论文摘要
水和土是人类赖以生存发展的最重要的自然资源,但由于地形陡峻、集中的降雨不断侵蚀岩层,世界人口的迅速增长、人类不合理的生产经营活动、乱砍滥伐、陡坡开垦等自然因素和人为因素的综合作用,水土资源遭受了严重的损失与破坏,导致了生态环境的日益恶化。在所有的土壤侵蚀类型中,水力侵蚀是分布最为广泛的一种方式,水蚀的源动力就是坡面流,因此,要掌握水蚀的侵蚀规律就要开展坡面流的水动力特性规律研究。降雨、坡面形态、坡面岩土结构、植被、人类活动等都是影响坡面流侵蚀的重要因素。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,利用土力学和水力学的基本原理,在室内进行变坡水槽定床试验,研究相同和不同的土样材料组成的下垫面类型坡面上,坡度、流量及地表糙度三个因素对坡面流水动力学特性的影响,分析其作用过程,通过回归分析,建立预测模型,为建立全国的土壤侵蚀模型提供基础资源,为水土保持工作提供科学理论依据。（1）同种下垫面下坡面流水动力学特性参数变化规律流速、雷诺数及阻力系数受流量的影响较为显著,流速可以用幂函数V=KqaSb的形式表示,雷诺数可用幂函数Re=1447.428q1.081来表示。在相同坡度下,阻力系数随流量的增大而减小,流量越小,变化越明显,二者之间呈幂函数负相关关系。阻力系数可用幂函数f=0,4488q-1.076表示。而弗劳德数受坡度和流量的共同作用坡度越陡,坡面流越急。本文分别研究了相同坡度下弗劳德数、阻力系数与雷诺数之间的关系。弗劳德数与雷诺数的关系与弗劳德数与流量的关系十分类似,在相同坡度下,二者之间呈良好的幂函数正相关关系,表达式为Fr=0.0012Re0.5427,而阻力系数则随雷诺数的增大而减小,二者呈良好的幂函数负相关关系,表达式为f=350.48Re-0.912。关于流速与水力糙率之间关系的探讨发现,同一坡度下,流速与水力糙率之间呈幂函数递减,在5°～20°范围内,各坡度上流速的变化趋势差异不大,当坡度增大至25°时,流速递减趋势加剧,减小得较快。（2）不同下垫面下坡面流水动力学特性参数变化规律在相同坡度下,地表糙度对水动力学特性参数的影响与坡度、流量因子的影响规律十分类似。流速、雷诺数和弗劳德数与地表糙度之间呈正相关关系,三者都随着地表糙度的增加而增大。阻力系数与地表糙度呈负相关关系,随地表糙度的增大而减小。地表糙度对径流水动力特性的影响受到土壤性质的影响。但在任一下垫面,弗劳德数与地表糙度之间均可以用幂函数Fr=aDb表示。通过对试验的数据进行回归分析,结合统计学的原理,得到了三种下垫面下水动力学特性参数的简单预测模型,基本表达式为Y=aDbgcSd（3）地表糙度的变化规律利用土壤的直剪试验得到红壤土、砂土、土石比7：3、1：1、3：7混合物的抗剪强度。内摩擦角的变化不大,但粘聚力随土样中砂、土的含量变化而发生变化,变化范围为3.8～6.1Kpa。地表糙度受土壤的理化性质、降雨或上方来水情况等因素的影响很大,具有随机性。地表糙度与土壤的抗剪强度之间存在联系,且呈负相关关系。利用接触式测针法得到了不同下垫面地表糙度的变化区间：红壤地表为0.3644～1.4320、砂土地表为0.2125～0.9046、土石比7：3混合物地表为0.3216～1.1385、土石比1：1混合物地表为0.2554～0.9424、土石比3：7混合物地表为0.1643～0.8432。在相同坡度下,地表糙度随流量呈正态变化,在相同流量下,坡度在200之前,地表糙度随坡度呈正态变化,20°之后,呈负态变化,这说明在20°～25°之间,存在一个影响地表糙度变化的临界坡度。地表糙度与坡度、流量的关系可用幂函数D=KqaSb来表达。地表糙度对水力糙率的作用是一个动态变化的过程,并不总是呈现一种变化规律,在这中间存在一个临界值,在临界值后,二者的变化规律趋向稳定。本文初步得到砂石坡面的临界值为0.6315,红壤坡面的临界值为0.9337。