黄土坡面发育平稳的细沟流水动力学特性

由于天然降雨存在间歇性,常会出现前期降雨已经发育成型的细沟又经历了二次降雨的情况,但目前对这一条件下细沟流水动力学特性的研究还很少。本文采用室内人工模拟降雨的方法,通过间隔24 h两场不同雨强的降雨,研究黄土坡面经过第一场降雨形成比较稳定的细沟之后,在第二场较小雨强降雨过程中,细沟发育平稳时的流水动力学特性。研究结果表明:①细沟流速大小受坡长影响并不显著,相同坡度下不同坡长的细沟流平均流速差别不大;细沟流速受细沟形态影响较大,25°坡面比20°坡面细沟密度大,流速相对较小;②剪切力大小受流量和坡度共同作用;雷诺数与水流剪切力呈显著正相关关系,弗洛德数与水流剪切力则呈显著负相关关系;③随着距坡顶距离的增加,阻力系数呈增大趋势;第二次降雨强度相同,坡度大的坡面上阻力系数也较大,可见阻力系数与径流量和坡度的关系十分紧密;阻力系数与雷诺数之间呈显著正相关关系,雷诺数的增加意味着平均流速增大,水流强度增大导致细沟形态更为复杂,水流受到的阻力增大;虽然雷诺数增加同时也意味着水流深度增大,但从试验结果可见,陡坡条件下阻力系数受流速的影响较大。     

耕作侵蚀对不同坡度下紫色土侵蚀产沙的影响

川中丘陵紫色土在长期耕作侵蚀与水蚀的交互作用下侵蚀严重,在不同地形条件下紫色土耕作侵蚀坡面在二者相互作用的内在机理,以及水力学特征随坡度的变化规律尚不明晰。本文选取四川盆地典型紫色土坡地土壤为研究对象,以10 m~2 土槽坡面坡顶裸露2 m~2母岩代表受耕作侵蚀严重的坡面(TE),以坡顶未发生母岩裸露作为对照坡面(CG),设计5种不同坡度(5°、10°、15°、20°和25°)坡面,在室内人工降雨大厅进行60 min强度为90 mm·h~(-1)的模拟降雨。试验结果表明:(1)当坡度从5°逐渐增加到25°时,TE坡面较CG坡面累计产沙量分别增加了 17.73%、49.91%、83.95%、57.70%、29.56%,在坡度为15°时增长比例最大。(2)TE和CG坡面平均流速和弗劳德数随着坡度增加而增加,阻力系数和雷诺数随着坡度增加而减小。与CG相比,TE坡面的流速、弗劳德数和雷诺数均显著增加,而阻力系数在10°～20°坡面显著减小。(3)在TE和CG坡面上,产沙速率和流速、弗劳德数均呈显著正相关关系,产沙速率和阻力系数呈显著负相关关系,产沙速率与雷诺数相关性不明显,拟合结果表明平均流速可以很好地预测坡面产沙速率和水力学变化趋势。研究显示不同坡度条件下耕作侵蚀均加剧了坡面水蚀的发生,15°可能是耕作-水复合侵蚀坡面产沙的临界坡度。本研究结果不仅丰富了耕作侵蚀对水蚀影响的理论,也为川中丘陵紫色土区土壤侵蚀防治提供了科学依据。     

降雨作用下红土型坡面径流特性与土壤侵蚀的关系研究

针对云南红土型坡面和一定的雨强、坡度,运用人工模拟降雨水槽模型试验、土工试验及相关理论分析相结合的研究方法,揭示降雨作用下云南红土型坡面径流的水动力学特性及红土干密度、坡面侵蚀模数与坡面径流剪切力之间的关系。结果表明:(1)坡面径流平均流速随坡面径流历时呈先逐渐增大后趋于稳定的变化趋势,且坡面径流的平均流速随红土干密度的增大而显著增加。坡面径流平均流速与单宽流量呈幂函数关系(R~2=0.996)。(2)坡面径流平均水深随径流历时也呈先上升而后趋于稳定的变化过程,且干密度越大,平均径流水深也越大,平均径流水深与单宽流量也呈幂函数关系(R~2=0.996)。(3)在试验条件下,坡面径流流态属层流急流流态。(4)在试验条件和干密度一定的条件下,坡面侵蚀模数随径流剪切力的增大而增大,二者之间呈线性关系,当干密度为1.0,1.1,1.2,1.3,1.4 g/cm~3时,R~2最小为0.816,最大为0.945;坡面红土的临界剪切力分别为0.482,0.510,0.556,0.586,0.656 Pa。坡面径流特性受多种因素的联合作用,坡面侵蚀模数及红土临界剪切力与坡面径流特性和土壤自身特性密切相关。     

