黄土陡坡上细沟流的水动力学特性,农业工程论文

黄土陡坡上细沟流的水动力学特性,农业工程论文细沟侵蚀指的是坡面上出现细小沟道的情况下，坡面土壤受细沟内的股流的作用而被分散、剥离和搬运的经过，这种细小沟道可被正常的耕作活动完全填平(FoodandAgriculturalOrganizationoftheUnitedNations,1956)。细沟侵蚀是中国黄土高原地区坡耕地侵蚀的主要方式，其侵蚀量占坡耕地总侵蚀量70%以上(李君兰等,2018)。坡面径流是坡面细沟侵蚀的主要动力来源，是搬运和分离坡面土壤颗粒的主要动力(王文龙等,2003)。细沟侵蚀的发生取决于坡面水流的水力学特性和坡面土壤条件(蔡强国等,2004)，研究细沟流在降雨扰动下的水力学特性，有助于通过水动力学的角度来认识坡面侵蚀产沙机理，进而能够更好地建立水土流失预报模型(Rejmanetal,2005)。坡面水蚀动力和细沟发育经过是互相影响、互相作用的复杂经过，同时又受降雨、坡度、坡长等条件的制约(Wirtzetal,2020)。针对黄土高原陡坡侵蚀的特点，深切进入研究和定量模拟这些经过的互相作用机制已成为当前坡面土壤侵蚀研究的前沿和难点(Shietal,2020)。关于坡面水流动力学和细沟侵蚀的研究一直是国内外土壤侵蚀经过研究的重点，获得了较大进展，归纳起来主要包括下面方面：坡面水流动力学、细沟侵蚀经过影响因素和临界条件、细沟发育经过及其模拟等(Romeroetal,2007;李君兰等,2018;Ges-sesseetal,2018)。关于坡面水流动力学特性，学者们主要围绕水流流态、水流流速、水流深度和水流阻力等展开了大量研究。试验多在15下面的缓坡进行，基于试验条件不一致，得到的研究结论并不一样(田凯等,2018)。由于天然降雨存在间歇性，经常会出现前期细沟已经发育成型，后期又出现降雨的情况，但当前对于这一情况下细沟流水动力学特性的研究还较少。而且以往关于人工模拟降雨条件下细沟水力学特性的研究，大多是在一次降雨条件下，研究细沟从有到无、后来逐步稳定的完好发育经过；但由于细沟发育位置的随机性，以及细沟形态的复杂多变，很难对其发育经过中的水力学参数进行准确描绘叙述(和继军等,2020)。也有学者采用特定宽度的水槽来模拟天然细沟，进而来研究细沟流的水动力学特性(谭贞学等,2018)，但试验水槽实际上跟自然构成的细沟形态特性差异不同很大，很难讲明该条件下试验结果的代表性。因而，在前人研究的基础上，本次试验尝试在进行第一次降雨使得坡面构成比拟稳定的细沟后，间隔24h再进行一次较小雨强的降雨，使坡面细沟能够保持发育平稳的状态，即坡面细沟的形态和分布都不再发生较大的改变，坡面细沟侵蚀产沙作用比拟微弱，进而来研究陡坡上细沟流的水动力学特性。2材料与方式方法2.1试验材料本次试验在中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的降雨大厅内完成。试验采用两种可调式钢制土槽，规格分别为5m1m0.5m和10m1.5m0.5m(长宽高)，坡度分别调节为10、15、20、25。试验采用下喷式降雨系统，降雨覆盖面积为27m18m，降雨高度为18m，以保证所有雨滴落地之前都能到达最大速度。降雨系统把水喷射至空中，水受空气阻力作用被破碎成不同大小的雨滴，与天然降雨构成的雨滴较为类似(李君兰等,2018)。本试验采用纯净水作为模拟降水的水源。国际上同类试验通常都采用纯净水作为室内模拟降雨的水源，因而，试验结果能够与国内外已有试验结论进行比照分析(Bergeretal,2018;和继军等,2020)。试验所采用的土壤为陕西杨凌当地的塿土，取自曾种植过小麦、但取土时已荒芜一年、土地表层植物为杂草的农耕地。对供试土壤进行风干后测定其机械组成，详细结果见表1。2.2试验设计为了使细沟迅速发育，在降雨雨强上，选择采用接近天然暴雨的雨强，因而第一次降雨采用1.5mm/min和2mm/min两种降雨强度，其降雨能量约等于天然降雨1.0mm/min和1.3mm/min的降雨动能，到达了天然降雨的暴雨级别，分别对应60和45min两种降雨历时以减少降雨量的影响；第一次降雨结束后，间隔24h再在未扰动坡面上进行第二次降雨，降雨雨强为1.0mm/min，降雨时间为60min，第二次降雨降低雨强是为了避免坡面细沟侵蚀剧烈导致细沟形态发生大的改变，尽量保证细沟能够发育处于比拟平稳的状态。