草地坡面径流侵蚀动力特征模拟
发布时间：2021-07-16 13:35
坡面是土壤发生侵蚀的基本单元,坡面流是泥沙运动的载体,其水动力学特征直接影响坡面侵蚀的强度和时空分布。利用坡面放水冲刷试验,研究了不同植被覆盖下坡面流水力学参数和侵蚀产沙特征,结合灰色关联分析,确定影响坡面侵蚀产沙的关键水力学参数。结果表明:冲刷流量和植被覆盖对坡面流水力学参数和侵蚀产沙过程有显著影响,冲刷流量越大,径流流速越大,阻力系数、糙率系数和弗汝德数越小,径流剪切力和径流动能越大,侵蚀产沙量越大;随着植被覆盖度的增大,坡面径流平均流速、弗汝德数和单位水流功率呈指数减小,径流剪切力、平均阻力系数和糙率系数呈指数增大,径流动能呈直线减小。每增加1%的植被,径流流速平均降低1%～3%,不同覆盖下侵蚀减沙效益达到15%～89%。灰色关联分析结果表明,由于径流紊动性较小,在3.2 L·min-1冲刷流量下的各参数与侵蚀产沙量的相关系数均小于5.2 L·min-1,在不同冲刷流量下,弗汝德数和单位水流功率与侵蚀产沙量相关关系最为密切,其次是水流动能。侵蚀产沙量随着单位水流功率的增加呈现显著指数减小,可以预测不同覆盖下的侵蚀产沙量。
【文章来源】：中国沙漠. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
坡面放水冲刷试验示意图
随着植被覆盖度的增加，坡面流平均阻力系数和曼宁糙率系数均呈指数增加（图4）。植被增加了水流阻力，减缓流态[17]，减少切应力，进而降低流速[18]，而且随着草地植被覆盖度增加，植被阻水面积增加，水流绕过植被向下流动的流程也增加，水流与边界接触面积增大，水流阻力增大。本研究中，有植被覆盖的坡面阻力系数和曼宁糙率系数分别是裸坡的2.8～57倍和1.0～9.5倍，平均阻力系数范围为0.95～54.16，比Huggins等[19]、Wu等[20]f值均小于0.5的试验结果稍大，也大于Zhao等[15]用PVC短管模拟地表植被覆盖得到的阻力系数，这可能与本试验中植被的分布格局有很大关系。张冠华等[21]发现带状格局的植被布设增阻作用显著高于长条状、棋盘状和随机格局，这是因为在植株紧密布设形成的微地形作为新的粗糙元分离涡流，二次消耗了径流冲刷能量[22]。本试验中草地为集中连片式铺设，且最大植被盖度为90%。盖度越高，流态越趋近于缓流，弗汝德数越小，流速越慢，耗散的水流能量大，径流阻力系数越大。2.1.2 坡面侵蚀动力特征
图3显示，坡面流流速随覆盖度的增加显著减小（P<0.01），在不同流量下流速与覆盖度呈指数递减规律，二者相关关系分别为y=42.566e-0.017x(3.2L·min-1),y=42.233e-0.015x(5.2 L·min-1）。试验表明，有植被覆盖的坡面径流流速平均比裸坡径流流速减少30%～80%，说明植被覆盖能够显著降低坡面流流速[7,15-16]。坡面流流动过程中，需要克服坡面植被所产生的阻力，盖度越大，坡面流克服阻力消耗的能量越大，流速越低。每增加1%的植被，径流流速平均降低1%～3%。当覆盖度≥70%时，每增加1%的盖度，坡面流流速平均降低3.22%，说明植被覆盖度越大，对坡面流流速的减缓作用越显著。分析坡面流流速与冲刷流量的关系发现，在试验条件下，冲刷流量越大，坡面流流速越大，但流量对坡面流流速影响不显著（P>0.05）。流量为3.2 L·min-1时，30%、50%、70%和90%覆盖度下坡面径流流速分别是裸坡的69%、69.3%、49.6%和17.6%,5.2 L·min-1时，30%、50%、70%和90%覆盖度下坡面径流流速分别是裸坡的69.4%、83.6%、50.1%和21.8%,3.2L·min-1流量下的流速降幅要大于5.2 L·min-1流量下的流速降幅，说明坡面草被覆盖对坡面流的延缓作用随着流量的增加被削弱。随着植被覆盖度的增加，坡面流平均阻力系数和曼宁糙率系数均呈指数增加（图4）。植被增加了水流阻力，减缓流态[17]，减少切应力，进而降低流速[18]，而且随着草地植被覆盖度增加，植被阻水面积增加，水流绕过植被向下流动的流程也增加，水流与边界接触面积增大，水流阻力增大。