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砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究


第 39 卷 第 8 期 2011 年 8 月

西北农林科技大学学报( 自然科学版) Jo ur nal of N o rthwest A & F U niver sity( N at. Sci. Ed. )

Vo l. 39 N o. 8 Aug . 2011

DOI: CNK I: 61 1390/ S. 20110711. 1734. 041 网络出版时间 : 2011 07 11 17: 34: 00 - 网络出版地址: http: / / w ww . cnki. net/ kcms/ detail/ 61. 1390. S. 20110711. 1734. 041. html
*

砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究
苏 涛1a , 张兴昌1a, 1b , 2 , 赵怀玉3
( 1 西北农林科技大学 a 资源环境学院, b 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;

2 中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3 鄂尔多斯市水土保持科学研究所, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

[摘

要]

目的 研究砒砂岩地区坡面 径流的 侵蚀 规律, 为该 地区 坡面水 蚀预 报模 型的建 立提 供理论 依据。

方法 在 内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的西召沟内, 选取典型的 砒砂岩沟坡, 采用野外实地放水冲刷试验, 对不同 冲刷 流量( 100, 150, 200, 250, 300 L/ h) 和坡度( 5 , 15 , 25 , 35 ) 下砒砂岩坡面径流的水动力学特性进行研究。 结果 在试 验的冲刷流量和坡度范围内, 砒砂岩地区坡面径流流 速均随冲刷流量和坡度 的增加而增 大, 它 们之间呈幂 函数关系。 坡面径流 雷诺数( Re) 为 58. 55~ 442. 85, 且 Re 随冲刷时间的延长有增大 的趋势。坡面径流弗罗 德数( Fr ) 为 0. 738~ 2. 281, 且 Fr 随着冲刷流量和坡度的增加而增大。当冲刷流量和坡度较小时, 径流流 态为层流 和缓流; 当流量和 坡度 较大时, 径流流态为层流和急流。坡面径流 Darcy W eisbach 阻力 系数( f ) 与冲刷 流量和 产沙量 呈反比 关系。 结论 相对于其 他地区, 砒砂岩地区坡面径流水动力学 特性有 其独特 的特征, 研究 结果可 以进一 步揭示 该地区坡 面侵蚀 产 流产沙机理及侵蚀动力学机制。 [ 关键词] 砒砂岩地区; 坡面侵蚀; 水动力学; 冲刷试验 S157. 1 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1671 9387( 2011) 08 0203 07 [ 中图分类号]

Study on hydraulic characteristics of slope runoff in Pisha sandstone region
SU T ao , ZH A NG Xing- chang
1a 1a, 1b, 2

, ZH AO H ua- yu i

3

( 1 a Coll eg e of Re sour ces an d Env i ronment , b I nsti tu te of S oil an d W at er Conse rv at ion, N ort hw est A& F Univ er sit y , Yangl i ng , S haanxi 712100, Ch ina; 2 I nst i tu te of S oi l and W at er Conse rv ati on, Chi nese A cad emy of Sc ienc es and M ini str y of W at er Re sour ces , Yang li ng , S haanx i, 712100, Chi na; 3 Erd os I nst it ut e of S oil and W at er Conserv at ion Sci ence , E rd os, I nner M ong ol i a 017000, Chi na )

Abstract:

Object iv e T he paper studied the er osion rule of slo pe runo ff and pro vided t heoretical basis

fo r w ater er osion for ecast mo del in P isha sandst one reg ion. M et hod We conducted t he f ield r unof f scou r ing experiment to st udy t he hydrody namic charact erist ics of slope runof f under t he diff erent scouring f low dischar ges ( 100, 150, 200, 250, 300 L / h) and slope g radient s( 5 , 15 , 25 , 35 ) . T ypical slope of P isha sand st one in Xizhao g ul ly, Jungar Banner, Erdos, Inner M ong olia w as select ed as ex periment sit e. Result T he flo w velocity of slope runof f incr eased w it h the increase o f scouring f low discharges and slope g radient s un der t he f low dischar ges and slope gradients o f t his experiment in Pisha sandst one region and t here w as pow er funct ion relat ionship amo ng runof f v elo cit y, sco uring f low discharges and slope g radient s. T he Reyn * [ 收稿日期] [ 基金项目] [ 作者简介] [ 通信作者] 2010 -26 -12 中国科学院知识创新工程重要方向项目( K ZCX 2 W -Y -441) ; 国家 科技支撑计划项 目( 2006BA D09B06) ; 国 家 973 计 划 项目( 2007C B106803) 苏 涛( 1978- ) , 男, 陕西咸阳人, 讲师, 在读博士, 主要从事土壤侵蚀与水土保持措施研究。 E ail : vin cen tt ao2@ 163. com -m 张兴昌( 1965- ) , 男, 陕西武功人, 研究员, 博士生导师, 主要从事土壤侵蚀与水土保持措施研究。 E ail : z hangxc@ ms . isw c. ac. cn -m

