银西高铁董志塬地区边坡侵蚀特性分析

黄土坡面侵蚀特性研究对于铁路边坡及路基防护具有重要的意义。通过银西高铁董志塬段某路基护坡坡面冲刷试验,获得了不同冲刷历时、冲刷流量、坡度等条件下的坡面冲刷结果,并对坡面流水动力学特性、坡面产沙规律、坡面产沙机理进行了分析,得出以下结论:（1）坡顶和坡底比坡面中部更易受侵蚀;30°～60°斜坡在较小的冲刷强度下也能产生较明显的侵蚀沟,宜采取45°左右的多级矮坡来减弱侵蚀强度。（2）坡面流水动力学特性分析表明,试验工况水流主要处于过渡流区;平均流速与冲刷流量、坡度呈幂函数关系;达西阻力系数与冲刷流量、坡度呈负相关,且与雷诺数相关性较低。（3）平均含沙量随冲刷流量与坡度的增大而增大,随历时近似线性增加,约20 min以后,含沙量基本稳定,此过程为坡面沟道发展阶段。（4）坡面侵蚀产沙量与侵蚀切应力、有效水流功率都呈正相关,与前者近似呈线性增大关系,而与后者近似呈幂函数关系。     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

土壤侵蚀的中子活化示踪法研究

利用中子活化示踪法研究坡面土壤的侵蚀过程,发现坡面的相对侵蚀量从坡脚到坡顶随坡长的变化符合Weibull分布,其形状参数主要受降雨量、降雨历时和径流深度的影响,尺度参数主要与平均雨强、I₃₀相关.坡面在侵蚀的同时也发生沉积,一般来说短历时高强度的降雨沉积量较小,而长历时低强度的降雨沉积量较大,某一部位侵蚀产沙的沉积量与其距离之间有y=axb的关系.坡面径流直接影响着坡面的输移比,当径流深和径流系数较高时,输移比接近于1,否则输移比降低.     

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°~30°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3°~21°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21°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3°~21°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21°和24°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10.368~30.366的范围变化,试验的土壤可蚀性的平均值为14.61。     

坡面细沟侵蚀产沙时空分布规律试验研究

利用放水冲刷试验结合稀土元素(REE)示踪技术对坡面侵蚀产沙特征及其时空变化进行了研究。结果表明:在径流冲刷下,坡面侵蚀产沙可分为三个不同的阶段并对应不同的产沙特征。其空间变化表现为,在6°、9°情况下,坡面不同坡段的相对侵蚀量沿下坡方向呈现出先减小后增大的趋势;在12°小流量情况下,坡面各坡段的相对侵蚀量与坡度较小的情况相似,当流量较大时,坡面各不同坡段的相对侵蚀量随坡长的增大而减小。但坡面最下端坡段的相对侵蚀量总是随着冲刷历时的延长而减小,其余各坡段的相对侵蚀量则呈现出缓慢的波动式上升。     

细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程

次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程和细沟的发生发展过程是土壤侵蚀规律研究中的重点和难点。利用REE示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验方法,通过室内模拟降雨试验,对坡面侵蚀演变过程进行了探索性研究。结果表明:降雨初期坡面侵蚀以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟侵蚀量逐渐增加,但后者的增加速率大于前者,面蚀占总侵蚀量的比率随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量为面蚀量的2～4倍。本研究为定量区分和研究坡面侵蚀过程中面蚀和细沟侵蚀量,面蚀向细沟侵蚀的转变以及细沟侵蚀发生、发育提供了新的思路和解决途径。     

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

蒋家沟流域坡面侵蚀特征实验研究

受流域内物质成分、气候条件和复杂侵蚀营力的影响,蒋家沟流域坡面侵蚀现象甚为严重。根据流域内坡面物质成分、气候、降雨等方面分析了发生坡面严重侵蚀的原因;并进行了大量的人工降雨侵蚀实验,分析降雨坡面产流产沙过程和特征。实验结果表明径流随降雨时间和降雨量的增加呈跳跃和波动性增加,泥沙含量随降雨时间增加而逐渐减小。     

Catchment-scale soil erosion and sediment yield simulation using a spatially distributed erosion model

Increasing rainfall intensity and frequency due to extreme climate change and haphazard land development are aggravating soil erosion problems in Korea. A quantitative estimate of the amount of sediment from the catchment is essential for soil and water conservation planning and management. Essential to catchment-scale soil erosion modeling is the ability to represent the fluvial transport system associated with the processes of detachment, transport, and deposition of soil particles due to rainfall and surface flow. This study applied a spatially distributed hydrologic model of rainfall–runoff–sediment yield simulation for flood events due to typhoons and then assessed the impact of topographic and climatic factors on erosion and deposition at a catchment scale. Measured versus predicted values of runoff and sediment discharge were acceptable in terms of applied model performance measures despite underestimation of simulated sediment loads near peak concentrations. Erosion occurred widely throughout the catchment, whereas deposition appeared near the channel network grid cells with a short hillslope flow path distance and gentle slope; the critical values of both topographic factors, providing only deposition, were observed at 3.5 (km) (hillslope flow path distance) and 0.2 (m/m) (local slope), respectively. In addition, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependent on Thiessen polygons, led to spatially distinct net-erosion patterns; erosion increased gradually as rainfall amount increased, whereas deposition responded irregularly to variations in rainfall.     