本研究中，有植被覆盖的坡面阻力系数和曼宁糙率系数分别是裸坡的2.8～57倍和1.0～9.5倍，平均阻力系数范围为0.95～54.16，比Huggins等[19]、Wu等[20]f值均小于0.5的试验结果稍大，也大于Zhao等[15]用PVC短管模拟地表植被覆盖得到的阻力系数，这可能与本试验中植被的分布格局有很大关系。张冠华等[21]发现带状格局的植被布设增阻作用显著高于长条状、棋盘状和随机格局，这是因为在植株紧密布设形成的微地形作为新的粗糙元分离涡流，二次消耗了径流冲刷能量[22]。本试验中草地为集中连片式铺设，且最大植被盖度为90%。盖度越高，流态越趋近于缓流，弗汝德数越小，流速越慢，耗散的水流能量大，径流阻力系数越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]动床条件下植被盖度对坡面流水动力特性的影响[J]. 唐科明,张光辉,曹颖. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]坡度和雨强对坡面流水力学特性的影响研究[J]. 刘燕,王丰. 科技通报. 2018(08)
[3]草被覆盖下坡面流土壤侵蚀水动力学特征[J]. 朱慧鑫,胡晓静,程金花,戴矜君,张勇刚,程竞萱. 东北农业大学学报. 2018(07)
[4]土壤侵蚀:从综合治理到生态调控[J]. 史志华,王玲,刘前进,张含玉,黄萱,方怒放. 中国科学院院刊. 2018(02)
[5]黄土高原草地植被对土壤侵蚀影响研究进展[J]. 张琪琳,王占礼,王栋栋,刘俊娥. 地球科学进展. 2017(10)
[6]黄土高原生态工程的生态成效[J]. 刘国彬,上官周平,姚文艺,杨勤科,赵敏娟,党小虎,郭明航,王国梁,王兵. 中国科学院院刊. 2017(01)
[7]植被覆盖下坡面流阻力变化规律[J]. 戴矜君,程金花,张洪江,相莹敏,周柱栋. 水土保持学报. 2016(02)
[8]植被格局对坡面流阻力影响的试验研究[J]. 张冠华,刘国彬,易亮. 水土保持学报. 2014(04)
[9]模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响[J]. 孙佳美,余新晓,樊登星,梁洪儒,常玉,李瀚之. 生态学报. 2015(08)
[10]黄土高原土壤侵蚀(水蚀)多尺度过程与水土保持研究进展[J]. 韩晓燕,钱鞠,王磊,刘芬,毛泽秦. 冰川冻土. 2012(06)
本文编号：3287112
【文章来源】：中国沙漠. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
坡面放水冲刷试验示意图
随着植被覆盖度的增加，坡面流平均阻力系数和曼宁糙率系数均呈指数增加（图4）。植被增加了水流阻力，减缓流态[17]，减少切应力，进而降低流速[18]，而且随着草地植被覆盖度增加，植被阻水面积增加，水流绕过植被向下流动的流程也增加，水流与边界接触面积增大，水流阻力增大。本研究中，有植被覆盖的坡面阻力系数和曼宁糙率系数分别是裸坡的2.8～57倍和1.0～9.5倍，平均阻力系数范围为0.95～54.16，比Huggins等[19]、Wu等[20]f值均小于0.5的试验结果稍大，也大于Zhao等[15]用PVC短管模拟地表植被覆盖得到的阻力系数，这可能与本试验中植被的分布格局有很大关系。张冠华等[21]发现带状格局的植被布设增阻作用显著高于长条状、棋盘状和随机格局，这是因为在植株紧密布设形成的微地形作为新的粗糙元分离涡流，二次消耗了径流冲刷能量[22]。本试验中草地为集中连片式铺设，且最大植被盖度为90%。盖度越高，流态越趋近于缓流，弗汝德数越小，流速越慢，耗散的水流能量大，径流阻力系数越大。2.1.2 坡面侵蚀动力特征
