解析坡度和径流量对细沟侵蚀的影响

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1、中国力学学会力学大会2011坡度和径流量对细沟侵蚀的影响李妍敏，安翼，刘青泉中科院力学所环境力学实验室2011年8月24日报告内容1.研究的背景和意义2.研究现状3.理论分析和数值模型4.数值结果和讨论5.结论1.研究的背景和意义1.土壤侵蚀是一个世界性的环境问题•我国：37.2%国土面积被侵蚀•美国：年损失$430亿2.我国黄土高原地区的土壤侵蚀尤其严重马达加斯加的切沟地貌•侵蚀面积占总面积65%(2002)•地貌支离破碎，影响农业•泥沙进入河道，危害防洪安全3.黄土高原土壤侵蚀中水力侵蚀占主要地位•水蚀面积占侵蚀面积85.7%黄土高原的墚峁地貌1.研究的背景和意义4.细沟侵

2、蚀在坡面侵蚀中的非常重要•水沙汇集和输运的通道•集中的水流——侵蚀的来源5.细沟侵蚀研究的主要困难•水流和侵蚀的相互适应过程•细沟的侵蚀规律复杂•细沟侵蚀的分布形式复杂坡面上的细沟形态细沟侵蚀规律和机制是坡面侵蚀中的关键问题!2.研究现状1.细沟水流的流动特点吴普特&周佩华,沙际德&蒋允静(1993),姚文艺&陈国祥(1995),Nearing(1998),Myers(2002),张光辉(2003),ShaoX.J.(2003),敬向锋(2007),王光谦(2010)I.低Re数湍流、通常急流II.受边界条件影响巨大2.细沟水流的侵蚀特点Elliot&Laflen(1993),

3、WEPP(1995),Nearing(1998),EUROSEM(1998),DWEPP(2003),Liuetal.(2005,2006)，Tayfuretal.(2007),Nord&Esteves(2005,2007)I.侵蚀剧烈、集中，侵蚀分阶段进行II.非均衡侵蚀、输沙过程2.研究现状3.细沟侵蚀的临界坡度讨论Horton：当坡度达到40°时，坡面的侵蚀力最大；蒋定生、黄国俊：坡度在0°～20°范围内，土壤冲刷量随着坡度变陡而增加；至20°时，随着坡度的增加，其增加率变缓；当坡度超过25°时，冲刷量反而减少；陈法扬：坡度在18°～25°范围内是土壤冲刷量剧增，当S>2

4、5°之后，土壤冲刷量随坡度变陡而减少；I.决定细沟侵蚀大小和分布的决定因素尚未找到II.细沟侵蚀与相关参数的规律尚不明晰III.细沟侵蚀中的动力学机制远未讨论清楚排除复杂过程影响的细沟侵蚀规律探讨!3.理论分析和数值模型1.细沟水流的描述2.细沟侵蚀的控制方程3.数值模型的验证3.1细沟水流的描述•细沟水流的方程——圣维南方程的适用性检查hyhq=uBln+Cdy=ghS(C−−+Bhk)()Bhln()∫τfskskkss0.1110110))-1-1ss2ExperimentalData2ExperimentalDatamm-3byJinX.F.(2

5、007)-3byJinX.F.(2007)FittingLineFittingLine10101010CoefinPrediction:CoefinPrediction:A=1/κ,B=8.5,k=0.75mmA=1/κ,B=8.5,k=1.5mmss1111Equationy=a+b*xEquationy=a+b*xAdj.R-Square0.9729Adj.R-Square0.99572ValueStandardErrorValueStandardErrorPredictUnitDischargeIntercept-0.037510.23781PredictUnitDisc

6、hargeIntercept-0.423750.11181PredictedUnitDischargewithLOGLaw(100.1withLogLawSlope1.021090.023850.1PredictedUnitDischargewithLOGLaw(10withLogLawSlope1.090450.014910.1110110-32-1-32-1MeasuredUnitDischarge(10ms)MeasuredUnitDischarge(10ms)ks~[0.5,1]mm，h~[0.7,16.8]mmks~[1,1.5]mm，h~[1.2,11.9]mm3.

7、1细沟水流的描述•细沟水流的方程——圣维南方程的适用性检查hyhq=uBln+Cdy=ghS(C−−+Bhk)()Bhln()∫τfskskkss110)110-1)s-12ExperimentalDatasm2ExperimentalData-3byJinX.F.(2007)m-3byJinX.F.(2007)FittingLineFittingLineCoefinPrediction:CoefinPrediction:10A=1/κ,B=8.5,k=3.0mm10