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西北农林科技大学学报( 自然科学版)

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o lds num ber( R e) of t he slope r unof f v ar ied bet w een 58. 55 and 442. 85 and Re had t he t endency t o increase w it h sco uring tim e. T he Fr oude num ber( Fr ) of slope flo w runoff varied betw een 0. 738 and 2. 281 and Fr increased w it h t he increase o f sco uring flow discharg es and slope g radient s. T he f low regimes were laminar flo w and subcr it ical f low w hen f low discharg es and slope g radient s w ere sm aller. T he flow reg imes w ere laminar flo w and supercritical flow w hen f low discharg es and slo pe gr adient s w ere big ger. T here w as in v erse relationship am ong Darcy Weisbach drag coeff icient ( f ) , scouring f low discharges and sediment y ield. Conclusion T he hy draulic charact erist ics of slope runoff in P isha sandst one r eg io n are uniquely relat ive t o ot her regions. T he result s can furt her r eveal t he mechanism of runo ff and sediment y ield of slope ero sion and erosio n dynamic mechanism in Pisha sandst one region. Key words: Pisha sandst one region; slope ero sion; hydr ody namics; scouring ex periment 在黄河流域的晋陕蒙接壤地区, 分布着被当地 人俗称为 砒砂岩 的松散岩层, 具体指古生代二叠 纪、 中生代三叠纪、 侏罗纪、 白垩纪的厚层砂岩以及 砂页岩和泥 质砂岩组成的岩石互层, 包括灰黄、 灰 白、 紫红等颜色的石英砂岩, 灰、 灰黄、 灰紫色的沙质 页岩及紫红色的泥岩、 泥沙岩等。由于这种岩层自 身物理、 化学性质以及当地自然、 人文环境的特殊 性, 使得该岩层极易发生剥蚀, 群众深受其水土流失 危害, 视其危害毒如 砒霜, 故称其为 砒砂岩
[ 1 3] -

岩坡面径流侵蚀的产流 产沙机理和侵 蚀动力学机 制, 进而为该地区水蚀预报模型的建立、 坡面水土流 失的控制和水土保持合理规划提供理论依据。

1 试验区概况与研究方法
1. 1 试验区概况 试验布设在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗准格尔

召镇( 又名西召镇) 西召沟内, 位于 E110 07 39. 8 ~ 111 07 40. 2 , N39 36 53. 3 ~ 39 36 54. 2 , 海 拔 1 358~ 1 365 m。该点地处鄂尔多斯高原中东部, 属大陆性干旱半干旱气候, 年平均气温 7. 3 , 10 积温 3 400 , 太阳总辐射量 599 kJ/ ( cm 2 年) , 年蒸发量 2 100~ 3 700 mm ; 降水量年际变化大, 多 年平均降水量仅 251. 1~ 522. 2 mm, 多以暴雨形式 出现, 且主要集中在 7- 8 月。根据西召沟流域测点 1995- 1999 年连续观测可知, 该区平均汛期降雨量 为 263. 0 m m, 平均风速 12. 3 m/ s, 春季干旱, 冬季 寒冷, 无霜期仅 140 d。试验区为典型 的砒砂岩地 貌, 多为切割很深的砒砂岩沟谷, 间有盖沙黄土和黄 土出现。砒砂岩层由灰白、 灰绿、 紫红、 砖红、 黄褐等 不同颜色的砂粒构成, 层状结构, 组织松散, 厚度在 100~ 300 m, 粗 沙 ( 粒 径 0. 05 m m ) 含 量 约 为 80% ; 有黄土覆盖层的砒砂岩区黄土厚度多不足 50 cm, 平均厚度 10 cm 左右[ 12- 13] 。 1. 2 试验设计 本试验设计 2 个因素, 分别为冲刷流量和坡度, 其中冲刷流量按照试验区暴雨发生频率在试验小区 产生的单宽流量确定, 设 100, 150, 200, 250 和 300 L/ h 5 个水平; 坡度设 5 , 15 , 25 和 35 4 个水平。 采用单因素试验设计, 当冲刷流量因子为变量时, 坡 度为 15 ; 当 坡 度因 子 为变 量 时, 冲刷 流 量为 200 L/ h, 每项试 验 2 次重复。试验土 壤为红棕色砒砂 岩, 其机械组成如表 1 所示。



