国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展

第14卷第3期2000年9月

水土保持学报

Journal of So il and W ater Conservati on

V o l.14N o.3

Sep.,2000

・综　述・

国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展Ξ

张　光　辉

(北京师范大学资源与环境科学系,北京　100875)

摘　要:　径流分离土壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之

一,对国外近20年来,坡面径流分离土壤过程的研究方法、控制方程、分离能力、挟沙力及存在

的问题进行了详细的论述,旨在综合国外研究经验,促进我国相关研究的发展。

关键词:　坡面径流;　分离过程;　水动力学

中图分类号:S157.1 文献标识码:A 文章编号:100922242(2000)0320112204

Su mmary Study on Runoff D etachm en t Processes Ba sed on Hydraul ics

ZHAN G Guang2hu i

(D ep art m ent of R esou rces and E nv ironm ental S cience,B eij ing N or m al U niversity,B eij ing100875,Ch ina) Abstract:　R unoff detachm en t is one of p rinci p al sedi m en t resou rces,and also is one of dom inan t p aram eter fo r so il ero si on m odel.T he research m ethod,con tro l equati on,basic hydrau lic param eters are summ arized,w h ich are u sed in the research ofAm erican and Eu ropean in the past202year.D etachm en t cap acity,tran spo rt capacity and issues are also analyzed.T he p u rpo ses focu s on in troducing overseas experiences and advancing relative research in Ch ina. Key words:　slop eland runoff;　detachm en t p rocesses;　hydrau lics

坡面侵蚀过程包括降雨溅击和径流冲刷引起土壤分离、泥沙输移和沉积3大过程[1],研究和分析这些过程发生、发展的水力、土壤、地形条件以及各过程间相互转化、相互影响的机理,是建立土壤侵蚀物理模型的前提条件。我国在该领域的研究较少,同时我国山丘面积占2 3,陡坡农耕地是重要的农业资源,而国外的研究工作很少在大于20%的坡地上进行,将国外现有的研究成果和侵蚀理论应用于陡坡会产生何种结果尚不清楚。因此,根据我国实际情况,开展陡坡土壤侵蚀分离、输移和沉积过程及其关系的研究,对于建立具有我国特色的土壤侵蚀模型,进而指导水土保持生产实践具有十分重要的理论和生产意义。

1　研究方法

常见的研究方法可分为室外和室内两大类,室外方法通常是选择比较规则、具有代表性的坡面,在坡面上根据研究目的需要,建立相应的观测小区。小区的宽度多在1～3m之间,基本要求是小区能够完整地反应地形地貌特征,小区的长度也与试验目的密切相关,有的长3～5m,有的则长达10m以上。试验时多采用模拟降雨结合放水冲刷,模拟降雨多用于提供相同的土壤前期含水量。放水流量根据试验目的确定,试验时测定流量,同时采集径流样,用于径流分离土壤速率的分析。

Ξ收稿日期:2000203214　3国家杰出青年科学基金资助项目(编号:49725103)

作者简介:张光辉,男,生于1969年,1999年毕业于中科院水利部水土保持研究所,获博士学位,现为北京师范大学资环系博士后。主要从事土壤侵蚀物理模型水动力学过程研究。

室内方法起源于水力学和河流动力学,试验在坡度可调的水槽中进行,水槽的宽度多在0.25～0.6m 之间,长度则因试验目的不同有所差异,多在3～9m 之间。根据试验目的,试验时可以采用放水或放水结合模拟降雨,放水流量用阀门和压力表控制。根据水槽下垫面情况的不同,室内试验方法可以分为定床和动床两类,所谓定床是指试验过程中水槽底部的糙率保持不变,常将试验土样或细沙粘于水槽底部,试验时水流无法改变糙率,这样既模拟了天然土壤的糙率,又消除了下垫面糙率变化对水流阻力的影响。用定床试验时存在供沙问题,常见的供沙装置有漏斗和侵蚀泥沙源两类,用漏斗供沙时,供沙速率由漏斗底部细孔的排列方式和数目控制[2]。泥沙由侵蚀泥沙源提供时,在试验水槽的上部安装了另一水槽,水槽内装有容易侵蚀的试验土壤,试验时给这一水槽降雨,被侵蚀的泥沙随径流进入第2个试验水槽,供沙速率由第一个水槽的坡度和降雨强度控制[3]。试验时同样进行流速测定、流量记录、泥沙样采集等。2　坡面径流分离过程控制方程

侵蚀过程包括雨滴和地表径流分离土壤、泥沙输移和沉积3个过程,分离是指径流作用于土壤的力大于土壤阻力时,土壤颗粒离开土壤母质的过程。已被分离的土壤颗粒被径流挟带,离开原始位置,随径流移动的过程为输移过程。径流输沙能力受多种因素影响,当输沙率大于径流挟沙力时,部分泥沙颗粒重新返回土壤表面,这一过程即为泥沙的沉积过程[4]。这3个过程互相影响、相互制约,一般认为径流分离土壤速率与输沙率呈反比,随着径流输沙率的增大,用于输沙的能量增加,相应地用于分离土壤的能量减小[5],特定断面处径流分离速率是径流挟沙力和实际输沙率的函数[6,7,8],其关系可用Fo ster 和M eyer [1]提出的关系式表示:

D r D c +Q s T c =1

(1)式中:D r 为径流分离速率;D c 为径流分离能力;Q s 为径流输沙率;T c 为径流挟沙力。

(1)式表明细沟径流分离速率D r 受径流输沙率的限制,随着输沙率的增大分离速率下降,当输沙率达到挟沙力T c 时,分离速率D r 为0。与此相反,当输沙率小于挟沙力时,径流分离土

壤,当输沙率Q s 为0时,径流分离土壤速率为径流分离能力D c 。N earing [4]对(1)式进行了简单

的分析,他的试验表明在水流分离土壤、泥沙输移过程中确实存在上述2个特殊情况,但其具体变化过程尚无试验证明,(1)式是将其进行线性化处理的简单结果[9]。

作为许多侵蚀模型控制方程的(1)式,并不是所有研究者都认可的。Bo rah [10,11]和Ro se [12]认为只有土壤分离过程受(1)式控制,分散土壤颗粒进入径流的过程不受(1)式的控制。Kem per [13]

发现径流分离过程与土壤质地紧密相关,对粘性土壤而言,输沙率增大会引起分离速率的增大。而M oo re 和B u rch [5]认为输沙率仅对与侵蚀力相关的部分过程起限制作用,原因是部分侵蚀力被用于泥沙输移。3　影响土壤分离速率的水力参数

影响径流分离、泥沙输移的因素很多,总体而言可以分为水力参数、土壤参数和细沟特征3大类。水力参数包括水流形态、水深、流速、流量、层流厚度、切应力、温度、水流比重。土壤参数包括土壤类型、土壤可蚀性因子、土壤比重、土壤粘结力、土壤阻力、土壤颗粒构成及沉降速度等。细沟特征包括细沟长度、坡度、宽度、边壁坡度、细沟数量和密度等。在过去的研究中应用最多的水力参数包括:水流切应力、水流功率、单位水流功率、D arcy -W eisbach 阻力公式、谢才和曼宁流速公式等。

3

11　第3期张光辉:国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展