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集中流条件下喀斯特槽谷区坡面细沟侵蚀模拟研究

曾荣昌  
【摘要】:喀斯特槽谷区地表岩层裸露,地下裂隙发育丰富。该地区岩层倾角大和典型顺/逆向边坡地质构造发育充分等特征导致地表裸露岩石与坡面之间具有不同夹角,改变径流路径汇聚局部径流成集中流的同时,也使得产流产沙方式和地表径流水力学特性较为特殊,造成剧烈的土壤侵蚀。本研究以重庆市酉阳县龙潭喀斯特槽谷区为研究对象,通过野外调查喀斯特槽谷区出露地表岩石与坡面夹角、表层土壤特性及环境影响因子,并以此作为模拟研究的依据,开展了室内模拟放水冲刷试验,研究了不同的岩石与坡面夹角、坡度和流量组合下的坡面集中流水动力学特征以及产流空间分布和产沙特征,并讨论了对土壤侵蚀率产生影响的主要水动力学指标,揭示了喀斯特槽谷区集中流条件下坡面土壤侵蚀变化过程,为喀斯特槽谷区土壤侵蚀模型的建立提供理论依据。主要结果如下:(1)在10°坡面5 L/min流量条件下,地表产流量随冲刷历时呈先增大后趋于平稳的变化趋势,在其他条件下随冲刷历时呈逐渐减小或先增大后减小。不同岩石与坡面夹角条件下地表产流量大小顺序为:150°90°120°30°60°180°。地下产流量随冲刷历时表现为波动性增加,随坡度增大而减小,随流量增大而增大。地表与地下产流量比值随冲刷历时逐渐减小,不同岩石与坡面夹角条件下地表与地下产流量比值均大于1。坡面产沙量随冲刷历时表现为波动性减小,不同岩石与坡面夹角的坡面产沙量大小顺序为:150°30°=120°180°90°60°。试验条件下,其随坡度和流量的增大而增大。坡面水流含沙量随冲刷历时呈现出减小的变化趋势,各岩石与坡面夹角的水流含沙量大小顺序为:180°120°30°150°60°=90°。坡面产沙量和坡面产流量之间呈极显著的幂函数正相关关系。各岩石与坡面形成的夹角中,相对于夹角30°、90°、120°和180°,角度为60°和150°条件下产流量可更好地预测产沙量。(2)试验条件下,水流流速变化范围为0.168~0.462 m/s,随冲刷历时呈波动性减小的变化趋势。流速与岩石与坡面夹角呈显著的线性负相关关系。受坡度和流量的显著影响,水流流速随坡度和流量的增大而增大,其中流量对水流流速的影响较坡度大。不同岩石与坡面夹角下水流雷诺数Re随时间变化过程受坡度、流量和岩石与坡面夹角影响显著,表现出不特定的变化趋势,变化范围在517.237~3343.686之间。各坡度和流量组合条件下,Re和岩石与坡面夹角关系均不显著。弗汝德数变化范围为0.491~1.157,其随冲刷历时呈不断波动性减小的变化趋势。岩石与坡面夹角大于60°时,弗汝德数随夹角增大而减小。各组合条件下,Darcy-Weisbach阻力系数随冲刷历时表现出增加的趋势,其随坡度增大而增大,随流量增大而减小,变化范围为0.617~5.704。f和岩石与坡面夹角间的关系在各流量和坡度组合下表现不同。f与Re之间的耦合关系受岩石与坡面夹角和雷诺数大小的显著影响,当夹角小于90°时,用对数方程描述f-Re关系比较好;夹角大于等于90°时,则用幂函数方程描述更好。试验条件下,当Re1791.928时,f与Re关系不显著,当Re1791.928时,f与Re则呈显著正相关。(3)随冲刷历时的推延,土壤侵蚀率先波动性减小后逐渐趋于稳定,水流剪切力和水流功率呈波动变化但趋势不明显,单位水流功率逐渐减小,过水断面单位能量逐渐波动性增大;土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率和单位水流功率随坡度和流量的增大而增大,而过水断面单位能量随流量增大而增大,随坡度变化不明显;当岩石倾向与坡向一致时,各项水动力学指标均较大。试验条件下,土壤侵蚀率与水流剪切力、水流功率和单位水流功率间的关系用幂函数方程描述较好(R2=0.583~0.603),与过水断面单位能量间的关系则用线性方程描述较好(R2=0.294);相比而言,水流剪切力可更好地描述喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角坡面的土壤侵蚀率。(4)岩石与坡面夹角对喀斯特槽谷区坡面集中流曼宁系数n影响显著。n随冲刷历时呈迅速增大再缓慢增长或趋于稳定的变化趋势,其随流量的增大而减小,不同岩石与坡面夹角的n值大小顺序为:180°150°90°120°30°60°。n与水深h关系受岩石与坡面夹角影响,当岩石与坡面夹角大于30°时,n与水深h显著相关,夹角为30°时,二者关系不显著;试验条件下,n与Re相关性不显著,与Fr则呈显著幂函数负相关。相对水深曼宁系数n/h随岩石与坡面夹角增大呈现出先增大后减小的趋势。岩石与坡面夹角大于30°时,n/h与Re均呈幂函数负相关,夹角为30°时,二者关系不显著;不同岩石与坡面夹角的n/h与Fr关系均不显著。n/h与水流平均流速V呈极显著的线性负相关关系,与水流功率ω呈显著的幂函数负相关关系,与过水断面单位能量ε呈极显著的幂函数负相关关系,与土壤侵蚀率E、水流剪切力τ和单位水流功率Up关系不显著。


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