壤中流和土壤解冻深度对黑土坡面融雪侵蚀的影响

融雪侵蚀是东北黑土区土壤流失的一种重要形式,而目前有关壤中流和土壤解冻深度对融雪径流侵蚀的影响研究较少。本研究采用室内模拟试验,设计两个融雪径流量(1和4 L·min^-1)和两个土壤解冻深度(5和10 cm),以及有、无壤中流处理,分析壤中流和土壤解冻深度对黑土区坡面融雪侵蚀的影响。结果表明: 1)壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别是无壤中流处理的1.1～1.2倍和1.3～1.9倍。两个融雪径流量下,当土壤解冻深度由5 cm增加到10 cm时,无壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别增加10.0%～13.5%和15.4%～37.1%;而有壤中流处理下坡面融雪径流深度增加6.5%～8.5%,融雪侵蚀量则无显著变化。2)坡面细沟发育受壤中流、土壤解冻深度和融雪径流量的综合影响,各处理下细沟侵蚀量占坡面融雪侵蚀量的72%以上。3)壤中流发生使坡面径流流速和径流剪切力分别增加20.3%～23.2%和37.0%～51.3%,Darcy-Weisbach阻力系数减少9.0%～21.4%,从而增加了坡面融雪侵蚀量;且壤中流发生促进了坡面细沟发育,其细沟侵蚀量较无壤中流处理增加43.6%～69.9%,也导致坡面融雪侵蚀量增加。无壤中流条件下,土壤解冻深度加剧坡面融雪侵蚀的主要原因是随着土壤解冻深度的增加,坡面径流侵蚀能力和可蚀性物质来源增加,导致融雪径流侵蚀量增加。此外,土壤解冻深度对壤中流条件下细沟形态发育也有明显的影响,土壤解冻深度为5 cm时,细沟横向加宽作用显著;而土壤解冻深度为10 cm时,细沟下切侵蚀作用更显著。本研究加深了对黑土区融雪侵蚀机理的认识,可为水蚀模型的研发提供理论指导。     

黄土高原关中地区植草沟径流水力学特性

植草沟被广泛应用于海绵城市建设中,可有效改善城市生态环境。为探究植草沟径流调控作用的机理,通过放水模拟试验,研究了5个坡度(1%、2%、3%、4%、5%)、5个放水流量(20、30、40、50、60 L·min^-1)组合条件下植草沟径流的水力学特性与断面流速分布变化规律。结果表明: 植草沟径流水力学特性主要表现为,随流量和坡度的增加,流速、雷诺数和佛汝德数均逐渐增加,曼宁糙率系数与Darcy-Weisbach阻力系数逐渐减小。流速(V)可以用流量(Q)与坡度(S)的幂函数V=0.3387Q^0.555S^0.6601来表示。雷诺数和佛汝德数变化范围分别为1160.95~6596.82和0.17~1.21,径流流态均为紊流,流型受坡度影响较大。流量和坡度较小时,两者对阻力系数的影响较大,试验条件下水流阻力系数与雷诺数呈负相关关系。植草沟径流断面流速分布表现出关于中心两侧对称分布,最大流速点位于中心水面处,断面流速等值线随流量和坡度的增加而逐渐变密,流速变化梯度增大。本研究可为黄土区海绵城市建设中植草沟的设计应用与水力计算提供理论基础,也可以通过分析植草沟径流水力学特性以探索其径流调控机理。