輸沙對坡面侵蝕的影響及其水動力學機理研究

《輸沙對坡面侵蝕的影響及其水動力學機理研究》是依託北京師範大學，由張光輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：輸沙對坡面侵蝕的影響及其水動力學機理研究
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：張光輝
• 項目類別：面上項目

項目摘要

侵蝕泥沙可能對坡面流水動力學特性產生顯著影響，特別在陡坡高含沙條件下更是如此，然而，目前國際上的少量研究主要集中在緩坡上，輸沙率上限很低，同時所有的土壤侵蝕過程模型均未考慮輸沙對坡面流水動力學特性及侵蝕的潛在影響。為此，本研究擬在較大坡度和流量範圍內，利用變坡試驗水槽、液壓式變坡試驗水槽、超音波水深測定儀、槽式人工模擬降雨機、自控型加沙漏斗等設施，採用人工加沙、人造細溝、徑流沖刷等方法，系統研究輸沙率對坡面流水動力學特性（流態、流速、水深、阻力、水流剪下力、水流功率、單位水流功率、動能和動量）、細溝侵蝕速率、細溝間侵蝕速率的影響，分析輸沙對坡面流水動力學特性及坡面侵蝕影響的水動力學機理，探討坡面侵蝕與輸沙的耦合機制，為建立考慮輸沙反饋效應的坡面侵蝕過程模型提供理論基礎。研究結果對於闡述陡坡土壤侵蝕機理、探索坡面侵蝕水沙耦合關係及其機制、建立考慮輸沙反饋效應的侵蝕過程模型，具有重要理論意義。

結題摘要

本項目主要開展了輸沙對坡面徑流水動力學特性影響、輸沙對坡面侵蝕潛在影響及其動力機制、土壤侵蝕試驗技術和退耕及植被群落近地表特性對土壤侵蝕過程影響等研究。發現人工模擬降雨供水水質顯著影響土壤入滲性能和坡面產流產沙過程，影響的程度與土壤類型密切相關；圓盤入滲儀測定的土壤穩滲率、飽和導水率接近標準值，且省時省力省水，更適合於野外土壤入滲測定；在坡地上使用雙環入滲儀測定土壤入滲時，可採用內環直徑為20 cm、外環直徑為35 cm的雙環替代經典雙環，減小擾動對測定結果的影響；超音波水深測量系統測定坡面徑流的相對誤差為1.73%，能滿足室內侵蝕靜床條件下坡面徑流水深測量的需求；基於線結構光的雷射細溝形態特徵測定系統X軸、Y軸和Z軸的掃描精度分別為0.44 mm、0.50mm和0.51mm，X軸和Z軸的絕對誤差均值分別為0.22 mm和0.16 mm，可以用於坡面侵蝕細溝形態特徵參數的精準掃描。輸沙率顯著影響坡面徑流的水動力學特性，徑流紊動性隨著輸沙率的增大而下降，會引起坡面徑流侵蝕能力和挾沙力的降低；徑流深度隨輸沙率的增大主要由泥沙體積增大引起，占到2/3左右。隨著輸沙率的增大，坡面徑流耗能增大，阻力呈冪函式增大，流速減小，水流剪下力、水流功率隨之增大，而單位水流功率減小，表明單位水流功率更適合模擬高含沙水流的侵蝕過程；坡面徑流動能隨輸沙率的變化趨勢比較複雜，對於緩坡動能隨輸沙率增大而減小，而對於陡坡，動能隨輸沙率增大而增大。在侵蝕動床條件下，下墊麵條件在侵蝕過程中不斷發生變化，導致坡面徑流的動力過程更為複雜。坡面徑流流速是流量的單一函式，隨輸沙率增大流速具有明顯的增大趨勢，具有和河流水流類似的“減阻”現象，與下墊面形態阻力變化、推移質填平部分糙率源和徑流橫向匯聚密切相關。在充分供沙條件下，土壤分離和泥沙輸移間存在耦合機制，土壤分離速率隨輸沙率增大而線性減小。退耕年限和模式顯著影響土壤分離過程，土壤分離能力隨退耕年限的延長而減小，僅從抑制土壤分離過程而言，紫穗槐+油松混交林是黃土高原最佳的退耕模式；植被群落近地表特性顯著影響土壤侵蝕阻力，細溝可蝕性隨根系密度、生物結皮蓋度和枯落物與表層土壤混合量的增大而減小。發表學術論文39篇，其中SCI論文16篇，培養研究生21名。研究成果對於揭示土壤侵蝕動力機制、模擬土壤侵蝕過程、評價退耕還林還草工程的生態服務功能，具有重要的理論意義。