黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

李鹏!，"，李占斌!，郑良勇#

（!$西安理工大学水利水电学院，陕西西安%!&&’(；"$西北农林科技大学，陕西杨凌

%!"!&&；#$山东省水利勘测设计院，山东济南

")&&!#）摘要：通过室内模拟冲刷试验系统研究了#*+#&*坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征，分析了坡面径流能

耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明，坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大，流速与坡度和流量之间

存在指数函数关系，坡度对流速的影响大于流量。在#*+"!*坡度范围内，坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加，

当坡度超过"!*时，径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象，在#*+"!*坡度范围

内，坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大，当坡度达到临界极值"!*和"’*后，坡面径流平均输沙率随坡度

增加而减小；在整个试验坡度范围内，径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大；流量对坡面径流平均单宽输沙率

的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系，其临界单宽径流能耗随坡

度的增加而增加，土壤可蚀性参数随坡度的变化在!&$#,(+#&$#,,的范围变化，试验的土壤可蚀性的平均值为

!’$,!。

关键词：径流冲刷；能耗；输沙率；黄土坡面；土壤侵蚀，产沙；水动力过程

中图分类号：-!)%$!

文献标识码：.文章编号：!&&!/,%0!（"&&,）&’/&’’’/&,收稿日期："&&’/&0/"(；修订日期："&&)/&’/"(

基金项目：国家自然科学基金资助项目（’&#%!&%)）

作者简介：李鹏（!0%’1），男，山东烟台人，博士研究生，主要从事土壤侵蚀与水土保持等研究。2/3456：65789:%’;!,#$<=3降水及其形成的坡面径流是侵蚀发生、发展的主要动力。与明渠流相比，坡面径流一般水深较浅，流速较快，边界条件复杂。侵蚀过程主要包括土壤颗粒的分散剥离，泥沙的输移和沉积三个连续过程，研究分析这些过程发生发展的动力条件，土壤和地形条件以及各过程相互转化影响的作用机理是理解坡面侵蚀过程，建立土

壤侵蚀预报模型的前提条件［!］。

流速是坡面径流最重要的水力学要素。国内外学者通过独立的坡面径流侵蚀试验得到了许多坡面径流流速

的经验公式。江忠善等［"］对这些公式进行全面总结，认为可以概化为：!>"#$%&，其中：!为坡面径流平均流

速，#为单宽流量，%为坡度，’为系数。对试验资料进一步分析，确定了常数$、&的值分别为&$)和&$#)，表明坡面径流平均流速随坡度和流量的增大而增大，且流量对流速的影响大于坡度。

但是?=@8AB ［#］和C84A59:等［’］的近期研究发现，细沟内水流速度与坡度无关，仅是流量的简单函数。他们

认为这与侵蚀细沟的阻力组成有关。D=BE8A 等［)］利用模拟细沟研究了侵蚀细沟内水流流速的分布特征，研究表

明，流速沿细沟呈正态分布，主要受流量和坡度的影响且坡度的影响大于流量。另外，?FG ［,］对坡面流流速进

行了系统研究认为坡面流流速不仅随坡度和流量的增加而增大，并且水流比重和粘滞系数也对流速有显著影响。

经典水力学基于径流剪切力的基本理论

［%］，综合分析了坡面径流侵蚀过程，提出了以下关系式：()*(+H #,*-+>!，式中：()为径流分离速率；(+为径流分离能力；#,为径流输沙率；-+为径流挟沙力。其中(+又可以用下式表示：(+>’（!1!.），式中：’为土壤可蚀性参数；!为径流剪切力；!.为径流临界剪切力。上式表明当径流剪切力大于临界剪切力时，才会发生径流分离和输移。在欧洲的2IJK-2L （2FA=7849-=562A=B5=9L=M/

第!%卷第’期

"&&,年%月水科学进展.NO.CP2-QC R.S2J -PQ2CP2O=6$!%，C=$’TF6U ，"&&,

　万方数据