地表覆盖对坡面流流速影响的模拟试验

植被覆盖对坡面流流速的影响,会引起坡面输沙特征的改变,但在陡坡条件下盖度与流速的响应关系尚不明确.针对目前国内外研究的不足,本研究采用变坡实验水槽在较大坡度(5°～ 25°)、流量(0.25 ～2 L/s)和盖度(0％～25％)范围内,系统研究了坡面流平均流速与盖度、坡度、流量之间的关系.结果表明:坡面流流速在0.15～ 1.35 m/s内变化,流速与盖度、坡度和流量关系密切.随着地表模拟盖度的增加,水流克服覆盖物的阻碍作用而消耗的能量越多,水流流速随之减小.随着坡度和流量的增加,坡面流重力势能与水流动能增加,因此流速随坡度和流量呈幂函数增加.通过统计回归发现,盖度对流速的影响最大,占45％左右,坡度和流量次之.三个因子可以较好模拟陡坡、定床条件下水流流速(R2 =0.93).研究结果有助于认识陡坡地表覆盖下坡面流的水动力学特性,为建立土壤侵蚀过程模型提供理论基础.     

坡长对坡耕地侵蚀产沙过程的影响

模拟降雨试验结果揭示出随着坡长增加,径流与侵蚀产沙量越大。当坡长小于１５ｍ时,累积侵蚀模数与降雨历时关系明显呈线性,其斜率随坡长增加而渐陡,当坡长大于１５ｍ时,累积侵蚀模数与降雨历时明显是非线性关系;坡长是导致细沟侵蚀的重要因素。细沟发育时,其侵蚀产沙量大约是坡面或细沟间的２－５倍;当细沟趋于稳定时,与无细沟发育的坡面水流含沙量值类似。在４０ｍ坡长小区,其单位时间侵蚀模数与２５ｍ坡长小区无明显差异,水流含沙量并无明显增加,显示出当坡长大于临界坡长时的变化过程规律。利用等高植物篱或等高地梗减少坡长有效值,可以大大降低单位面积上的土壤流失量。     

中国黄土分布区多沙曲流发育规律

依据中国黄土分布区多沙曲流的水沙资料、河床平面形态和河床大断面测量资料分析认为:多沙河流来水变率影响河床断面形态和曲流发育;由于窄深的河槽是高含沙水流输沙的必要条件和结果,因此随着含沙量的增加,多沙河流河床断面形态首先出现变窄深的趋势,随着含沙量的进一步增加,水流造床能力增大,河槽会向宽浅方向调整;一定的河床冲淤强度有利于曲流的发育,随着含沙量的增加,多沙河流河床曲率存在先增加后减小的规律.     

中国黄土分布区多沙曲流发育规律

依据中国黄土分布区多沙曲流的水沙资料、河床平面形态和河床大断面测量资料分析认为：多沙河流来水变率影响河床断面形态和曲流发育;由于窄深的河槽是高含沙水流输沙的必要条件和结果,因此随着含沙量的增加,多沙河流河床断面形态首先出现变窄深的趋势,随着含沙量的进一步增加,水流造床能力增大,河槽会向宽浅方向调整;一定的河床冲淤强度有利于曲流的发育,随着含沙量的增加,多沙河流河床曲率存在先增加后减小的规律。     

坡面流与坡面侵蚀动力过程研究的最新进展*

在回顾了坡面流及坡面侵蚀过程研究的简史与现状的基础之上,全面总结了坡面流形成机理及其模式、坡面流水动力学特性、坡面侵蚀动力过程及其侵蚀产沙模型诸方面研究的最新进展,并对坡面流各要素分析及坡面小侵蚀陡坎的形成等进行了一些探讨。最后,提出了坡面流及坡面侵蚀过程研究中存在的主要问题及未来展望。     