砒砂岩 集中分布的地区被称为砒砂岩地区, 该地 区土壤侵蚀模 数高达 3 万~ 4 万 t/ ( km 2 年) , 而 且其主要产沙物质 砒砂岩 是黄河粗沙( 粒径大于 0. 05 mm ) 的重要来源之一, 其基岩产沙量占总输沙 量的 68. 5% , 成为黄土高原侵蚀最剧烈、 治理难 度最大的地区, 被中 外专家称为 世界 水土流失之 最 和 环境癌症
[ 5] [ 4]

。所以为减轻砒砂岩地区水土

流失的危害, 在该地区建立坡面水蚀预报模型就显 得格外重要, 而现有的大部分模型基本上都是在分 析坡面侵蚀发生过程中水动力学特性的基础上建立 的
[ 6 7] -

。目前已有很多学者对黄土高原地区坡面流

的水动力学特性进行了研究, 如张科利等[ 8] 对黄土 坡面沟蚀发生机理的水动力学进行了研究; 李占斌 等 利用室内模拟冲刷试验, 研究了陡坡坡面发育 细沟的水动力学特性; 魏霞等 对黄土高原坡沟系 统的径流水动力学特性进行了研究; 吴淑芳等 [ 11] 通 过野外标准小区冲刷试验, 研究了坡面径流调控薄 层水流的水力学特性。但是目前还未见有关砒砂岩 地区坡面径流水动力学特性的研究报道, 因此, 深入 开展砒砂岩地区坡面径流的运动过程, 以及水动力 学参数受流量和坡度变化影响等研究具有重要的意 义。本研究选择在砒砂岩集中分布的地区, 采用野 外实地放水冲刷试验, 研究不同冲刷流量和坡度下, 坡面径流水动力学特性的变化规律, 以期揭示砒砂
[ 10] [ 9]

第8期



涛, 等: 砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究 表 1 试验区土壤的机械组成

205

T able 1
土壤类别 Soil t ype 砂质壤土 S andy loam

M echanical compositio n o f tested soil
0. 002~ < 0. 02 mm 15. 11 0. 02~ < 2 mm 78. 98

不同粒径土壤颗粒质量百分比/ % M as s percent of diff erent soil parti cle diamet er < 0. 002 mm 5. 91

1. 3

试验布设

试验小区顶端 5~ 8 m 的与大贮水箱用塑料管相连 的小贮水箱, 小贮水箱顶端留有溢流口, 能保证水位 始终保持在一定高度。为了使流水经缓冲后能徐徐 地、 均匀地流入试验小区, 特在小区上方放置 1 个与 小区宽度相等、 紧贴地面且紧靠小区顶端的嵌入地 下的静水溢流箱, 通过溢流的缓冲, 以保证试验小区 上部水流均匀向下流动。在静水溢流箱与小贮水箱 之间连接 1 个可调节流量的流量计以控制流量。在 小区的下方挖 1 个集流槽, 用塑料水桶收集从小区 流出的泥水。野外实地放水冲刷试验布设见图 1。

野外实地放水冲刷试验于 2010 04- 05 在试验 区选择在一定坡度、 没有耕种、 废弃且无人工扰动的 撂荒地上进行。首先选择一处与所需试验坡度相似 的坡面作为试验小区, 然后人工修整坡面使小区坡 度符合试验要求。试验小区长 2 m , 宽 0. 25 m , 小区 四周用 2 m m 厚的钢板插入地下 0. 1 m 围笼, 地上 出露 0. 2 m 使小区边界条件控制一致。供水设备分 为 2 部分: 其一是安置在高于试验小区顶端 10~ 15 m 处的大贮水箱, 每次试验前都要往该大贮水箱内 注入满足本次试验所需的水量; 其二是安置在高于

图 1 野外实地放水冲刷试验的布设示意 图 F ig . 1 Lay out diagr am of field runo ff sco ur ing ex periment

