非粘性沙坝溃决数学模型及求解

考虑一维陡坡浅水方程与Exner方程耦合构建漫顶溃坝数学模型,利用Roe格式黎曼近似解法求解,并用预测-校正法处理源项保证水流、泥沙侵蚀输运和底床演变过程的计算稳定.模型实例计算结果表明,该方法能较好地计算非粘性模型沙坝漫顶溃决问题,可为溃坝数值计算提供新的思路.     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程

次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程和细沟的发生发展过程是土壤侵蚀规律研究中的重点和难点。利用REE示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验方法,通过室内模拟降雨试验,对坡面侵蚀演变过程进行了探索性研究。结果表明:降雨初期坡面侵蚀以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟侵蚀量逐渐增加,但后者的增加速率大于前者,面蚀占总侵蚀量的比率随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量为面蚀量的2～4倍。本研究为定量区分和研究坡面侵蚀过程中面蚀和细沟侵蚀量,面蚀向细沟侵蚀的转变以及细沟侵蚀发生、发育提供了新的思路和解决途径。     

由降雨侵蚀引起的山坡面水土流失预测的数学模型

数学模型包括：坡面水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程（水土流失方程）、坡面变形方程。考虑到坡面流的流速及非线性双曲型方程，采用迎风有限差分显格式来离散方程，编制计算程序，进行了计算。研究成果可以描述动态坡面降雨侵蚀过程，并可将研究成果扩展到整个小流域，从而为治理水土流失提供依据。     

几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素

通过间隔为11h的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究了10种土壤的侵蚀过程,发现在第2次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀形式。采样微形态观察发现,在第1次降雨中形成结皮的土壤在第2次降雨中出现了细沟侵蚀;产流产沙观测发现所有出现细沟侵蚀的土壤在第1次降雨中径流含沙量逐渐减少,而第2次降雨中有一个先剧增后减少的过程。土壤理化分析及多元逐步回归分析结果表明,土壤颗粒组成、有机质含量、铁铝含量等因素对细沟侵蚀的影响表现不明显,而与土壤团聚体有关结构指标、细沟侵蚀、产流产沙速率及总量呈显著相关关系。分析表明,团聚体分散度、崩解速率与渗透系数之比两个指标能较好地预测细沟侵蚀发生的可能性,同时也能很好地预测侵蚀产沙量。     

切沟侵蚀预报研究进展与展望

切沟侵蚀是重要的土壤侵蚀类型,是小流域侵蚀泥沙的主要来源。准确预报切沟侵蚀空间分布及其强度的时空变化,对于优化小流域水土保持措施配置、维持区域粮食产能和保障区域生态安全,具有重要的理论和实践意义。地形临界模型、敏感性评价、切沟形态特征经验关系、侵蚀预报模型和景观演变模型是预测切沟发育部位、评价发育概率或估算切沟侵蚀强度的主要方法。从这些方法的基本思路与原理出发,系统分析了相关研究进展,对比了研究结果的差异并评价了各方法的优缺点。未来研究需聚焦切沟监测方法优化与数据积累、切沟演变过程与数据可比性、预报方法遴选及区域适宜性、经验模型研发与参数区域分异,以及切沟侵蚀机理研究与过程模型研发,从而为促进切沟侵蚀预报研究、阻控切沟侵蚀、保障区域社会经济可持续发展提供技术支撑。     

坡面不同侵蚀沟断面特征及水力几何形态

通过整理和分析国内外大量野外调查数据,系统研究了裸露坡耕地壤土土质不同侵蚀沟的断面特征和水力几何形态,并给出了相应的判别标准。结果表明:随坡面侵蚀沟逐步发展,宽深比参数ζ逐渐减小,细沟、浅沟、切沟和冲沟适宜的ζ范围分别为5~17、2~5、0.4~1.8和0.1~0.6;同一侵蚀沟条件下,壤土类型对ζ值也有影响。土壤质地越细,ζ值越小。不同侵蚀沟水力几何形态指数也不相同,细沟的形态指数β₁、β₂和β₃分别为0.3、0.4和0.3,浅沟和切沟为0.4、0.4和0.2,冲沟为0.5、0.4和0.1。验证结果表明给出的判别标准可以用来界定不同侵蚀沟类型。     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型, 进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验, 再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程, 并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下, 径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加, 而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时, 黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。     

砒砂岩区小流域沟冻融风化侵蚀模型研究

文章通过砒砂岩区西召沟小流域冻融风化侵蚀实测资料,分析了冻融风化侵蚀与沟道各变量之间的关系。确定了该流域相同种类支沟上、中、下游的冻融风化坡面侵蚀模数、单位沟沿线沟角线长度和侵蚀量值,不同种类支沟冻融风化坡面蚀模数及单位长度沟沿线沟角线长度和的侵蚀量的比例关系,及上、中、下游冻融风化侵蚀侵蚀量的比例关系。据此建立了小流域单位长度沟沿线沟角线冻融风化侵蚀量比例模型和冻融风化侵蚀模数比例模型。根据西召沟小流域上游20条沟谷的资料,利用两种模型对该流域的冻融风化侵蚀量进行了模拟计算,两种模型的模拟计算结果分别为23757．9t和29165．1t,相差18．5％。     

