[发明专利]一种浅沟侵蚀输沙能力的定量表达方法

说明书

本发明涉及一种浅沟侵蚀输沙能力的定量表达方法，包括如下步骤：S1，测定不同水动力条件下浅沟随不同沟长对应的泥沙含量，获取浅沟侵蚀含沙量与沟长的对应关系；S2，根据S1中得到的浅沟侵蚀含沙量与沟长的对应关系，计算不同水动力条件下的浅沟侵蚀的单位时间水流的输沙量；S3，根据S2中的数据得到不同水动力条件下单位时间水流的输沙量随沟长的变化复合非线性数学关系；S4，根据S3中的输沙量随沟长的变化复合非线性数学关系，计算输沙能力。本发明的浅沟侵蚀输沙能力的定量表达方法，只需要建立浅沟输沙量和坡长的响应关系，就可以计算得到任意水动力条件下的浅沟侵蚀输沙能力。

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀与水土保持、农田面源污染控制领域，具体地说是涉及一种浅沟侵蚀输沙能力确定的系统和方法。

背景技术

浅沟是坡地侵蚀产沙的主要来源和输沙通道，发育有浅沟的坡地在降雨过程中迅速汇集径流，形成冲刷力很强的股流，侵蚀动能剧增，成为切沟侵蚀和沟头前进的动力源泉，使土地资源遭到极大的破坏。由于浅沟侵蚀对坡面总侵蚀输沙量的显著贡献，近十几年来引起了国内外对浅沟侵蚀模拟和预报研究的极大兴趣。目前可以模拟浅沟侵蚀过程的模型有WEPP(Water Erosion Prediction Project)，但由于试验手段和计算方法的局限，产沙方程中输沙能力等尚不能经试验直接测定与计算，限制了模型在浅沟侵蚀预报中的应用。已开发的浅沟侵蚀模型EGEM(Ephemeral Gully Erosion Model)可用于预报浅沟年均侵蚀量，但不能反应浅沟侵蚀产沙的时空变化过程，只能预报有限空间和时间点的土壤侵蚀信息。因缺乏合理的参数计算方法，当模拟值与实测值出现差异时，很难辨别误差来自模型本身还是参数选择有误。为了实现土壤侵蚀预报完全建立在物理过程基础上，模型参数应具有明确的物理意义，并能用力学表达式描述或由试验直接测量。

输沙能力(Sediment transport capacity)的概念是在物理过程分析的基础上得来的。在浅沟产生以后水流的侵蚀、搬运和沉积作用是一个不断转化的过程，它被定义为水流可携带的最大含沙量。如果实际水流含沙量小于这个值，那么水流继续侵蚀搬运土壤颗粒；如果含沙量大于输沙能力，那么多余的泥沙就会沉积。从能量的角度而言，浅沟中的水流具有剥离土壤和搬运泥沙的能力。在浅沟产生初期径流中的泥沙含量较少，水流的剥离能力占有主导地位，随着水流不断的剥蚀土壤泥沙量逐渐增多，用于剥离的能力也逐渐转换为输送泥沙的能量，直到水流的全部能量都用于输送泥沙，即不再剥离土壤。与此同时，水流中的泥沙含量处于饱和状态并达到稳定值，出现暂时的平衡状态。平衡状态下的稳定值对应于水流的输沙能力，表征由剥离作用进入水流中的泥沙量与水流中泥沙的沉积量相对平衡、净剥离量为零的一种状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种浅沟侵蚀输沙能力确定的定量表达方法。

输沙能力(Sediment transport capacity)的概念是在物理过程分析的基础上得来的。在浅沟产生以后水流的侵蚀、搬运和沉积作用是一个不断转化的过程，它被定义为水流可携带的最大含沙量。如果实际水流含沙量小于这个值，那么水流继续侵蚀搬运土壤颗粒；如果含沙量大于输沙能力，那么多余的泥沙就会沉积。从能量的角度而言，浅沟中的水流具有剥离土壤和搬运泥沙的能力。在浅沟产生初期径流中的泥沙含量较少，水流的剥离能力占有主导地位，随着水流不断的剥蚀土壤泥沙量逐渐增多，用于剥离的能力也逐渐转换为输送泥沙的能量，直到水流的全部能量都用于输送泥沙，即不再剥离土壤。与此同时，水流中的泥沙含量处于饱和状态并达到稳定值，出现暂时的平衡状态。平衡状态下的稳定值对应于水流的输沙能力，表征由剥离作用进入水流中的泥沙量与水流中泥沙的沉积量相对平衡、净剥离量为零的一种状态。在以上理论分析的基础上，我们提出了一种浅沟侵蚀输沙能力确定的系统和方法。