坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

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1、第26卷第3期农业工程学报Vol.26No.3142010年3月TransactionsoftheCSAEMar.2010坡面径流调控薄层水流水力学特性试验11※2吴淑芳，吴普特，原立峰（1．西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，中科院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；2．中科院南京地理与湖泊研究所，南京210008）摘要：为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响，该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验，研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律，包括水流流速、

2、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制，其二者之间呈现幂函数关系；地表状况与流量大小直接影响着坡面流态，对于裸地与鱼鳞坑坡面，流量较小时属于层流与缓流，在流3量达到3.0m/h时，属于过渡流、紊流和急流；而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流；并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成，其大小主要受地表状况影响；阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之，坡面采取径流调控措施后，其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地，径流流速明显降低，水流流态明显平缓，水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、

3、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。关键词：土壤，侵蚀，水力学，径流调控，放水试验，薄层水流doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.03.003中图分类号：S157.11文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-03-0014-06吴淑芳，吴普特，原立峰.坡面径流调控薄层水流水力学特性试验[J].农业工程学报，2010，26(3)：14－19.WuShufang,WuPute,YuanLifeng.Hydrauliccharacteristicsofsheetflowwithsloperunoffregulation[J

4、].TransactionsoftheCSAE,2010,26(3):14－19.(inChinesewithEnglishabstract)临界水动力条件、坡面侵蚀水动力过程以及坡面流数学0引言描述和预报模型方面进行了全面的研究，并取得了很大土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程，[9-15]进展。而坡面径流的冲刷力是土壤侵蚀的主要动力，搞清坡面纵上所述，前人的研究大多集中在室内小土槽或室[1]产流的动力学特点是进一步研究侵蚀过程规律的基础。外小面积的无措施裸露小区，而且在坡面较平整的扰动坡面水流不同于一般明渠流动，其水深极浅（一般只有土上进行坡面水流水力学特性的模拟试验，且

5、试验条件几毫米），水流运动受降雨及地表状况影响较大，如降均在一种理想条件下进行。由于坡面流水力学特性的复水强度和历时、土壤质地或种类、前期水分条件、植被杂性，对于复杂地表状况下的水流水力学特性以及变化[2-3]密度和类型，以及坡度和坡长等。近几十年来，随着规律仍未得到充分的认识和实际验证，因此深入开展复人们对自然环境研究的重视，坡面流研究得到了较大的杂地表的水流运动过程、水力学参数受流量及地表状况发展，逐步由经验性分析走向动力学特征为主的机理研的变化影响等方面的研究具有一定的紧迫性和重要性。究。对坡面流的研究中，国外部分学者从早期的土壤入本研究采用野外标准小区上进行实地放水冲刷试验，

6、研渗和表面滞留、片流层流特征、斜坡坡面流水深和流速究不同地表状况（苜蓿草地、鱼鳞坑工程整地、秸秆覆预报研究到坡面流细沟侵蚀的水力要素、土壤颗粒分离、盖坡面及裸露地表）以及不同流量、不同坡度下坡面薄[4-8]泥沙输移、冲刷能量等坡面流机理研究做了大量工作。层水流水力学特性的变化规律，包括水流流速、水深、国内部分学者在变坡放水槽及野外坡地条件下研究了坡流态、阻力系数，进一步揭示与澄清坡面侵蚀产沙产流面流水动力学参数随流量和坡度的变化规律、坡面流水过程的本质，研究结果为坡面水土流失控制和水土保持力学特征、变坡径流流态的划分与归属、坡面流发生的合理规划提供重要的理论依据和研究基础。1试验地概

7、括及研究方法收稿日期：2008-11-11修订日期：2009-12-09基金项目：教育部重点项目（109149）；教育部引智基地项目（111-2-16）；1.1试验地概况中科院水土保持研究所国家重点实验室基金（10501-206）试验地选在陕西杨凌野外径流调控措施定位观测作者简介：吴淑芳（1977－），女，宁夏吴忠人，博士，从事水土资源高效利用及地表径流调控研究。杨凌西北农林科技大学水保所，712100。站，属于黄土高原塬区，土壤为中壤土。土壤级配见表1。