复杂下垫面暴雨径流侵蚀相似性模拟实验研究

The rainstorm runoff erosion on complex underlying surfaces in the Loess Plateau is a comprehensive action result of nature and human factors in terrestrial surface layer. Its mechanism and evolution process and effect on soil environment and quality have been an important research direction in the field of soil and water conservation. The urgent problem is how to solve the difficulties of simulating the indoor rainstorm runoff erosion on large scale complex surfaces and converting its result into the field and measuring some key parameters of overland flow with very small depth. This study would focus on (1) exploring the similarity theory of rainstorm runoff erosion on complex underlying surfaces; (2) perfecting the similar conversion control index of normal model; (3) researching the similar conditions, conversion scales and control index of distorted model and unconventional model and (4) investigating the scale effects under different conditions, based on the basic principles of similarity theory and erosion characteristics of rainstorm runoff on complex underlying surfaces, combined with the basic theory of soil science, soil mechanics, soil and water conservation and mechanics of sediment transport. Finally, the similar experiment design method and theory system of rainstorm runoff erosion will be determined on complex underlying surfaces. This study would provide new theories and methods for exploring the effect of rainstorm runoff erosion on soil environment and quality in the Loess Plateau.

黄土高原复杂下垫面暴雨径流侵蚀是陆地表层自然与人文要素综合作用的结果，其作用机制与演化过程及对土壤环境与质量的影响一直是土壤侵蚀与水土保持学科的重要研究方向。本研究针对黄土高原大尺度复杂下垫面暴雨径流侵蚀室内模拟困难、室内模拟结果难以向实际转换，特别是薄层径流由于数据获取困难使得研究受到限制等问题，利用相似论的基本原理，结合土壤学、土壤侵蚀力学、水土保持学、泥沙运动力学等学科的基本理论，在分析复杂下垫面暴雨径流侵蚀特点的基础上，重点探讨复杂下垫面暴雨径流侵蚀的相似性理论，完善正态模型相似比尺及转换控制指标、研究变态模型及非常规比尺模型等在暴雨径流侵蚀模拟实验中所遵循的相似条件、相似转换比尺及模拟控制指标，探讨不同条件下的比尺效应。给出黄土高原复杂下垫面条件下暴雨径流侵蚀运移的相似性实验设计方法及理论体系，为研究暴雨径流侵蚀对土壤环境与质量的影响提供新的理论与方法。

本研究针对黄土高原大尺度复杂下垫面暴雨径流侵蚀室内模拟困难、室内模拟结果难以向实际转换，特别是薄层径流由于数据获取困难使得研究受到限制等问题，利用相似论的基本原理，在分析复杂下垫面暴雨侵蚀特点的基础上，研究了原型与模型的相似性条件、控制方程、相似准则、遵循的主要比尺、试验方法，给出如下结果：.（1）研究了复杂下垫面条件下降雨径流的水力特性、滚波运动、泥沙输移及污染物运移规律，给出了界定不同侵蚀沟类型的判别标准与指标，得出了植物影响降雨径流侵蚀阻力的空间分布规律，揭示了不同污染物在复杂下垫面下的运移规律，研究了极端暴雨的特性及对复杂下垫面降雨侵蚀的影响，为复杂下垫面降雨径流侵蚀比尺模拟提供水动力学基础。.（2）通过对安塞马家沟2013年极端降雨侵蚀切沟正态模拟、延安燕儿沟康家圪崂小流域生态治理对极端降雨的响应正态模拟、降雨径流侵蚀产沙非常规比尺及变态模拟设计遵循的理论、相似准则、主要比尺设计、试验及验证的研究，给出：①原型与模型相似必须服从相同的物理运动方程；服从相同物理运动方程的原型与模型必然满足几何、运动及动力相似；②复杂下垫面条件下的模型与原型降雨径流侵蚀及污染物运移相似的必要及充分条件是边界条件相似，即上述原型与模型边界所满足的相似指示数必须等于1；③模型与原型相似的控制性指标是模型与原型的降雨径流侵蚀泥沙及污染物的运移必须满足水流连续相似、惯性力重力比相似、惯性力阻力比相似、侵蚀产沙量及地形相似；④在试验中需要确保降雨径流处于同一流型流态；⑤复杂下垫面的降雨径流侵蚀比尺在0.4-100时，模型与原型的降雨径流侵蚀产沙及污染物运移达到相似，包括降雨雨强、径流流速分布、侵蚀的床面形态都可以依据相似比尺由模型定量的给出原型值。.（3）上述研究为定量模拟陆地表层自然与人文要素综合作用机制与演化过程及对土壤环境与质量的影响提供新的理论，为薄层径流由于数据获取困难使得研究受到限制等问题提供了新的研究方法。