1. 4

试验方法 试验开始前, 采集土样分析土壤机械组成, 为避

值, 即为该冲刷小区的平均过水断面宽度。试验时 间为 30 min [ 15] 。每次试验结束后, 称量泥水样, 将 径流泥沙沉淀后, 烘干称量泥沙量, 以计算径流量和 产沙量。试验开始和结束时分别用温度计测量静水 溢流箱中的水温, 然后取平均值计算水动力黏滞系 数。 1. 5 数据处理 [ 16] 1. 5. 1 径流雷诺数 径流雷诺数( R e) 是判断水流 运动型态的重要指标, 其表达式为: Re= uR / v。 式中: u 为断面径流平均流速( m/ s) ; R 为水力半径 ( m) , R = hb/ ( b+ 2h) , 其中 b 为过水断面宽度( m) , h 为断面平均水深( m) , h = Q/ ( ubT ) , Q 为 T 时间 内的径流量( m 3 ) , T 为径流取样间隔时间( s) ; v 为 水动 力 黏 滞 系 数 ( m 2 / s ) , v = 0. 000 001 777 9/ ( 1+ 0. 033 68t+ 0. 000 221t2 ) , 其 中 t 为 水 温

免不同小区前期含水量对冲刷试验的影响, 用喷壶 将小区内表层土壤喷湿, 保证小区内表层土壤含水 量接近饱和但还未产流。试验开始后, 在坡面出口 处收集径流泥沙样, 以计算坡面径流泥沙过程, 记录 产流时间, 产流 5 m in 内每隔 1 min 取 1 次径流泥 沙样, 5 min 后每隔 2 m in 取 1 次径流泥沙样。坡面 径流流速测定采用高锰酸钾染色剂示踪法, 产流 2 min 后每隔 3 min 测定 1 次流速, 取 3 个测量值的 平均值再乘以不同的修正系数, 即可得到层流、 过渡 流和紊流的坡面平均流速, 由于采用的是野外实地 放水冲刷试验, 故参照 Luk 等
[ 14]

的研究结果, 层流

的修正系数取 0. 52, 过渡流和紊流的修正系数均取 0. 75。测流速的同时 用钢尺分别测量 距小区顶端 20, 80 和 150 cm 处的过水断面宽度, 然后求其平均

206 ( ) [ 17] 。 径流弗罗德数

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试验重点探讨冲刷流量和坡度对径流流速的影响。 径流弗罗得数( Fr ) 是判断 gh。 2. 1. 1 冲刷流量对径流流速的影响 图 2 为砒砂 岩地区坡面径流流速与冲刷流量和坡度之间的关系 图。由图 2 可知, 在同一坡度( 15 ) 下, 砒砂岩小区 的径流流速随着冲刷流量的增加而增大。当冲刷流 量为 100 L / h 时, 径流流速为 0. 089 m / s; 当冲刷流 量分别增大到 150, 200, 250 和 300 L / h 时, 径流流 速也分 别 增 大 为 0. 117, 0. 146, 0. 194 和 0. 205 m/ s, 分别较冲刷流量为 100 L/ h 时增加了 31. 4% , 64. 4% , 118. 0% 和 130. 3% 。显然, 冲刷流量增大, 单位时间进入坡面的水量增大, 重力沿坡面方向的 分力逐渐增大, 径流沿坡面运动的动力也逐渐增加, 流速随之增大。进一步分析可知, 径流流速与冲刷 流量呈幂 函数 关系, 这 与很 多学者 的研 究结 果类 似
[ 11, 19]

1. 5. 2

水流流态的重要指标, 其表达式为: Fr = u/ 式中: g 为重力加速度( 9. 8 m/ s2 ) 。 1. 5. 3 径流 Darcy Weisbach 阻力系数 径流 Darcy Weisbach 阻力系数( f ) 是反映水流 阻力特性的 水动力学参数, 其表达式为: f = 8gR J / u 。 式中: J 为水力坡度, 可用坡度的正弦值代替。
2

2

结果与分析

迄今为止, 研究坡面和细沟发生、 发育时仍借鉴 河流水动力学理论, 用坡面径流流速、 e、 和 f 等 R Fr 特征值作为坡面径流的水动力学参数。 2. 1 砒砂岩地区坡面径流流速的变化 径流流速是 坡面径流最重 要的水力学 要素之 一, 是径流对坡面土壤产生侵蚀的直接动力[ 18] 。本