典型黄土坡面土壤侵蚀特征及径流流速空间变化试验研究

为了明确土壤性质对坡面侵蚀方式作用机制的影响,本研究采用室内模拟降雨试验,选取黄土高原典型暴雨强度,在不同坡度条件下,对两种黄土的坡面侵蚀方式、形态特征、产流产沙过程及其相应径流流速的变化规律进行了研究。结果表明,绥德土径流量明显高于安塞土,10º、15º和20º时前者的平均径流量分别比后者高出51.1%、55.5%和63.0%,且前者更易形成细沟,使得其平均含沙量和平均产沙率分别是后者的1.14~3.59倍和2.50~8.48倍。在片蚀阶段,与绥德土相比,安塞土的含沙量较高,后者的平均含沙量是前者的1.24~1.73倍,但两种土壤的含沙量和产沙规律相同,均表现为先快速增加到最大值,然后逐渐降低到相对稳定状态,该现象证明片蚀的初期阶段主要受控于径流输沙能力,后期受径流的剥蚀能力控制。在细沟侵蚀阶段,绥德土细沟发育以沟头溯源侵蚀为主,崩塌作用频繁,该侵蚀形式不仅控制着细沟形态的总体特征,也导致含沙量和产沙率均急剧增加,该阶段平均含沙量是相应片蚀阶段的3.25~4.34倍。细沟沟口下方坡面存在明显的泥沙沉积带,表明细沟集中水流的搬运能力远高于坡面漫流,细沟侵蚀主要受径流输沙能力控制。两种土壤的径流流速均表现为坡面下部高于坡面上部,径流稳定后高于径流稳定前,总体来看,绥德土和安塞土上坡和径流稳定后的平均流速分别是下坡和径流稳定前的1.4倍、1.25倍和1.75倍、1.29倍,此外细沟侵蚀或侵蚀强度与微地貌形态之间的互馈作用对径流流速也有较大影响。     

黄土坡面片蚀过程稳定含沙量及其影响因素

黄土高原地区坡面土壤侵蚀具有明显的垂直分带性,溅蚀片蚀带是坡面侵蚀的最上方地带,研究片蚀过程含沙量变化有助于阐明坡面侵蚀规律。本文采用人工模拟降雨试验方法研究了黄土坡面片蚀稳定含沙量及其影响因素;试验处理包括2种质地的黄土(塿土和黑垆土),2个雨强(90和120 mm/h)和4个坡度(10°、15°、20°和25°)。结果表明：在不同质地黄土、降雨强度和坡度条件下,水流含沙量均呈现先减小后平稳的规律;稳定含沙量与土壤颗粒体积分形维数、降雨强度和坡度呈幂函数关系,稳定含沙量随土壤颗粒体积分形维数的增大而减小,随降雨强度和坡度的增大而增大,影响程度依次为土壤颗粒体积分形维数、降雨强度和坡度;所分析的水动力学指标中单位水流功率与稳定含沙量关系最密切,降雨强度对稳定含沙量的影响大于单位水流功率。     

风沙运动中MAGNUS效应的数值研究

在风沙运动中,跃移沙粒一般都会伴随高速旋转,同时引起一种升力效应,即Magnus效应。采用数值模拟的方法计算了0.1Re400,转速ω为100~1000 rev.s-1范围时均匀来流中单个球形沙粒受到的Magnus力,并与Rubinow和Keller推导的Magnus力公式进行了比较。计算结果表明,在0.1Re200范围内,升力和沙粒的旋转速度成正比,随雷诺数的增大而减小。同时,Magnus效应和固定沙粒在均匀来流中的流动结构也有关系,即计算结果和Magnus力公式的升力系数比K在沙粒流动是附体的时随Re数增加逐渐减小,在Re=20~30时达到最小值,然后在沙粒流动是对称分离的时K随着Re数增加逐渐增大。当雷诺数继续增大到超过200时,沙粒本身流动状态非对称所引起的升力超过Magnus效应产生的升力,但Magnus效应的作用也不可以忽略。根据计算结果,对Magnus力公式进行了修正。另外,还发现流场速度梯度与Magnus效应并没有耦合作用,速度梯度对升力的影响可以和Magnus效应线性叠加。     

