细沟侵蚀物理模型参数研究及其动力学分析.doc

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1、细沟侵蚀物理模型参数研究及其动力学分析博士生：张晴雯学科专业：土壤学导师：雷廷武研究员摘要：土壤侵蚀预报模型是土壤侵蚀科学研究的前沿领域。细沟侵蚀在坡面水蚀中占有重要地位，细沟侵蚀形成规律、演变机理及相关参数的确定是坡面土壤侵蚀过程预报的关键，用模型模拟预报细沟侵蚀具有重要意义。以物理过程为基础的水蚀预报模型（如WEPP），在理论上可以模拟侵蚀产沙的时空变化，但模型中侵蚀产沙方程的参数取值困难，计算过程繁琐，至今缺乏合理的试验和数学推导验证，限制了其在细沟侵蚀预报中的实际应用。要实现土壤侵蚀预报完全建立在物理过程基础之上，模型中所涉及的参

2、数应具有明确的物理意义，能用力学表达式描述或由试验直接测量。本研究运用泥沙动力学原理，通过以细沟侵蚀能量转化原理为基础的室内细沟模拟冲刷系列试验和数学推导，得到了细沟剥蚀率、输沙能力、可蚀性参数以及临界剪切力的计算方法，系统解决了细沟侵蚀预报模型所需多个参数的确定方法；利用得到的参数，从试验和理论推导两方面验证了WEPP模型中的细沟侵蚀产沙方程。并用稀土元素示踪技术，对侵蚀产沙沿坡面的动态变化过程和细沟剥蚀率在不同水动力条件下的发展变化过程进行了验证。研究取得了以下主要结论：（1）提出了细沟剥蚀率的解析计算方法。以侵蚀理论为基础，提出了确

3、定细沟剥蚀率的微分表达式，其物理意义为细沟剥蚀率等于水流含沙量对距离的变化率与单宽流量之积，用数学推导对该表达式进行了证明；进而分析了剥蚀率与水流含沙量以及剥蚀率与沟长的关系；通过对细沟剥蚀率的微分表达式进行积分变换，得到了计算细沟水流含沙量的函数表达式。（2）提出了细沟输沙能力的解析计算方法。对于稳定的细沟侵蚀含沙水流，当水流含沙量达到饱和，即达到水流的输沙能力所能挟带的最大输沙量时，水流不再由沟床剥离泥沙。以此为基础，推导得到了输沙能力的解析表达式，并计算了黄绵土细沟流的输沙能力。研究结果表明输沙能力随坡度的增加呈对数增大，随流量的增

4、加呈线性增大，随水流功率的增大呈对数增加。（3）提出了确定细沟土壤可蚀性参数值和临界剪切力的实验方法和解析计算法。通过对WEPP中的侵蚀产沙方程进行理论分析，提出一种计算稳定细沟水流的剥蚀能力的方法，由此推导了一种确定细沟可蚀性参数和临界剪切力的有理实验计算方法。提出了在一定的初始条件下确定可蚀性参数及土壤临界剪切力的解析方法。此方法建议用限定性细沟来估算剪切力，用无限短的细沟来确定细沟剥蚀能力，即水流含沙量与细沟长度函数关系在细沟长度为0时的导数来确定细沟剥蚀能力，而不是用全沟长的平均剥蚀率来确定细沟剥蚀能力。以此计算了黄绵土的可蚀性参

5、数值和临界剪切力。（4）从试验和理论推导两方面验证了WEPP模型中的细沟侵蚀产沙方程。对试验得到的剥蚀率和含沙量以及剥蚀率和沟长的函数关系分别进行积分变换，得到了侵蚀产沙量的表达式。同时以侵蚀理论为基础，对WEPP模型中的细沟侵蚀产沙方程进行简化和积分变换，得到了含沙量随沟长变化的函数关系。这两种途径得到的含沙量表达式描述的是同一物理现象。通过比较发现，理论分析结果与相应的试验值之间存在很好的对应关系，从而验证了WEPP模型中的细沟侵蚀产沙方程。（5）WEPP模型中细沟侵蚀可蚀性参数的估计方法存在原理性误差。理论分析表明，对于限定性细沟，

6、可蚀性参数的估计误差主要来源于细沟剥蚀能力的估计值。剥蚀能力的理想值应是水流输沙量与细沟长度函数关系在细沟长度为0时的导数，而不是全沟长的平均剥蚀率。即使在限定性细沟条件下，用长细沟的输沙量相对于细沟长度的均值来估计剥蚀能力，并用于估计土壤的可蚀性参数，将使土壤可蚀性参数的估计值产生50%~90%的误差。因此，应采用限定性细沟、稳定水流、无限短沟长条件下的最大土壤剥蚀率作为剥蚀能力，来估计土壤可蚀性参数。（6）利用REE示踪法探讨了细沟侵蚀产沙量和细沟流剥蚀率动态变化过程。根据细沟侵蚀沿坡长的产沙特点，设计了稀土元素示踪法室内细沟侵蚀模拟

7、冲刷试验，并给出了稀土元素的施放方法、施放深度和浓度的数学表述及计算方法，提出了由稀土元素示踪技术确定细沟侵蚀产沙量和剥蚀率的计算方法。试验结果表明在一定坡度和流量下，产沙量随着沟长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且趋近于一个稳定值。细沟流剥蚀率随坡度和流量的增大而增大，随含沙量的增加呈指数减小，随细沟沟长的增加呈对数减少，这种变化趋势尤其在坡度为20º和25º时更为明显。关键词：细沟侵蚀；WEPP水蚀预报模型；物理模型参数；稀土元素示踪法Asystematicstudyonthemodelparametersofrillerosio

8、nandtheirrelationswithhydrodynmicsPh.D.Student:ZhangQingwenSupervisor:Prof.LeiTingwuAbstract:The