图3显示，坡面流流速随覆盖度的增加显著减小（P<0.01），在不同流量下流速与覆盖度呈指数递减规律，二者相关关系分别为y=42.566e-0.017x(3.2L·min-1),y=42.233e-0.015x(5.2 L·min-1）。试验表明，有植被覆盖的坡面径流流速平均比裸坡径流流速减少30%～80%，说明植被覆盖能够显著降低坡面流流速[7,15-16]。坡面流流动过程中，需要克服坡面植被所产生的阻力，盖度越大，坡面流克服阻力消耗的能量越大，流速越低。每增加1%的植被，径流流速平均降低1%～3%。当覆盖度≥70%时，每增加1%的盖度，坡面流流速平均降低3.22%，说明植被覆盖度越大，对坡面流流速的减缓作用越显著。分析坡面流流速与冲刷流量的关系发现，在试验条件下，冲刷流量越大，坡面流流速越大，但流量对坡面流流速影响不显著（P>0.05）。流量为3.2 L·min-1时，30%、50%、70%和90%覆盖度下坡面径流流速分别是裸坡的69%、69.3%、49.6%和17.6%,5.2 L·min-1时，30%、50%、70%和90%覆盖度下坡面径流流速分别是裸坡的69.4%、83.6%、50.1%和21.8%,3.2L·min-1流量下的流速降幅要大于5.2 L·min-1流量下的流速降幅，说明坡面草被覆盖对坡面流的延缓作用随着流量的增加被削弱。随着植被覆盖度的增加，坡面流平均阻力系数和曼宁糙率系数均呈指数增加（图4）。植被增加了水流阻力，减缓流态[17]，减少切应力，进而降低流速[18]，而且随着草地植被覆盖度增加，植被阻水面积增加，水流绕过植被向下流动的流程也增加，水流与边界接触面积增大，水流阻力增大。本研究中，有植被覆盖的坡面阻力系数和曼宁糙率系数分别是裸坡的2.8～57倍和1.0～9.5倍，平均阻力系数范围为0.95～54.16，比Huggins等[19]、Wu等[20]f值均小于0.5的试验结果稍大，也大于Zhao等[15]用PVC短管模拟地表植被覆盖得到的阻力系数，这可能与本试验中植被的分布格局有很大关系。张冠华等[21]发现带状格局的植被布设增阻作用显著高于长条状、棋盘状和随机格局，这是因为在植株紧密布设形成的微地形作为新的粗糙元分离涡流，二次消耗了径流冲刷能量[22]。本试验中草地为集中连片式铺设，且最大植被盖度为90%。盖度越高，流态越趋近于缓流，弗汝德数越小，流速越慢，耗散的水流能量大，径流阻力系数越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]动床条件下植被盖度对坡面流水动力特性的影响[J]. 唐科明,张光辉,曹颖. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]坡度和雨强对坡面流水力学特性的影响研究[J]. 刘燕,王丰. 科技通报. 2018(08)
[3]草被覆盖下坡面流土壤侵蚀水动力学特征[J]. 朱慧鑫,胡晓静,程金花,戴矜君,张勇刚,程竞萱. 东北农业大学学报. 2018(07)
[4]土壤侵蚀:从综合治理到生态调控[J]. 史志华,王玲,刘前进,张含玉,黄萱,方怒放. 中国科学院院刊. 2018(02)
[5]黄土高原草地植被对土壤侵蚀影响研究进展[J]. 张琪琳,王占礼,王栋栋,刘俊娥. 地球科学进展. 2017(10)
[6]黄土高原生态工程的生态成效[J]. 刘国彬,上官周平,姚文艺,杨勤科,赵敏娟,党小虎,郭明航,王国梁,王兵. 中国科学院院刊. 2017(01)
[7]植被覆盖下坡面流阻力变化规律[J]. 戴矜君,程金花,张洪江,相莹敏,周柱栋. 水土保持学报. 2016(02)
[8]植被格局对坡面流阻力影响的试验研究[J]. 张冠华,刘国彬,易亮. 水土保持学报. 2014(04)
[9]模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响[J]. 孙佳美,余新晓,樊登星,梁洪儒,常玉,李瀚之. 生态学报. 2015(08)
[10]黄土高原土壤侵蚀(水蚀)多尺度过程与水土保持研究进展[J]. 韩晓燕,钱鞠,王磊,刘芬,毛泽秦. 冰川冻土. 2012(06)
本文编号：3287112
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