风沙运动中沙粒阻力的数值研究

 对雷诺数Re≤300下单个圆球的阻力和两个前后不同距离的圆球之间的相互干扰对阻力特性的影响采用数值模拟的方法进行了研究。其中,单球的计算主要是为了检验方法的可靠性,并为后面双球干扰的计算提供一个基础。单球计算结果表明：单球的阻力系数值和流动特性与文献中的研究结果很符合。双球计算的结果表明：后球对前球的阻力影响很小,而前球对后球的影响则非常大,计算中后球的阻力最小只有单球的30%。这种影响与圆球的雷诺数和两球之间的距离都有关系。     

中国天然气资源流动优势度时空演变特征

引入天然气资源流动优势度概念,对2000-2012年中国天然气资源流动输流地与汇流地优势度进行测算,并对其时空演变及影响因素进行研究,研究表明：① 输流地、汇流地的数量及优势度随时间不断变化,表现出显著的地域差异性。② 输流地优势度集聚性先降低后升高,热点区在西北部区域,空间上表现出向东南—西北方向分布,最后呈现出接近南北方向偏移;汇流地优势度空间上总体上呈现出增加的趋势,热点区在东部区域,空间分布呈现出由西北向东南移动趋势。③ 天然气资源流通条件及产量是输流地优势度空间格局变化主要影响因素;汇流地天然气资源消费、天然气工业及流通条件是汇流地优势度重心空间格局的主要影响因素,并且程度逐渐加强。     

城市群人口流动空间网络及影响因素

选取2015—2018年11个城市群的人口流动频次数据,运用复杂网络分析和QAP(Quadratic Assignment Procedure,二次指派程序)分析方法,研究不同发展阶段城市群间以及城市群内部人口流动空间网络格局及演变,进一步分析影响因素。主要结论有：(1)城市群间人口流动空间网络呈现明显的“钻石”结构,而城市群内部表现为不同丰度的“金字塔”结构,优化提升阶段城市群是人口流动的主体区域,其城市群内部与城市群之间人口流动空间网络结构相较于其他两个阶段更复杂。(2)人口流动空间网络格局相对稳定,以“胡焕庸线”为人口流动总量的分界线,在优化提升阶段的城市群作用之下,东部城市群的人口流动总频次远大于中西部,呈现出稳定的“东密西疏”结构。(3)城市群内部人口流动空间网络均呈现小世界特性,形成明显的以相邻城市为主体的“凝聚子群”。(4)城市群人口流动空间网络影响因素存在差异,舒适度水平逐渐成为人口流动的重要驱动因子。人均绿地面积、失业保险参保人数占总人口比重、人均道路面积、人均专利授权量和年均气温等在多个城市群的人口流动空间网络形成中均发挥了显著作用,而在岗职工平均工资对不同城市群的...     

近期中国省际经济社会要素流动的空间特征

本文运用GIS空间分析和图形技术 ,就中国省 (区 )际人口迁移、铁路客流、航空客流、铁路货流、信件流等经济社会要素流动的空间特征进行综合分析。结果表明 :地区经济水平对要素流的形成与分布影响较大 ,京津唐、沪苏浙和广东构成了要素流的三大核心 ;要素流呈现为 4种基本空间型态和两类空间模式 ;各要素流的空间分布很不均衡 ,流量重心大幅偏离我国国土几何重心 ,但与人口和经济分布重心吻合度较高。     

20世纪末期中国石油资源空间流动格局与流场特征

本研究以“1999年分省能源平衡表”及石油资源贸易与转运资料为基础,首先将全国26个石油流动省份划分为基本自给型、半自给型、净支出型和净补给型四种石油资源流动平衡类型及输流中心、汇流中心和交流中心三大流动职能类型,分析得出中国石油资源流动在地理空间上表现为集中输流和分散汇流的特征,其中源地系统的空间形态为直角三角形,汇地系统为直角梯形,源—汇复合系统则为钝角三角形。其次依据资源位势梯度力将中国石油流动划分为北部、西北、华东和华南四大流场。北部流场的石油流动轨迹在东北区呈现树状网络结构、在华北区为单枝二叉树结构,西北流场的流动轨迹形态为“X”形结构,华东流场为多中心“Ⅲ”字形结构,华南流场则为“Y”形结构。     

