下,水蚀动力因子--水流功率与土壤剥蚀率的发展趋势最接近,两者之间呈曲线关系,经回归分析得:Dr=0.0022ω-2.5042,R2=0.8582;  在坡面20°、流量6L/min、人工苜蓿不同覆盖度的条件下,水蚀动力因子--水流功率与土壤剥蚀率的发展趋势最接近,两者之间呈曲线关系,经回归分析得:Dr=13ω12.577+7E,R2=0.9603;  在坡面20°、流量9L/min、人工苜蓿不同覆盖度条件下,水蚀动力因子--植被覆盖度与土壤剥蚀率的发展趋势最接近。
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