坡面水蚀过程水动力学研究进展

径流分离上壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之一。对国内外坡面径流分离土壤过程的研究方法、流速测定、控制方程、分离能力、挟沙力及存在的问题进行了系统深入的论述,旨在综合已有研究经验和成果,促进相关研究的发展。     

城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统,相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表(坡面)降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面,总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看,城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体,有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究,并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带,探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中,如何有效扩展城市调查样本容量,比较研究不同下垫面径流动力特性,并从径流能量或功率角度出发,研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律,并建立在径流输送过程中的挟沙力方程,将是今后需要深入研究的问题。     

城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统，相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表（坡面）降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面，总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看，城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体，有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究，并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带，探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中，如何有效扩展城市调查样本容量，比较研究不同下垫面径流动力特性，并从径流能量或功率角度出发，研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律，并建立在径流输送过程中的挟沙力方程，将是今后需要深入研究的问题。     

冻土退化影响下坡面水文过程研究进展及趋势展望

全球气候变化背景下,冻土将会发生显著变化,进而影响寒区生态和水文系统的物理、化学和生物过程,并诱发区域水资源恶化与生态功能退化,其中坡面冻土水文过程是物质和能量在寒区地表各圈层迁移转化的重要载体与基本单元。为此,基于"驱动-过程-机制"这一研究视角,从冻土退化及其水文过程响应、冻土水文过程及其局地因素影响、冻土水文过程机制及其影响模拟等三个方面,综述了国内外有关冻土退化影响下坡面水文过程研究方面的最新进展;同时,在总结了当前冻土水文过程研究不足的基础上,提出了如下建议:(1)更加注重坡面冻土水文过程要素观测与方法集成研究;(2)更加注重坡面冻土水文过程变化机理与耦合机制研究;(3)更加注重坡面冻土水文过程时空演化与效应评估研究。以期提升寒区流域径流形成演化的认知能力与径流变化的预测能力,并为寒区流域水资源稳定和适应性利用提供理论基础与科学对策。     

径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展

土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积3个子过程,研究这些过程发生、发展的水力、地形、土壤及地表特性等临界条件及各过程间相互影响、相互制约的机制,是建立土壤侵蚀过程模型继而准确预报土壤侵蚀的基础。为加强对径流驱动土壤分离过程的认识,推动土壤侵蚀过程与机理的研究,从径流水动力学特性、土壤特性、近地表特性、土壤分离过程的时空变异特性等方面对径流驱动的土壤分离过程影响因素及机制进行了总结和梳理,在此基础上,从土壤分离过程研究的时空尺度、土壤分离过程的动力学机制、细沟发育及其形态特征、网络结构对土壤分离过程的影响机制、土壤分离与泥沙输移的耦合机制、土壤分离测定方法与标准、土壤侵蚀阻力参数获取与预报等方面,展望了该领域有待深化的问题及今后的发展方向。     

坡地氮磷流失过程模拟

根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。     

流域产沙模型的研究

由坡面泥沙颗粒的动力平衡条件,推导出坡面上细颗粒泥沙的起动切应力,由坡面径流的剩余输沙能力,导得坡面径流的侵蚀量计算公式,与文献[4]的雨滴溅蚀量计算公式一起,构成了概念清楚、过程明确、结构完整的流域产沙模型。产沙量取决于水流挟沙能力与可供沙量的对比关系,若水流挟沙能力小于供沙量,则产沙量等于水流挟沙能力;反之,水流将进一步冲刷表土,形成径流侵蚀,产沙量就等于供沙量与径流侵蚀量之和。据此,可计算出坡面和流域产沙量。模型在岔巴沟流域上应用,结果令人满意。     

土地利用结构与生态过程

本文从土地利用与土壤水分、土地利用与土壤养分、土地利用与水土流失3个方面系统讨论了土地利用结构与生态过程研究的现状和特征,指出:1)土地利用结构对土壤水分的影响涉及生态系统、坡面、小流域和区域等系列尺度,土地利用的分布及景观特点影响土壤水分的时空变异;2)土地利用对土壤养分的影响表现在土地利用的镶嵌格局影响土壤养分的分布和迁移,土地利用的变化可以引起土壤养分的变化;3)土地利用与水土流失关系密切,土地利用的改变能够减少或增加径流和土壤侵蚀.尺度不同,土地利用与水土流失的机制也不尽相同.土地利用结构与生态过程的研究,还需要注重大尺度和多尺度上的综合研究.     

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.     

土壤侵蚀的中子活化示踪法研究

利用中子活化示踪法研究坡面土壤的侵蚀过程,发现坡面的相对侵蚀量从坡脚到坡顶随坡长的变化符合Weibull分布,其形状参数主要受降雨量、降雨历时和径流深度的影响,尺度参数主要与平均雨强、I₃₀相关.坡面在侵蚀的同时也发生沉积,一般来说短历时高强度的降雨沉积量较小,而长历时低强度的降雨沉积量较大,某一部位侵蚀产沙的沉积量与其距离之间有y=axb的关系.坡面径流直接影响着坡面的输移比,当径流深和径流系数较高时,输移比接近于1,否则输移比降低.     

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。     

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。     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究

为探明降雨条件下沙黄土坡面水流水动力学特性,以流体力学和泥沙运动力学理论为依据,通过5个坡度和5个雨强组合条件下室内模拟降雨试验,系统研究了坡面水流水力参数的变化规律。结果表明,降雨条件下坡面薄层水流雷诺数均小于580,处于层流失稳区;水流流型随雨强和坡度的变化而发生转捩,当坡度较缓、雨强较小时,床面形态处于低能态区和过渡区,床面出现沙纹现象,水流宏观上呈缓流,反之,坡度较陡、雨强较大时,床面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流;并根据薄层水流阻力组成特点,推导出沙黄土坡面薄层水流阻力计算公式。验证结果表明,该式误差较小,可为坡面侵蚀预报模型的构建提供参考。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

坡面土壤侵蚀公式的建立及其在流域产沙计算中的应用

分析了坡面土壤颗粒的受力情况,认为坡面土壤颗粒的运动与其所受的有效切应力有关,从而推导出坡面土壤侵蚀量计算公式,建立了流域产沙模型。公式的推导具有较强的泥沙运动力学基础,反映了影响流域产沙的主要因素。模型参数少,应用方便,既可计算一次洪水产沙量,又可计算年产沙量。在陕北裴家峁流域上应用,结果令人满意。     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。