, 其关系可用下式表示: u= 0. 002 2q 0. 798 2 , R 2 = 0. 984 0。

式中: u 为径流流速( m/ s) , q 为冲刷流量( L / h) 。

图2

不同冲刷流量和坡度对砒砂岩地区坡面径流 流速的影响

F ig. 2 Effect of differ ent scouring flo w discharg es and slope gr adients o n slo pe flow velocity in Pisha sandstone reg ion

2. 1. 2 坡度对径流流速的影响

由图 2 可知, 在冲

2. 2

砒砂岩地区坡面径流流态的变化 径流流态在很大程度上能表征坡面水流动力学

刷流量为 200 L / h 时, 随着坡度的增大, 径流流速呈 逐渐增大的趋势。当坡度为 5 时, 径流流速为0. 117 m/ s; 当坡度增大到 15 , 25 和 35 时, 径流流速分别 为 0. 146, 0. 184 和 0. 193 m/ s, 分别比坡度为 5 时 增加了 24. 8% , 57. 3% 和 65. 0% 。可见, 砒砂岩坡 面的坡度越大, 径流沿坡面向下流动时的重力沿坡 面方向的分力也越大, 坡面径流所具有的势能增大, 在沿坡面向下流动时转化的动能也越多, 所以径流 流速越大。同样, 经过进一步分析, 可知径流流速与 坡度也呈幂函数关系, 其关系可用下式表示: u= 0. 075 2s 式中: s 为坡度( ) 。
0. 265 6

的特性, 其 与 坡 面 径 流 计 算 和 输 沙 演 算 直 接 相 关
[ 20]

。研究中一般根据 Re 和 Fr 的数值大小判断

径流的流态。在河流动力学中, R e 反映了径流惯性 力和黏滞力的比值, 其中径流惯性力扰动水体, 使其 脱离规则运动, 黏滞力则消弱、 阻滞这种扰动并使水 流保持原有的规则运动
[ 16]

。根据明渠均匀流的基

本理论, 对于矩形断面的明渠水流, 层流和紊流的界 限 Re 为 500, 当 Re 大于 500 时径流型态属于紊流, Re 小于 500 时径流型态 则属于层流, Re 等于 500 时径流型态属于过渡流。在河流动力学中, Fr 为水 流惯性力与重力之比, 它综合反映了流速和径流深

, R = 0. 971 1。

2

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涛, 等: 砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究

207

的关系。在径流流量相同的情况下, Fr 越大, 说明 径流挟沙能力越强及坡面的径流剪切力越大。根据 明槽水流的判别标准, 若 Fr 1, 说明径流流态属于
[ 11]

可以看出, 在砒砂岩地区, 冲刷流量对 Re 的影响很 大, 随着冲刷流量的增加, Re 呈增大趋势。当冲刷 流量为 100, 150, 200, 250 和 300 L/ h 时, R e 的平均 值分 别 为 100. 57, 164. 68, 247. 53, 249. 63 和 372. 27。

急流; Fr < 1, 说明径流流态属于缓流 。 2. 2. 1 冲刷流量和坡度对 Re 的影响 表 2 为不同 冲刷流量和坡度下 Re 随冲刷历时的变化。从表 2
表2

不同冲刷流量和坡度下砒砂岩地区坡面径流雷诺数( Re) 随冲刷历时的变化 flo w discharg es and slope gr adients in P isha sandsto ne r eg io n

T able 2 Changes of slope runo ff Reynolds number ( Re) w ith sco uring t ime under different scouring
冲刷流量/ ( L h- 1 ) Flow dis charge 100 150 200 250 300 200 200 200 200

坡度/ ( ) S lope gradient 15 15 15 15 15 5 15 25 35

冲刷历时/ min Scourin g t ime 2 58. 55 128. 92 192. 05 209. 11 338. 97 154. 23 192. 05 203. 58 178. 92 5 79. 73 138. 50 225. 29 214. 08 333. 07 156. 51 225. 29 216. 48 202. 33 8 83. 40 142. 67 216. 85 207. 78 331. 90 158. 69 216. 85 219. 08 198. 87 11 94. 96 152. 38 237. 11 230. 49 351. 03 171. 71 237. 11 202. 22 222. 09 14 96. 19 154. 44 234. 79 233. 27 338. 49 176. 06 234. 79 224. 61 228. 12 17 106. 99 170. 66 258. 38 258. 40 374. 78 197. 83 258. 38 252. 17 255. 07 20 108. 78 171. 69 254. 08 257. 53 374. 93 198. 06 254. 08 250. 93 257. 79 23 123. 29 190. 37 282. 37 289. 52 420. 09 222. 03 282. 37 282. 47 289. 91 26 122. 38 191. 70 280. 54 288. 32 416. 62 224. 26 280. 54 281. 51 294. 32 29 131. 40 205. 43 293. 80 307. 85 442. 85 237. 85 293. 80 300. 52 311. 63