陕北风沙区含砾石工程堆积体坡面产流产沙试验

采用室内人工模拟降雨方法,研究了陕北风沙区含砾石工程堆积体边坡的产流产沙过程。结果表明:①砾石存在改变了坡面入渗速率,径流系数受入渗速率的影响,随砾石含量的增加先线性递减后线性递增,并在10%砾石含量处存在阈值;径流系数随降雨强度的增加线性递增。②含砾石堆积体坡面流速较纯土堆积体降低,且随雨强增大,砾石延缓径流流动的作用越显著;雨强对径流流速的影响随砾石含量增加持续减弱。③土壤剥蚀率在产流24~33 min后显著增加,砾石主要对显著增加后的平均剥蚀率产生影响。④雨强1.0 mm/min时,砾石存在促进降雨侵蚀,产沙量增大;雨强大于1.0 mm/min时,砾石具有显著的减沙效应。     

Rill erosion: Exploring the relationship between experiments,modelling and field observations

Predicting rill erosion rates for a given discharge and slope minimally requires a model for rill hydraulics that allows the prediction of hydraulic parameters and a model for sediment detachment. Several relationships that describe rill hydraulics and/or sediment detachment within an eroding rill have been proposed and are incorporated into state of the art soil erosion models.In this paper a critical review of the theoretical concepts that are underpinning current rill flow and sediment detachment models is made in the light of recent experimental results. Approaches to define detachment–hydraulics relationship are generally based on developments in alluvial river hydraulics. However, experimental evidence to support the use of these concepts in models of rill erosion is scarce and recent experimental findings suggest that the basic assumptions used to model rill erosion are to some extent flawed. An analysis of empirically collected data on rill hydraulics conclusively shows that the empirical Manning equation does not hold for rill flow and should therefore not be used in rill erosion models. An empirical power law relationship relating velocity to discharges is much better in agreement with available experimental data, both for soils with and without rock fragments. In the absence of vegetation residue and/or other macroscopic, immobile elements such as rock fragments, total shear stress and unit length shear force can be used to predict soil detachment. The use of unit length shear force has the advantage that no information about rill geometry is necessary.The evidence for sediment load and rill flow detachment interaction is somewhat conflicting: the presence of a heavy sediment load appears to restrict rill flow detachment, but the exact form of the relationship between detachment rate and sediment load remains unclear. The effect of the presence of a sediment load on flow detachments under natural conditions is also limited by the nature of the detachment and transporting capacity relationships: on a rectilinear hillslope, transporting capacity increases much more rapidly with discharge than detachment capacity.We propose modifications to the theoretical formulations used in rill erosion models so that they are in better agreement with experimental evidence. Finally, we illustrate the potential of simplified models and conclude that the combination of empirical equations for flow detachment and rill hydraulics leads to results that are consistent with empirical data relating rill erosion rates to topography.     

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

人工掏挖坡面侵蚀微地貌演化及其水力学特性分析

人工掏挖是黄土高原地区夏闲地翻耕时广为应用的耕作方式,为探明其坡面侵蚀过程,利用三维激光扫描仪及ArcGIS软件,阐明其在人工模拟间歇降雨下坡面微地貌、侵蚀产沙及水力学参数演变规律。结果表明:①坡面侵蚀历经溅蚀-片蚀、断续细沟、连续细沟3个阶段;降雨截止时细沟平面密度、平均沟深、最大沟长和最大沟深分别增至初始的1.42倍、2.24倍、15.5倍和2.43倍。②地表糙度随降雨历时推移从1.706呈近似线性趋势减小至1.488;累积降雨量达80 mm之前,径流量、含沙量随地表糙度的减小增加缓慢,但之后随地表糙度减小增加剧烈。③降雨过程中流速呈现波动增加趋势,水流由层流快速过渡至紊流,但始终保持为缓流,水流阻力呈波动下降,且形态阻力一直居于主导地位。人工掏挖耕作坡面在雨强1.5 mm/min、降雨量80 mm以内可起到蓄水保土作用,但在连续强降雨下也更易引起细沟侵蚀。     

细沟形成对坡面产流产沙过程的影响

为探明细沟形成条件下不同土壤坡面水沙变化特性,利用室内模拟降雨试验,分析了塿土和黄绵土在细沟发育及已有细沟条件下的水沙过程变化规律。结果表明,塿土产流快,易形成细沟,细沟发育有明显的规律性,在坡面上呈平行状分布,细沟密度与坡度密切相关,细沟存在会延长产流时间;黄绵土产流慢,较难形成细沟,细沟发育随机性大。细沟发育对产流过程没有明显影响,土壤入渗快慢是两种土壤产流过程存在差异的主要原因。细沟发育程度加剧,会使塿土含沙量的增加速度加快,达到稳定含沙量的时间提前,坡面已有细沟只对稳定含沙量有明显影响,细沟密度增加会使稳定含沙量提高;黄绵土含沙量的变化主要取决于细沟发育过程中的随机性,当细沟侵蚀以崩塌作用为主时,含沙量会出现急剧增加,即使雨强较小,也会产生严重的土壤侵蚀。