在降雨试验开场之前，通过反复率定，使雨强均匀度到达90%左右。试验前对土样进行风干过筛，去除石块和杂草，采用分层填土法向试验土槽内装土，填土容重控制在1.1g/cm3左右(李君兰等,2018)。每次降雨前都用环刀法测坡面土壤含水率和容重，每次取样均在坡面上部和下部分别取两个平行样，取土后将取样处填平。第一次降雨前土壤平均容重和含水量分别为1.09g/cm3和12.81%，标准差分别为0.043和0.015；第二次降雨前的土壤平均干体积质量和含水量分别为1.18g/cm3和16.40%，标准差分别为0.011和0.047，几个指标的标准差均小于0.05，讲明数据集中程度高，可以为每次降雨之间的土壤初始条件一致(刘俊体等,2020)。坡面产流开场后在出水口收集泥沙样，测量采集泥沙样体积后对其烘干称重得到含沙量；坡面水流稳定后，采用染色剂(KMnO4)法记录水流通过一定长度(0.5m)的时间，进而算出水流速度(李君兰等,2018)。整个降雨经过采用高清摄像机全程录像，用来辅助人工记录以及细沟形态演变的分析。2.3相关水动力学参数的计算常用的水动力学参数主要包括雷诺数、弗洛德数、流速、剪切力和阻力系数等。当前，关于细沟流水动力学特性的研究均是借鉴河流水力学理论和方式方法开展(王龙生等,2020)。本次试验主要研究细沟发育平稳时流态、流速、水流剪切力和阻力系数等水动力学参数变化，并结合径流量进行分析和讨论。以两次降雨经过中坡面细沟发育明显的坡面为基础，选取了2090mm/h、20120mm/h和2590mm/h坡度和雨强条件下的5m和10m两种土槽共6个处理作为研究对象。通过观测降雨试验经过发现，坡面水流主要聚集到细沟中构成细沟流，而细沟间的薄层水流非常薄，所以本文根据式(1)，通过平均径流量和细沟流平均流速来计算细沟流平均深度：h=Q/VB(1)式中：h为平均深度；Q为平均径流量；V为细沟平均流速；B为坡面构成的几条细沟的平均宽度之和。考虑到坡面细沟形态的复杂性，将坡面分为几个坡段进行分析。鉴于试验条件下坡面径流全部来源于人工降雨，不同坡段的径流量与承雨面积呈正比，因而，5m坡长条件下距离坡顶1m、2m、3m、4m坡段某一时段的径流量能够根据坡面总径流量的1/5、2/5、3/5、4/5来计算，10m坡长距坡顶3m、5m、7m和9m处对应坡面总径流量的3/10、5/10、7/10和9/10。雷诺数Re是判别层流和紊流的定量准则，表征水流惯性力与粘性力比值的无量纲参数，表示出式为：Re=VR/v(2)式中：V为断面平均流速/(m/s)；R为水力半径/m；坡面流可用水深h近似代替；v为水流的运动粘性系数/(m2/s)，是水流温度的函数。弗洛德数Fr也是表征水流流态的无量纲水力参数之一，是水流惯性力与重力的比值，表示出式为：式中：V为断面平均流速/(m/s)；g为重力加速度，取g=9.8m/s2。水流剪切力公式(Foster，1984)为：式中：为水流剪切力/(N/m2)；为水流比重/(kg/m3)；R为水力半径/m；S为能坡。Darcy-Weisbach阻力系数表示出式为:【5】式中：g为重力加速度，取g=9.8m/s2；R为水力半径/m，对于薄层水流可近似用水深h代替；V为流速/(m/s)；J为水力坡度，J=sin，为床面坡度。3结果与分析比照第二场降雨前后坡面形态能够发现，细沟的形态(长度、宽度、密度)及分布特征均未发生明显变化〔图1-2〕。图3为第一、二场降雨经过中坡面径流含沙量随时间的变化情况。从图3能够看出，降雨经过中含沙量随时间的变化，第二场较第一场平稳，除了10m，25，90mm/h条件下坡面径流含沙量有较大波动外(很可能是受重力侵蚀作用的影响)，其他条件下坡面径流含沙量随时间变化不大。第二场降雨经过中不同条件坡面的含沙量标准差分别为0.010、0.018、0.012、0.009、0.010、0.038，试验数据离散程度较低，讲明在第二次降雨经过中，细沟是发育平稳的。3.1细沟流流态和平均流速流态是非常重要的水动力学参数之一，分析水流流态是研究其他水动力学参数的前提条件，但由于坡面径流流态的影响因素非常多，使得坡面流流态变化特别复杂(张光芒等,2001)。