黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证

除风吹外主要考虑水流通过悬浮推移搬运, 而在黄土高 原, 暴雨相对土壤来说, 击溅分散泥沙能量很大, 通过暴 雨击溅水流泥沙含量可达 400 kg m 3[12]。 因此, 侵蚀产 沙运动首先应该满足悬浮、起动及挟沙相似即
Κu = Κuc = Κu3 = ΚΞ
(7)
式中 Κuc, Κu3 , ΚΞ—— 分别为泥沙起动流速比尺、摩阻 流速比尺和沉速比尺。
图 2 H azen 起动流速与粒径关系曲线 F ig. 2 R ela tion sh ip cu rve of H azen’ sta rting
velocity and gra in size
1. 4. 3 挟沙相似
挟沙相似要求含沙量比尺 Κs 应与水流挟沙能力比
尺 Κs3 相等。即
Κs = Κs3
1. 4. 1 土壤悬浮相似问题 土壤悬移相似条件在有悬移质的动床模型试验中,
主要用来控制对模型床沙的选择。 燕沟泥沙较细, 中径 0. 025 左右, 98% 泥沙小于 0. 1 mm , 可选 STO R KS 滞 流区的静水沉降公式[1 ]
Ξ=
0.
039
ΘS
Θ
Θ
g
d2 v
式中 Ξ, ΘS , Θ, g , d , v —— 分别为泥沙沉速、密度, 水的
的 浮重比尺。采用原型砂, 几何比尺为 100, 则 Κd =
3. 16。dm 50 =
0. 3.
025 16
=
0. 008 mm。式 (9) 为模型选沙依
据。图 1 为燕沟康家圪崂小流域模型当选择天然土为模
型沙, 且比尺为 100 时根据原型沙求得模型沙级配及实
际应用模型土壤级配。
图 1 模型与原型土壤颗粒组成曲线 F ig. 1 So il gra in s grading of m odel and a rchetyp e
1. 4 床面侵蚀产沙及泥沙运动相似
土壤由固体、液体及气体三相组成, 不同直径的土
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农业工程学报
2005 年
壤颗粒是土壤的主要组成成分, 也是侵蚀搬运土壤的主 要物质。 总结前人大量的研究成果[12], 依据降雨、径流 侵蚀的动力机制, 我们可将黄土高原小流域降雨径流侵 蚀分解为两个独立而又相互联系的亚过程, 即土粒与土 体的分离, 及被分离的土粒经搬运而流失这样一种物理 过程。 所谓分离除了雨滴击溅外, 还有其他外营力如冰 雪消融、风吹日晒及人畜践踏等。 大尺度自然搬运形式
0 引 言
利用室内小流域模型研究小流域水力侵蚀运动, 其 本质是通过室内模拟试验, 预测实际流域降雨径流侵蚀 泥沙来源, 优化治理措施, 通过合理调控, 控制水土流 失, 达到小流域水土资源高效利用的目的。 模拟试验要 达到定量预测, 模型与原型就必须相似, 这要求模型除 了必须满足正确的相似比尺要求外[1], 设计理论还必须 正确, 更重要的是还必须得到原型资料的验证。
流域面积为 0. 3417 km 2, 沟壑密度 3～ 4 km km 2, 流域 长度 0. 903 km , 流域最大宽度 0. 723 km , 平均宽度 0. 52 km , 流域形状系数 0. 52, 高差 189. 7 m。该小流域 土壤侵蚀自成系统, 生态经济系统适于调控[1], 且有较 丰富的实测资料以供对比。
高建恩, 吴普特, 牛文全, 等. 黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证[J ]. 农业工程学报, 2005, 21 (10) : 41- 45. Gao J ian’en, W u Pu te, N iu W enquan, et a l. Sim u la tion exp erim en t design and verifica tion of con tro lling w a ter ero sion on sm a ll w a tershed of loess p la teau [J ]. T ran saction s of the CSA E, 2005, 21 (10) : 41- 45. (in Ch inese w ith English ab stract)
摘 要: 针对目前黄土高原小流域室内物理模拟试验结论不能很好地定量推广到野外实际流域开发工作中去的问题, 该 文基于降雨、径流及入渗的水动力学原理, 利用相似论较完整地给出了一套可对黄土高原小流域降雨径流进行模拟试验研 究的一种设计方法和模拟试验技术。验证结果表明, 在正态条件下, 满足几何相似、降雨相似、水力侵蚀产沙、输沙相似及床 面变形相似等条件下所建造的黄土高原延安燕沟康家圪崂小流域模型, 采用几何比尺为 100 时, 其降雨、汇流、产沙、输沙 是基本符合实际情况的, 可以作为该流域治理水土流失、优化治理方案, 寻求水土资源高效利用措施的工具。 关键词: 黄土高原; 小流域; 水力侵蚀; 模拟试验; 设计与验证 中图分类号: S273. 29 文献标识码: A 文章编号: 100226819 (2005) 1020041205