中国省际煤炭资源流动的时空演变及驱动力

根据1957-2005 年中国各省区煤炭调出和调入数据, 运用SPSS 和GIS 方法, 首先对 “一五”~ “十五”各省区的煤炭流动地域类型进行了判别, 然后在省域尺度研究了煤炭资源 区域流动的时空过程, 最后探讨了煤炭资源流动时空演变的驱动力。“一五”~ “十五”中国 省际间煤炭流动演变特征有: 中国省际间煤炭资源流动规模逐年增大, 省际间煤炭调出总量 年均增长5.9%, 煤炭调入总量年均增长5.6%。流动范围逐年扩展, 无流地由1957 年的10 个省区缩小至近年的1 个左右。流场呈集中输流、分散汇流的特征, 调出省区个数< 调入省 区个数, 调出首位度> 调入首位度。煤炭区域流动演变的主要驱动力有: ① 产消不平衡是煤 炭资源区域流动的基本动力。晋陕蒙、西部煤炭产消盈余, 华东、中南、东北煤炭产消亏缺, 决定了北煤南运、西煤东运的煤炭流动格局。② 运煤通道的改善促进了煤炭区域流动。2005 年交通密度指数在20 以上的省区, 煤炭外运条件较好, 交通密度指数20 以下的省区都不同 程度的存在煤炭外运困难。而且, 统筹交通设施布局与煤炭生产布局可极大地推动区域煤炭 流动。③ 煤炭区域价格差异是煤炭流动的信号, 对资源流动的方向和数量产生一定的影响。     

中国市域间日常人口流动特征及影响因素

基于腾讯位置大数据,分析了2015—2018年中国368个城市间人口流动的空间格局,并基于指数随机图模型（ERGM）识别了与人口流入、流出相关的影响因素。研究发现：① 人口流动的空间分布格局相对稳定,形成了以京、深、沪、穗、蓉、莞为“中枢”的菱形空间结构。② 通过社区划分得到的城市子群结构表明,社区间呈现明显的地理临近和省际分异特征,既形成了以省会城市为核心、受省界制约明显的中心–腹地结构的小型城市子群,也形成了跨越省界的多中心结构的大型城市子群,但大部分城市以省界为主要流动圈层,省域内人口流动更为密切。③ ERGM模型确定的人口流入、流出网络影响因素与新古典经济学理论相一致,人口规模、城市化水平、时间成本、经济成本等市场因素和经济因素在人口流动中仍然具有主导性作用。④ 城市对外来人口的吸引力更大程度上取决于自身的属性特征,而城市人口外流更依赖于外部网络关联要素,一定程度上验证了推拉理论中城市“拉力”的主导力量,以及各类距离因素的综合作用。     

泥石流运动流型与流态特征

泥石流的运动流型与流态是研究泥石流运动力学的重要内容。以云南东川蒋家沟泥石流运动观测为例,对阵流型、连续型、复合型三种流型及相应的流量过程特征进行了分析;借鉴水力学的流态理论,对天然沟遭中泥石流的流动状态(即层动流、波动流现象)进行了探讨分析,指出在一阵流动过程中也会出现几种不同流态特征。     

敦煌葡萄液流特征及耗水分析

基于热平衡原理,运用FLOW32包裹式植物茎流计对甘肃敦煌南湖地区无核白葡萄液流速率进行长期连续观测,并对多个气象因子开展同步测定,分析探讨不同天气条件下葡萄液流速率及气象因子的日变化特征,进行了液流速率与各气象因子的回归分析,建立了液流速率的多元曲线回归模型,分析了葡萄树的耗水规律.结果表明:在不同天气条件下无核白葡萄树液流速率日变化差异显著,日均液流速率晴天 > 阴天 > 雨天;液流速率与光合有效辐射、水汽压亏缺呈线性相关,与冠层温度、冠层相对湿度呈曲线相关,相关程度大小顺序为光合有效辐射 > 水汽压亏缺 > 冠层温度 > 冠层相对湿度;建立液流速率的多元曲线回归模型,为研究葡萄树潜在耗水能力提供了预测手段;对比分析了无核白葡萄树的耗水量,为当地农业灌溉及种植等提供了合理化建议.