流速也是非常重要的水动力学参数，是计算坡面汇流和冲刷的基础，受地表特征、坡度和坡面水深(或坡面流量)等多种因素影响(刘和平等,2018)。为解决实际问题，当前一般将坡面流简化为一维恒定非均匀的沿程变量流处理(雷廷武等,2018)。本试验结果表示清楚，在第二次降雨经过中，细沟流只是对细沟沟壁的边沿进行冲刷和毁坏，细沟形态没有发生大的改变，处于相对稳定的阶段，且在没有更大雨强降雨情况下，细沟将一直维持这个状态。表2为不同坡面上不同坡段处流态及细沟流速大小。从表2能够看出，5m坡面的细沟流雷诺数在84~384之间，均小于500，属层流范畴；弗洛德数在1.10~1.80之间，属急流。10m坡面的细沟流雷诺数在227~898之间，弗洛德数变化范围在0.74~1.12之间，从坡顶向下雷诺数逐步增大，弗洛德数则逐步减小，这是由于从坡顶向下不同坡段流量是逐步增大的，因而雷诺数随之增大，弗洛德数随之减小。另外，弗洛德数反映了水流本身动能与势能的相比照例，弗洛德数公式可改写为：【6】可见，Fr等于水流的单位动能与单位势能之比2倍的开平方，因而对于缓流，Fr1，单位势能大于2倍的单位动能，势能占主要比例；对于急流，Fr1，则平均动能占的比例较大。从表2能够看出，随着距坡顶距离的增加及坡度的增大，弗洛德数均逐步变小。从能量角度分析，随着距坡顶距离的增加，水流由于受阻力影响需要消耗一部分能量，且从坡顶往下遭到的阻力逐步增大，因而消耗的动能就逐步增加，弗洛德数相应减小；而坡度增大直接导致水流势能增大，所以弗洛德数减小。表2显示，细沟流速大小受坡长影响并不特别显着，一样坡度下不同坡长的细沟流平均流速差异不同不大，这与夏卫生等(2004)在降雨条件下对薄层水流速度的研究结果一样。这是由于，固然从坡顶向下坡面流量会逐步增大，但细沟坡面水流主要聚集在细沟内，所以细沟水流速大小受细沟长度的影响可能大于坡长的影响。细沟形态对细沟流速影响则较为显着。25坡面细沟流速要小于20坡面上的细沟流速，这主要是由于25坡面的细沟密度较大，使得每个细沟内的流量减小，流速也随之变小。另外，25坡面细沟发育比拟完全，细沟深度也相对较大，细沟沟底跌坎存在消能的作用，也会使得细沟流速变小。由于细沟形态千变万化，怎样选择合理的量化指标来分析其形态变化特征，是研究细沟形态首先需要考虑的问题。3.2细沟流水流剪切力坡面径流在沿坡面向下运动的经过中，其运动方向上必将产生一个作用力，即为径流剪切力，其主要作用是冲刷土壤、毁坏土壤的原有构造、分散土壤颗粒，进而携带分散的土壤颗粒于水流之中，伴随水流运动一起输出坡面(王瑄等,2004)。坡面径流在5m和10m坡面的细沟流剪切力随坡顶距离的变化情况如此图4所示。图4中，5m和10m坡面上，细沟流剪切力分别在2.49~7.70和7.29~17.44之间，25坡面水流剪切力一般大于20坡面，10m坡长细沟流剪切力要明显大于5m坡长的，且从坡顶向下细沟流剪切力逐步增大。从式(4)能够看出，剪切力大小与坡度、细沟流深度呈正比，坡度变化直接造成坡面径流量变化，而水流深度受流量影响较大，因而，试验条件下的剪切力大小受流量、坡度影响。另外，对水流剪切力与雷诺数及弗洛德数进行相关分析，结果表示清楚：雷诺数与弗洛德数都与水流剪切力均显着相关，华而不实，雷诺数与水流剪切力呈显着正相关关系(r=0.875，p=0.001)，弗洛德数与水流剪切力呈显着负相关关系(r=-0.925，p=0.001)，讲明流态也对对水流剪切力产生显着影响。3.3细沟流水流阻力系数坡面径流在沿着坡面向下流动的经过中必然会遭到阻力作用。从能量的角度分析，水流阻力主要来自沙粒本身对水流的阻碍作用、沟槽形态对水流的阻碍作用及水流所挟带泥沙的阻碍作用这3个方面(张科利,1999)。这3种作用都与水流强度有关，而水流强度又主要受流量和坡度变化影响，因而细沟流所遭到的阻力与其流量及坡度的大小严密相关(李占斌等,2008)。Darcy-Weisbach阻力系数(f)是常用的表征水流阻力特征的水力学参数，其数值反映了下垫面对水流的阻力大小。阻力系数与径流量和坡度的关系特别严密。图5为5m坡面和10m坡面阻力系数随坡顶距离的变化。从图5能够看出，5m和10m坡长上的阻力系数分别在0.48~1.28和0.72~3.49之间，随着距坡顶距离的增加，阻力系数呈增大趋势；第二次降雨强度一样，坡度大的坡面上阻力系数也级别较大较大。相关性分析结果表