本文基于对模拟试验新的认识, 依据小流域模拟试 验理论[1], 选择黄土高原延安燕沟康家圪唠小流域为原 型对模拟设计理论进行检验和验证。该流域位于延安市
收稿日期: 2005203229 修订日期: 2005205226 基金项目: 国家 863 计划重大专项《新型高效雨水集蓄与利用技术研 究 ( 2002AA 2Z4051 ) 》; 科 技 部 农 业 科 技 成 果 转 化 资 金 ( 02EFN 217101279) ; 西部开发科技行动 (2002BA 901A 26) ; 中科院 水保所知识创新领域前沿 (C23013700) 作者简介: 高建恩 (1962- ) , 男, 研究员, 博士, 主要从事节水工程研 究。陕西杨凌西农路 26 号 中科院水利部水土保持研究所, 712100。
密度、重力加速度、粒径及水动力粘滞系数, 单位采用标
准国际单位制。写成比尺关系式应为
ΚΞΚv
Κ Κ ΘS - Θ
2 d
=
1
(8)Βιβλιοθήκη Θ考虑悬浮相似及惯性力比重力比相似有
Κ Κ 1 4 1 2 lv
Κd =
Κ 1 2 ΘS - Θ
(9)
Θ
式中 ΚΞ—— 悬沙颗粒沉速比尺; ΚΘS - Θ —— 泥沙颗粒 Θ
(11)
由于到目前为止还没有十分可靠的水流挟沙能力
公式可供计算, 因此, 含沙量和挟沙能力比尺一般通过
试验进行率定。
1. 4. 4 沟床面变形相似 沟床面变形相似比尺为
Κt′=
Κl Κu
Κr0 Κs
=
ΚΚrs′Κt
(12)
式中 Κt′—— 冲淤时间比尺; Κr′—— 泥沙干容重比尺。
由于在模型中难以做到床面变形时间比尺与水流时间
1. 4. 2 起动相似 起动相似要求
Κuc = Κu
(10)
雨滴撞击土壤分离土粒, 土粒随水流运动, 首先必
须得到起动。黄土高原小流域土壤在暴雨条件下起动与
河流泥沙起动机理不同。河流泥沙是泥沙在水流作用下
运动, 而黄土高原侵蚀泥沙是表层壤土在暴雨径流作用 下起动、推移和悬浮。 首先, 在黄土高原的表层土壤, 受 到冰雪冻融交替, 风吹日晒, 人畜践踏等外营力作用已 很疏松, 十分容易起动。 其次, 在暴雨猛烈击溅下, 土壤 分散溅起或随水浮游前进。根据 H azen [13]坡面流资料点 绘起动流速与土壤粒径关系如图 2。 由图 2, 查出原型 d 50 = 0. 025 mm 起 动 流 速 为 0. 08 cm s, 模 型 d 50 = 0. 00759 mm 起 动 流 速 为 0. 008 cm s, Κuc = 0. 08 0. 0083≈ 10, 满足起动相似要求。
Em ail: gao jianen@ 126. com 通讯作者: 吴普特 (1963- ) , 男, 研究员, 博士, 主要从事节水农业研 究。 杨凌 中科院水利部水土保持研究所, 712100
南 3 km 处, 流域面积 47 km 2, 主沟长 8. 6 km , 多年平 均降水量 549. 9 mm , 流域水土流失面积 35. 7 km 2, 占 总面积的 76. 2% , 土壤侵蚀模数为 9000 t (km 2 ·a) , 属于强度水土流失类型区[15]。 模拟的燕沟康家圪崂小
第 10 期
高建恩等: 黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证
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径 流侵蚀而言的有效降雨。 如果把年侵蚀模数达到
1 t (a·km 2) 的降雨作为标准, 则可将侵蚀性降雨定义 为大于该侵蚀标准的年降雨总和。据研究[20], 黄土高原 中北部地区年平均可蚀性降雨 140～ 150 mm , 平均侵 蚀次数 5～ 7 次。燕沟[15]1998～ 1999 年年平均降雨分别 为 571. 1 和 494. 6 mm , 分别出现侵蚀性降雨次数 7 和 6 次, 平均侵蚀性降雨量为 141 mm。
比尺一致, 考虑到小流域模拟试验过程是一当量侵蚀过 程, 因此在模拟试验中以床面变形时间比尺为主。
2 降雨的当量过程与含沙量试验比尺选择
2. 1 降雨的当量过程 就不同的应用目的, 降雨有有效降雨和无效降雨,
调控降雨径流的目的在于减轻水力侵蚀以使水土资源 高效利用。 黄土高原并非所有降雨都会产生侵蚀, 故把 能分散和搬运泥沙的降雨定义为侵蚀性降雨, 或者针对
Κi =
Κ1 2 l
(2)
式中 Κl —— 雨强相似比尺。 1. 3 水流运动相似
1) 水流惯性重力比相似
Κu =
Κ1 2 l
(3)
2) 水流惯性阻力比相似
Κf =
1 或 Κn =
Κ1 6 l
(4)
3) 水流连续相似
ΚQ =
Κ5 2 l
(5)
4) 水流时间比尺
Κt =
Κ1 2 l
(6)