模拟降雨条件下坡面细沟形态演变与量化方法

为探明坡面土壤侵蚀过程中细沟的演变规律,研究细沟形态特征量化方法是非常重要的。利用室内土槽模拟降雨试验,对比了45 mm/h、87 mm/h和127 mm/h雨强下容重分别为1.30 g/cm3和1.05 g/cm3两种黄土在20°陡坡坡面细沟发育形态的差异,并分别采用分形维数、拓扑参数对细沟沟网的形态特征进行量化描述,引入地貌信息熵理论进行坡面地貌信息熵计算,然后对各量化参数的敏感性进行了分析。结果表明,分形维数作为整体性的量化参数,对描述发育成熟的细沟形态差异不够灵敏;坡面地貌信息熵能够反映侵蚀过程中侵蚀程度的变化,对细沟发育程度的描述较为灵敏;细沟沟网的拓扑特征参数较好地体现了沟网内部结构的差异,可用于描述沟网内部结构特征的较灵敏参数。     

黄土丘陵区堆积体边坡对上方来水的侵蚀响应

为探明上方来水类型对工程堆积体高陡边坡下部冲刷侵蚀的定量影响,以神府高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,设计4种上方来水类型,通过野外放水冲刷试验分析了不同上方来水类型下堆积体坡面的径流侵蚀输沙过程.结果表明:①上方来水类型对堆积体坡面下部的产流影响较小,却干扰了坡面侵蚀产沙过程,造成土壤流失量增加;②径流深、单宽径流侵蚀力和水流功率均可以较好地预测堆积体边坡下部输沙模数的变化;③单宽径流侵蚀功率可以作为表征坡面尺度次径流事件中径流侵蚀力变化的指标.研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀强度评价、侵蚀模型建立及新增水土流失防治提供参考.     

细沟形成对坡面产流产沙过程的影响

为探明细沟形成条件下不同土壤坡面水沙变化特性,利用室内模拟降雨试验,分析了塿土和黄绵土在细沟发育及已有细沟条件下的水沙过程变化规律。结果表明,塿土产流快,易形成细沟,细沟发育有明显的规律性,在坡面上呈平行状分布,细沟密度与坡度密切相关,细沟存在会延长产流时间;黄绵土产流慢,较难形成细沟,细沟发育随机性大。细沟发育对产流过程没有明显影响,土壤入渗快慢是两种土壤产流过程存在差异的主要原因。细沟发育程度加剧,会使塿土含沙量的增加速度加快,达到稳定含沙量的时间提前,坡面已有细沟只对稳定含沙量有明显影响,细沟密度增加会使稳定含沙量提高;黄绵土含沙量的变化主要取决于细沟发育过程中的随机性,当细沟侵蚀以崩塌作用为主时,含沙量会出现急剧增加,即使雨强较小,也会产生严重的土壤侵蚀。     

基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究

针对淮北地区水土流失问题,利用野外人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(40mm/h、60mm/h和80mm/h)和坡度(5°、10°和15°)条件下砂姜黑土和黄潮土产流产沙差异。结果表明:砂姜黑土初始产流时间长,产流总量小。坡面出现细沟时,砂姜黑土初始含沙量随时间变化有减小趋势,最终趋于稳定,而黄潮土含沙量呈波动变化;60mm/h、80mm/h雨强10°坡砂姜黑土产沙总量大于黄潮土,其他情况黄潮土产沙总量大于砂姜黑土,黄潮土土壤侵蚀严重。砂姜黑土表面细沟发育密度大,主要在坡面中下部,为相互连通的树枝状结构,而黄潮土表面细沟发育密度小,形成沟壑。两种土壤产流总量、产沙总量与坡度、雨强分别呈多元线性函数、多元幂函数关系,雨强对坡面产流产沙总量的影响大于坡度。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

A stochastic model of soil erosion

The erosion model computes the rill and inter-rill flow over a surface with random roughness, and the erosion caused by this flow. The measured roughness of a surface is analysed and used to generate random surfaces for the simulation process. Computations are carried out over a number of time intervals; the steady state condition is assumed for each interval. Changes in the surface geometry due to erosion during an interval are used to revise the surface for the subsequent interval. The model includes simplified mechanisms to simulate ponding, deposition and failure of side slopes of rills.     

细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。     

对坡面径流挟沙力研究的几点认识

坡面径流挟沙力是土壤侵蚀过程模型的核心输入参数。在系统界定坡面径流挟沙力概念的基础上,深入分析了坡面径流水动力学特性和泥沙特性对坡面径流挟沙力的影响及其机制,受降雨、地形、土壤、植被、土地利用、结皮形成、细沟发育和砾石出露等多种因素时空变异的综合影响,坡面径流挟沙力具有强烈的时空变化特征,导致坡面径流挟沙力的测定较为困难。将确定挟沙力常用的方法划分为河流挟沙力方程修正法、推理法、模型模拟法和测量法,比较分析了不同方法的优缺点。未来的研究应该重点关注挟沙力测定方法与技术、坡面径流输沙过程的动力机制、典型土壤的挟沙力、挟沙力方程构建与验证及变化条件下坡面径流挟沙力等方面。