土壤特性对坡面流水流挟沙力影响

The sediment transport capacity defines the areas of net erosion where the actual sediment discharge is less than the transport capacity and that of net deposition where the transport capacity is exceeded. Correctly determining the sediment transport capacity is a key step to deeply understand water erosion process. The sediment transport capacity is also an important parameter in the soil erosion process model. In this project, the experiments on flume, settling velocity and physo - chemical characteristics of soil will be carried out. The experiment results will used to analyze the effect of soil aggregate on settling velocity and flow transport capacity, effect of the diameter of particle and sediment concentration on settling velocity and the effect of soil properties (including the diameter of particle, settling velocity, etc.) and the flow hydraulic properties on the flow transport capacity. Finally, the dimensionless analyses and statistics analyses will be used to determine the equation of transport capacity for overland flow. The results will not only provide the theory basis for soil erosion processes, but also serve as the improvement for the soil erosion model. The innovation of this study is in that the transport capacity equation for overland flow will be developed based on comprehensive analysis of the relationship among the settling velocity, flow hydraulic parameter and flow transport capacity.

在土壤侵蚀过程中，水流挟沙力是决定水流作用床面被侵蚀或发生淤积的控制条件。水流挟沙力的正确描述不仅是深入揭示土壤侵蚀过程机理的基础，也是土壤侵蚀机理模型构建的关键。本课题将通过水槽试验、沉速试验和土壤理化性质试验等手段，研究不同质地的土壤沉降规律，明确沉速与含沙量之间的关系，分析土壤质地对水流挟沙力的影响，阐明粘性土壤颗粒和无粘性泥沙颗粒对沉速和水流挟沙力影响的差异，揭示缓坡和陡坡水流挟沙力规律的异同，并运用量纲分析和统计分析方法来建立坡面流侵蚀的水流挟沙力公式，为深入理解坡面土壤侵蚀过程机理，推动流域土壤侵蚀过程模型的合理构建提供重要理论依据。本课题的创新在于将陡坡薄层水流水动力学参数、有粘性土壤颗粒的沉降速度与水流挟沙能力耦合，来建立坡面水流挟沙力公式。

土壤侵蚀模型是土壤侵蚀风险评价的技术工具，水流挟沙力是土壤侵蚀过程模型的重要组成部分，也是决定水流作用床面被侵蚀或发生淤积的控制条件。水流挟沙力的正确描述是深入揭示土壤侵蚀过程机理的基础，是土壤侵蚀机理模型构建的关键，是水土保持措施实施的技术依据。因此研究坡面水流挟沙力具有十分重要的理论与实践意义。本课题采集了紫色土、黑土、红壤、褐土和黄绵土五种典型土壤，通过水槽试验、沉速试验和土壤理化性质试验等手段，系统研究了土壤团聚体及泥沙特性对沉速和水流挟沙力的影响，得到如下结论。. （1）团聚体对泥沙的沉降速度具有显著增大作用。对于五种试验土壤，团聚体对泥沙沉速的增大影响均表现为，对小粒径泥沙颗粒的影响大于大粒径。土壤颗粒（包括土壤矿质颗粒以及团聚体）性质特征不同是不同团聚体对沉速影响不同的主要原因。在土壤特征参数当中，团聚体质量加权粒径与团聚度能够更好的反映团聚体对泥沙沉速的影响大小。沉速增率与团聚体和团聚度有显著的线性相关关系。. （2）对于五种试验土壤，不论是对于单粒（中值粒径范围0.01-0.03mm）还是团聚体（中值粒径范围0.06 -0.65 mm），在20-100 kg/m3范围内，含沙量对沉速起到较为显著的抑制作用。标准化沉速与含沙量呈负幂函数关系。系数k值和指数m值均与土壤特性有关，在土壤特性评价指标中，团聚体DGMD与系数k值，团聚体DMWD与指数m值相关关系最好，且均呈显著负相关。. （3）团聚体对坡面水流挟沙力存在影响，水流挟沙力与LB法测得的几何平均直径(GMD)、团聚度(A)、分形维数(D)、大于0.25mm的团聚体质量百分比(R0.25)显著相关，与Yoder法测得的GMD和R0.25显著相关。采用LB-WS法测得的R0.25与水流挟沙力之间的相关系数最大。结果表明，R0.25和GMD是反映土壤团聚体性质对水流挟沙能力影响的稳定参数。水流挟沙力随R0.25呈下降趋势。包含有R0.25的水流挟沙力公式明显优于无R0.25的水流挟沙力公式。