坡面流水力学特性及其对草地拦沙的响应机制

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针对当前坡面薄层水流研究的薄弱环节以及坡面土壤侵蚀研究的热点，研究了降雨对不同流量和坡度薄层水流水力学特性的影响，为明晰坡面水蚀过程奠定基础；同时结合当前黄土高原地区退耕还林还草工程的实施，开展了不同处理条件下的草地拦沙试验，并分析了坡面水流水力学参数对草地拦沙的影响机制，提出了草地拦沙库容的概念并给出了确定方法，从而为该区水土保持植被措施的合理配置提供理论依据。本研究取得如下主要结论：（1）揭示了降雨对不同流量和坡度条件下坡面流水力学特性和滚波特征的影响。在相同坡度下，坡面表层流速和水深均随流量的增加而增大，滚波波高随流量先增大后减小，且波高与流速梯度呈显著正相关。在相同流量下，坡面表层流速随坡度的增大而增大，而水深与坡度呈反势，断面滚波数随坡度的增大而增加，而波高和波长均随坡度的增大先增大后减小，在5.2％坡度时达峰值。总体上，降雨可触发更多的滚波产生，而对波高和波长影响较小。（2）探讨和验证了坡面流的流速分布和增阻现象，并初步分析了增阻机理。坡面流呈股状或斑点状分布，降雨使坡面流速分布均匀化，但对平均流速影响较小。试验条件下，平均流速和实测表层流速的校正系数α在0.54~0.60之间变化，且降雨对α值的影响较小。在雷诺数Re＜2000条件下，坡面流具有明显的增阻现象，且增阻系数f/fc（fc=96/Re）随Re的增大而减小，增阻的可能原因：一是薄层水流产生的滚波造成部分机械能损失，一是坡面流速分布不均而相互摩擦作用耗损部分能量。（3）初步揭示了草地坡面含沙水流水力学特性。含沙量对坡面表层流速影响较小，且缓坡时计算平均流速与实测表层流速之比k（V/Vs）随含沙量的增大而减小，而陡坡时二者关系不明显。在相同坡度和流量条件下，水流雷诺数Re随含沙量的增大而减小。缓坡时水流阻力f和曼宁糙率n均随含沙量的增大而增大，而陡坡时含沙量对坡面水流f和n值的影响较小。（4）明确了降雨、坡度、盖度、坡位和牧草不同部位等因素对草地拦沙的影响。降雨对草地拦沙具有负效应，但当上方来水来沙强度和草地盖度较大时其作用不显著。拦沙率随坡度的增大而减小，而随盖度的增加而增大。草地坡上部位泥沙沉积量大于坡下部位，且沉积率随坡长呈幂函数增大。在试验条件下枯落物和茎叶对草地拦沙影响较小。草地主要拦截大粒径（＞10或25μm）泥沙，但对≤1或2μm泥沙的相对拦截率也较大，这可能与细泥沙颗粒之间絮凝作用形成的团粒结构有关。拦沙率随坡面流速的增大而减小，同时流速分布对拦沙具有重要影响。（5）初步阐明了草地拦沙过程机理，提出了拦沙库容的概念，并建立了拦沙率模型。在试验基础上，通过合理假定和数学推导得出草地拦沙率和拦沙库容表达式：和ateete?=0)(00)/(QSaeRm=。模型验证表明，拦沙率方程对绝大部分草地拦沙过程描述均达极显著水平，模型计算拦沙库容与实测草地拦沙率相关性较好。

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作者
潘成忠;
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作者单位

中国科学院水利部水土保持研究所(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心);

中国科学院水利部水土保持研究所;

中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心;

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授予单位中国科学院水利部水土保持研究所(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心);中国科学院水利部水土保持研究所;中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心;
学科生态学
授予学位博士
导师姓名上官周平;
年度 2007
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正文语种中文
中图分类水土流失的原因及其防治;草地;
关键词
坡面流水力学; 草地拦沙; 降雨; 土壤侵蚀; 水土保持植被;

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