坡面流水动力学参数对土壤分离能力的定量影响

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1、第25卷第6期农业工程学报Vol.25No.6962009年6月TransactionsoftheCSAEJun.2009坡面流水动力学参数对土壤分离能力的定量影响1,23※13柳玉梅，张光辉，李丽娟，韩艳峰（1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2．中国科学院研究生院，北京100049；3．北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875）摘要：利用变坡试验水槽，在较大流量（0.5～2.0L/s）和坡度（0～50%）范围内，详细研究了水深、平均流速、雷诺数、佛汝德数和阻力系数对土壤分离能力的定量影响，旨在得到估算土壤分离能力最简单的方法。研究结果表明：坡面流土壤分

2、离能力与水深、平均流速间均呈显著的幂函数关系；土壤分离能力与水流流态密切相关，与水流佛汝德数相比，水流雷诺数与土壤分离能力的关系更密切；土壤分离能力与水流阻力间呈良好的幂函数关系。研究结果表明，平均流速是预测土壤分离能力的最佳参数。研究结果对于理解土壤侵蚀机理，建立土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。关键词：土壤侵蚀，水动力学，机理，土壤分离能力，坡面流doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.06.017中图分类号：S157.1文献标识码：B文章编号：1002-6819(2009)-6-0096-04柳玉梅，张光辉，李丽娟，等.坡面流水动力学参数对土壤分离能力

3、的定量影响[J].农业工程学报，2009，25(6)：96－99.LiuYumei,ZhangGuanghui,LiLijuan,etal.Quantitativeeffectsofhydrodynamicparametersonsoildetachmentcapacityofoverlandflow[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(6)：96－99.(inChinesewithEnglishabstract)目前，国内外对土壤分离的描述方式仍无定论，且对流态、0引言阻力系数等与土壤分离能力间关系的研究很少。本文利用变坡土壤侵蚀是土壤颗粒在外力作用

4、下发生转运、滚动或流失水槽进行了土壤分离能力试验，分析了变坡（8.8%～46.6%）的过程[1]。其本质是土壤退化、土地生产力下降等[2]。土壤侵蚀条件下土壤分离能力与坡度、流量、水深、平均流速、流态和这一全球性的环境问题，已经严重威胁了人类的生存和发展。阻力系数间的定量关系，建立土壤分离能力与它们间的模拟方土壤侵蚀可分为土壤分离、泥沙输移和沉积三大过程，准确预程，试图获得坡度变化范围较大条件下的预测土壤分离能力的报土壤的分离过程是揭示土壤侵蚀机理、建立土壤侵蚀预报模简捷方式。[3]型的前提条件。土壤分离是土壤侵蚀发生的初始阶段，它是[4]1材料与方法指地表土粒脱离原土体的过程，是泥

5、沙产生的必然途径。土壤分离的速度影响水流中的泥沙含量，而水流中泥沙含量又影1.1供试土壤响着分离和输移过程。因此，深入研究土壤分离过程具有重要试验土壤为取自北京市延庆上辛庄的普通褐土，黏粒、粉[5-9]的实践和理论意义。粒、砂粒的含量分别为10.82%、39.67%、49.52%，有机质含量土壤分离速率是指在径流冲刷作用下，单位时间、单位面为2.53%。试验前将土壤过2mm土壤筛，小于2mm的土壤作积上土壤的流失量。土壤分离能力是指同一坡度和流量条件下，为试验土样。清水分离土壤的最大速率。对于土壤分离速率的预测，美国的1.2水动力参数的测定WEPP（WaterErosionPredi

6、ctionProject）模型采用水流剪切试验在长5m、宽0.4m、深0.27m的变坡水槽中进行，水[10]力，欧洲的EUROSEM模型（EuropeanSoilErosion槽底部铺设5mm厚的有机玻璃，水槽升降端带有一深度为[11][4]Model）和LISEM模型（LimburgSoilErosionModel）均采40cm的进水池。通过调节水槽一端的高度可使水槽坡度在0～[12]用了单位水流功率，而澳大利亚的GUEST（GriffithUniversity50%之间变化。试验时，水流经过水槽后，进入沉砂池，再由[11]ErosionSystemTemplate）模型则采用了有

7、效水流功率。沉砂池返回蓄水池，再由水泵提供的动力流入水槽，如此循环。[13]国内对土壤分离的预测方式也存在着争议。张光辉等利试验前将5mm厚的试验土壤用油漆粘于水槽底部，这样可以用变坡水槽试验分析得出，与其他水动力参数相比，水流功率模拟天然条件下土壤糙率状况，为试验提供与自然条件较为相[14]更适合预报土壤分离过程。张科利等同样利用变坡水槽进行似的下垫面条件。试验，结果认为土壤分离能力与水流剪切力之间存在线性关系。试验前调整水槽的坡度和流量，待水流稳定后测