由表 2 可知, 在砒砂岩坡面上, 坡度对 Re 的影 响则不如冲刷流量明显。当坡度较小时( 5 ) , Re 也 较小, 其平均值为 189. 72; 随着坡度的增大, Re 也相 应增加, 当坡度为 15 时, R e 的平均值为 247. 53; 但 是当坡度继续增大, Re 反而呈下降的趋势, 其中当 坡度为 25 时, R e 的平均值为 243. 36, 当坡度为 35 时, R e 的平均值为 243. 90。本次野外实地放水冲刷 试验中, 在任一冲刷流量和坡度下, R e 均随着冲刷 的进行呈波动增大的趋势, 这是因为在试验过程中,
表3

坡面侵蚀方式发生变化所致: 冲刷前期坡面侵蚀方 式基本处于面蚀阶段, 此时坡面流较为分散, 水流宽 度较大; 冲刷后期坡面侵蚀方式由面蚀向细沟侵蚀 转化, 坡面流逐渐集中于形成的细沟中, 其水深较前 一阶段增大, 导致 Re 相应增大, 但其值都小于 500, 表明在试验条件下坡面径流均处于层流状态。 2. 2. 2 冲刷流量和坡度 对 Fr 的影响 砒砂岩地 区不同冲刷流量和坡度下 Fr 随冲刷历时的变化见 表 3。

不同冲刷流量和坡度下砒砂岩地区坡面径流弗罗 德数( Fr ) 随 冲刷历时的变化 flo w discharg es and slope gr adients in P isha sandsto ne r eg io n

T able 3 Chang es of r unoff slope Fro ude number ( Fr ) w ith scouring time under different scouring
冲刷流量/ ( L h- 1 ) Flow dis charge 100 150 200 250 300 200 200 200 200

坡度/ ( ) S lope gradient 15 15 15 15 15 5 15 25 35

冲刷历时/ min Scourin g t ime 2 1. 267 0. 898 1. 453 2. 131 2. 281 0. 993 1. 453 1. 604 1. 846 5 0. 995 1. 108 1. 269 1. 870 1. 345 0. 894 1. 269 1. 572 1. 830 8 0. 993 1. 020 1. 080 1. 443 1. 646 0. 862 1. 080 1. 934 1. 897 11 0. 935 1. 151 1. 082 1. 586 1. 395 0. 738 1. 082 1. 362 1. 864 14 0. 889 0. 999 1. 036 1. 758 1. 369 0. 928 1. 036 1. 228 2. 079 17 0. 823 1. 131 1. 116 1. 336 1. 491 0. 797 1. 116 1. 387 1. 766 20 0. 829 0. 883 1. 027 1. 613 1. 491 0. 829 1. 027 1. 836 1. 635 23 0. 797 0. 961 1. 008 1. 491 1. 413 0. 781 1. 008 1. 437 1. 161 26 0. 845 0. 785 0. 987 1. 282 1. 497 0. 886 0. 987 1. 330 1. 760 29 0. 813 0. 911 1. 195 1. 299 1. 700 0. 888 1. 195 1. 613 1. 973

由表 3 可知, F r 随着冲刷流量的增加而增大。 当冲刷流量为 100 和 150 L / h 时, Fr 的平均值分别 为 0. 919 和 0. 985, 径流流态为缓流; 当冲刷流量为 200, 250 和 300 L / h 时, Fr 的平均值分别为1. 125,

1. 581 和 1. 563, 径流流态均为急流。这是因为随着 冲刷流量的增大, 坡面侵蚀发生变化并以细沟侵蚀 为主, 坡面流主要集中于长历时冲刷形成的细沟中, 其水深较大, 导致其水力半径增大, Fr 也相应增大。

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西北农林科技大学学报( 自然科学版)

