坡面水流速度与坡面含砂量的关系.pdf

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1、第27卷2011焦第3期3月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．3Mar．201173坡面水流速度与坡面含砂量的关系李君兰1，一，蔡强国1,2N，孙莉英1，郑明国1(1．中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点试验室，北京100101：2．中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌712100；3．中国科学院研究生院，北京100039)摘要：通过组合不同坡度(100、15。、20。、25。)、不同坡长(5、10m)、不同雨强(1．5、2mm／min)的室内纯净水模拟降雨试验，对坡

2、面细沟侵蚀发生过程中的坡面流速的沿坡变化进行了研究，并讨论了流速与坡面含沙量的关系。试验结果显示：从坡项至坡脚，坡面细沟流的速度逐渐增加：坡面流速主要受雨强和其流动距离影响，与坡度无关，并得到流速与雨强和距坡顶距离的关系式。坡面含沙量与坡度、雨强和坡面流速相关，而10m坡长所测的含沙量与5m坡长相近。将坡面流的能量分配为自身流动所需能量、剥蚀土壤消耗能量以及携带搬运土壤所需能量，在一定坡长内，径流的能量足以剥蚀并携带搬运坡面土壤，但超过此范围，虽然流动速度在增加，但是径流消耗于携带搬运泥沙的能量也增加，从而使坡面流的能量不足以支撑剥蚀土壤耗能，而坡面含沙量不会有显

3、著的增加。关键词：水流速度，试验，降雨，细沟侵蚀，含沙量doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．03．013中图分类号；TVl21+．9文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)-03—0073—06李君兰，蔡强国，孙莉英，等．坡面水流速度与坡面含砂量的关系[J]．农业工程学报，2011，27(3)：73—78．LiJunlan,CaiQiangguo，SunLiying，eta1．Relationshipbetweenthespatialdistributionofflowvelocityandsedimentconcen

4、tration[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(3)：73—78．(inChinesewithEnglishabstract)0引言细沟流是对坡面进行土壤剥蚀和搬运的直接动力。细沟流的水动力特性在很大程度上影响着坡面细沟侵蚀的发生发展过程。对这方面的研究工作大多是借鉴河流动力学的原理和方法【l。3】，但是细沟流是水深大多不足2cm的浅水明流，其体积含沙量可能达到4％～5％，且床面不平整，水面波动较大【41，因此细沟流的水力学特征并不能完全等同于河流及沟道【5】。水流的剪切力及其能量往往是水流速度和深度的函数。水流剪切力公式【6】为

5、：f=y砌，)，为水体积质量，kg／m3；s为水力坡度，％；h为径流深，m。赫尔顿(R．E．Hartan)式径流摩阻耗能【7】形=Go志Vsin0式中，Go为每立方米含沙水流的质量，kg／m3：以为距分水岭X处径流深，mm；y为x处的流速，m／s；0为坡收稿日期：2010-08．27修订日期：2011-03．04基金项目：国家自然科学基金面上基金项目(40971165)；中国科学院水利部黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室开放基金课题(10501．265)；国家基金委员会面上基金项目(40871138)作者简介：李君兰(1986一)，女，四川广安人，主要从事坡

6、面土壤侵蚀等研究。北京中国科学院研究生院，100039。Email：iunlanyes@126．corn※通信作者：蔡强国(1946一)，男，湖北武汉人，研究员，博士，博士生导师，从事土壤侵蚀、水土保持、流域侵蚀产沙模拟研究。北京中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点试验室，100101。Email：eaiqg@igsnrr．ae．c丑度，。。李占斌等【8】认为径流在任一断面处的总能量是径流势能和动能之和1．Ex=E势+E确=pqgLsin9+壬pq矿Z式中，P为水的密度，kg／m3；q为断面处流量，m3／s；工为坡长，m；v和p同上。同时水流速度

7、是计算其他水力要素的必要参数，流速往往直接影响水流的冲IIII力【9．10】。对坡面土壤侵蚀过程中的坡面水流速度进行研究，有助于准确地认识细沟侵蚀过程及其发育发展机理。然而，大多数的文章探讨的是整个坡面的平均流速以及坡面流速随坡面侵蚀过程的变化，坡面流速在坡面不同坡段的分布及其与坡面侵蚀之间的关系还尚少讨论[11-14】。因此，进行坡面流速的沿坡分布规律变化的研究，并结合坡面含沙量进行分析，对深入认识坡面流侵蚀动力机制具有重要的科学意义。本文通过室内人工模拟降雨试验，对不同降雨强度不同地形条件下的坡面水流速度进行了分析，并探讨水流速度在坡面的分布及其与坡面产沙的关

8、系。1材料