坡面土壤侵蚀实体模型侵蚀产沙相似规律研究

Many researchers have done a lot of works on the loss of soil and water at Loess Plateau, they got abundant fruits on prototype testing and model testing. But the similitude law base on the strict similarity criterion is lacked because of the limit of simulation similarity theory on slope soil erosion. This project aim to focus of the typical slope by field location monitoring and simulating rainfall experiment methods to study when the soil erosion and sediment movement are similitude on Loess Plateau, to find what kind of geometry and rainfall conditions is required on the slope soil erosion model, and implementing a preliminary similar equation of slope soil erosion and sediment, and then the similar equation should be checked and reformulated base on the field dates. The research fruits will deepen the simulation similarity theory on slope soil erosion, and it deserve important academic value and practical value on the govern of soil and water loss.

学者们已经对黄土高原的水土流失规律开展了大量的研究工作，不论是原型试验还是模型试验都取得了丰富的研究成果，但由于受模拟相似理论等条件限制, 仍缺乏基于严格意义相似准则的坡面土壤侵蚀模型相似规律研究。因此，本项目拟以黄土高原典型坡面为研究对象，通过采用室内模拟降雨和野外定位监测相结合的研究方法，基于土壤侵蚀产沙的特殊自然规律，借鉴河流模拟理论与技术，探讨坡面侵蚀产沙实体比尺模型的模拟理论与方法，研究基于动力相似和运动相似基本原理、保证模型侵蚀产沙、泥沙运动输出结果相似的必要条件下，利用"非完全闭合比尺体系"的方法，揭示坡面侵蚀实体模型几何相似及动力相似的必要条件，初步提出坡面土壤侵蚀产沙实体比尺模型的相似方程即预测模型，并用野外原型数据进行验证和修正。本项目研究成果对于深化土壤侵蚀比尺模型相似规律的认识，对提升我国的水科学研究试验水平和水土流失治理科技水平都具有重要的学术意义和实用价值。

通过对天然降雨和模拟降雨过程中不同时间段内降雨特性、侵蚀产沙变化、水动力学特性变化进行分析后得到如下初步结论：.（1）在天然降雨和模拟降雨条件下，随着雨强的增加，单位时间内雨滴的个数、粒径、终速都会相应增加。天然降雨雨滴粒径和终速比较分散，而模拟降雨雨滴粒径和终速都呈现出集中态势，且有向小粒径、低速度靠拢的趋势。.（2）天然降雨过程中降雨雨滴的终速主要集中在1-5m/s之间，同时会形成两个终速波峰，分别是1.4m/s和3.4m/s；降雨主要是由粒径为0.125-0.5mm的雨滴组成；其中0.125mm粒径的雨滴终速主要集中在1-4.2m/s之间，0.25mm粒径的雨滴终速主要集中在0.8-5m/s之间，0.375mm粒径的雨滴终速主要集中在1-3.4m/s之间，0.5mm粒径的雨滴终速主要集中在1-4.2m/s之间.（3）与天然降雨的径流量变化过程对比，除了整场雨强较小情况下的20140914的降雨模拟有部分出入之外，其余4场模拟降雨都能很好的模拟出降雨强度的变化过程以及坡面径流量的变化趋势。径流过程基本能满足相似要求。.（4）整体上由于降雨强度和流量变化过程基本满足相似要求，各场次模拟降雨的累计侵蚀量变化趋势与原型基本一致，试验原型和模型侵蚀产沙总量基本满足相似要求.（5）除了降雨强度较小的20140914场次降雨之外，其余4场模拟降雨均能很好的模拟出天然降雨条件下的坡面流平均流速、雷诺数、佛汝德数、阻力系数的变化趋势，且吻合较好，表明模拟降雨流速和天然降雨的水动力特性基本相似。.（6）天然降雨和模拟降雨的累计侵蚀量与累计降雨量都呈现较好的线性关系，天然降雨和模拟降雨时其累计侵蚀量与累计降雨量的相关系数平方均达到0.98以上，说明坡面的累计侵蚀量与累计降雨量具有很强的相关性。.（7）在试验条件下建立了坡面实体模型侵蚀产沙预测模型，y = 1344x2 – 2636.2x + 1234.4，其相关系数为0.96，并根据现有资料进行了验证。. 以上成果可为黄土高原水土流失数学模型的建立提供基础数据和技术支撑。