第 39 卷

由表 3 还可知, 砒砂岩坡面坡度对 F r 的影响较 其对 R e 的影响大。随着坡度的增大, F r 有增大的 趋势, 这可能是因为在冲刷流量相同时, 由于坡度的 增大径流水 深会减小, 因此 Fr 增大 。当坡度为 5 时, Fr 的平均值为 0. 860, 径流流态为缓流; 当坡 度为 15 , 25 和 35 时, Fr 的平均值分别为 1. 125, 1. 530和 1. 781, 径流流态均为急流。而不同冲刷流 量和坡度下, Fr 随着冲刷历时的动态变化则比较复 杂, 不如 Re 的变化趋势明显, 而且其上下变化幅度 很大。Fr 的这种动态变化趋势可能是冲刷流量及 坡度对水深和径流流速双重影响的结果 2. 3 砒砂岩地区坡面径流阻力的变化
[ 21] [ 9]

f 既是普遍采用的反映河渠水流阻力特征的水力参 数, 也是坡面径流水动力学基本参数之一, 其能反映 坡面径流在流动过程中所受阻力的大小 [ 18] 。 2. 3. 1 不同冲刷流量下 f 与产沙量的关系 由图 3 可知, 随着冲刷流量的增大, f 逐渐 减小, 而坡面 侵蚀产沙量却呈增大的趋势, 表明土壤侵蚀有增大 的趋势。有研究表明, 在流量、 坡度等水动力条件相 同的情况下, f 越大, 径流克服阻力所消耗的能量越 多, 则径流用于侵蚀和泥沙输移的能量越小, 土壤侵 蚀就越微弱, 反之则土壤侵蚀剧烈 [ 22] 。因此, 冲刷 流量增大时, 径流沿坡面向下流动的过程中更容易 导致细沟产生, 细沟侵蚀过程中发生的溯源侵蚀和 沟壁坍塌等重力侵蚀, 使得径流含沙量增大, 径流用 于输送细沟中被侵蚀下来的泥沙所消耗的能量也越 多, 径流克服阻力所消耗的能量则越少, 径流所受阻 力减少, 导致 f 减小。



径流在坡面上形成后, 必然要受到阻力作用, 其 大小不仅直接影响径流速度, 而且还与土壤的有效 侵蚀力有很大关系 。径流阻力主 要来自 3 个方 面: 沙粒本身对水流的阻碍作用; 沟槽形态对水 流的阻碍作用; 水流所挟带泥沙的影响[ 9] 。目前,
[ 20]

图3

不同冲刷流量和坡度下砒砂岩地区坡面径流阻力系数( f ) 与产沙量之间的关系 discharg es and slope g radient s in P isha sandsto ne r egion

F ig. 3 R elatio nship bet ween dr ag coefficient ( f ) and sediment y ield under different scouring flo w

2. 3. 2 不同坡度下 f 与产沙量的关系 由图 3 可 知, 砒砂岩坡面径流产沙量随着坡度的增大而增加, 但是 f 却未呈现出规律性的变化趋势, 其原因还有 待进一步研究。

0. 738~ 2. 281, 且 Fr 随着冲刷流量和 坡度的增加 而呈 现 出增 大 的 趋势。当 流量 较 小 ( 100 和 150 L/ h) 时, 径流流态为缓流; 当流量较大( 200, 250 和 300 L / h) 时, 径流流态为急流。当坡度较小( 5 ) 时, 径流流态为缓流; 当坡度较大( 15 , 25 和 35 ) 时, 径 流流态为急流。 4) 砒砂岩地区坡面径流 f 与冲刷流量、 径流产 沙量呈反比关系, 坡度与 f 的关系无明显规律性。 [ 参考文献]
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3

结 论
1) 野外实地放水冲刷试验结果表明, 砒砂岩地

区坡面径流流速随着 冲刷流量和坡度 的增加而增 大, 而且呈幂函数关系。 2) 在本试验流量和坡度的条件下, 砒砂岩坡面 Re 为 58. 55~ 442. 85, 径流型态为层流, 且 Re 随冲 刷流量的增加而增大, 坡度对 Re 的影响不明显。在 不同的冲刷流量和坡度条件下, Re 均有随着冲刷的 进行而呈波动增大的变化趋势。 3) 本 试 验 条 件 下, 砒 砂 岩 地 区 坡 面 F r 为

第8期
[ 2] 叶



涛, 等: 砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究

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浩, 石建省, 侯宏冰, 等. 内 蒙古南部 砒砂岩岩 性特征对 重

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