坡面流挟沙力水动力学机理实验研究

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土壤侵蚀是导致土地生产力下降和水环境恶化的主要因子之一,坡面流挟沙力是土壤侵蚀模型中的重要控制因子。研究坡面流挟沙力水动力学机理对于建立适合于我国实际情况的土壤侵蚀过程模型具有重要的理论意义。 水槽试验是研究坡面流挟沙力水动力学机理的主要研究方法。本文通过水槽冲沙试验,分析了坡面流挟沙力与坡度、流量、流速、水流深度、水流剪切力、水流功率、单位水流功率间的定量关系,比较了用不同水动力学参数模拟坡面流挟沙力的优劣,并对两种常用的坡面流挟沙力方程进行了检验。主要结论如下: (1)坡面流挟沙力随着坡度或流量的增加而增大;坡面流挟沙力随坡度增加呈线性形式增大,而随流量增加呈幂函数形式增大,当坡度增大到一定程度后,坡面流挟沙力随流量增加而增大的趋势逐渐接近线性。当坡度较小时,流量对坡面流挟沙力的影响大于坡度,随着坡度的增加,坡度对坡面流挟沙力的影响逐渐增大,最终接近流量的影响。可用坡度和流量的幂函数模拟坡面流挟沙力(R2=0.97)。 (2)坡面流挟沙力随着水流深度和平均流速的增加而增大;坡面流挟沙力随水流深度增加呈幂函数形式增大,在缓坡条件下,坡面流挟沙力随水流深度的增加而增大的幅度较小,当坡度较大时,水流深度的微小增加都会导致坡面流挟沙力大幅度的增大。坡面流挟沙力随平均流速增加呈线性形式增大,但坡面流输移泥沙需要一定的初始流速(Vc=0.58m/s)。当缺少相关试验数据时,可以用平均流速对坡面流挟沙力做出简单预测(R2=0.96)。 (3)水流剪切力、水流功率和单位水流功率是常用的模拟坡面流挟沙力的水动力参数。试验表明,坡面流挟沙力既可以用水流剪切力的幂函数模拟(R2=0.97),也可以用水流功率的线性函数模拟(R2=0.98),与水流剪切力和水流功率相比,单位水流功率与坡面流挟沙力间的关系并不紧密(R2=0.77)。 (4)对Govers模型和ANSWERS模型的检验结果表明:Govers模型模拟的挟沙力大于实测值,平均误差为17%,模拟误差与坡度和流量密切相关。ANSWERS模型模拟结果小于实测挟沙力,平均误差为20%,模拟误差与坡度密切相关。从而说明建立在缓坡条件下的坡面流挟沙力模型,无法直接应用于陡坡条件,在应用前必须对其进行必要的修正以提高其预测精度。
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