坡面产沙模型验证及优化

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：通过室内人工降雨的坡面产沙实体模型实验结果对模型进行率定与验证。因此，还需要建立重力侵蚀相关模型，并与坡面产沙模型耦合，才能得出更符合实际的结果。

通过室内人工降雨的坡面产沙实体模型实验结果对模型进行率定与验证。主要目的是确定模型参数的范围，验证模型的结构是否合理。选择两个不同时期的实验，每个实验中又挑选了其中两组参数(例如坡度、雨强等)有所变化的实验组次进行对比。

6.3.4.1　第一组实验验证

第一组实验是王文龙等(2003)所做的“坡面侵蚀水沙流时间变化特征的模拟实验”。

1.实验简介及主要实验参数

模型以黄土丘陵沟壑区垂向上梁峁坡面与沟谷坡面构成的坡沟系统为原型，采用人工降雨模拟实验方法，对坡沟系统土壤侵蚀降雨径流产沙随时间变化的规律进行了研究。实验采用多坡段组合模型，模型宽2.5m，最高处高度6m，底座高度1.0m，水平投影长14.0m，模型平均坡度约为21°，粒径级配中0.05～0.01mm 占41.13%，近地表土壤容重在1.25～1.3g/cm3之间。实验中采用三种雨强:29.7mm/h、60.5mm/h、90.2mm/h，本次验证使用后两种雨强下的产沙结果。计算模型中的参数依据实际实验的相应参数选取，但参数k、β根据实验的其他组次率定。

2.计算结果对比

实验与计算结果的对比如图6-11、图6-12 所示，确定参数取值为k=0.7，β=0.3，两者的基本趋势和数量关系一致。从两图中可以发现，实验相对于计算结果也存在一些偏离较远的数据点，例如图6-11中的第15分钟突然降低的数据点;而图6-11中第25分钟、第45分钟及图6-12中第30分钟的产沙数据点突然增大，根据原文献对实验资料的分析，在上述两种雨强下都出现了崩塌和滑塌等重力侵蚀现象，从而导致了瞬间的产沙量增大，并且这些现象的出现具有随机性。因此，还需要建立重力侵蚀相关模型，并与坡面产沙模型耦合，才能得出更符合实际的结果。

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图6-11　雨强60.5mm/h时计算与实验输沙率对比

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图6-12　雨强90.2mm/h时计算与实验输沙率对比

6.3.4.2　第二组实验验证(https://www.chuimin.cn)

第二组实验采用北京大学徐为群、倪晋仁等(1995)所做的“黄土坡面侵蚀过程实验研究”。

1.实验简介及主要实验参数

实验是在中国科学院地理所流水地貌实验室进行的。模型宽8m，中心线长11.3m，两侧长9.6m，平均比降为0.0638。实验用黄土中值粒径为0.076mm。降雨雨强保持0.0938mm/s。实验共分10个组次进行。每一组次的初始地形均为前一组次的终极地形，每组降雨历时90min，组间间隔1～2天。验证采用实验中的第1—1组次、第1—5组次和第1—7组次。

2.计算结果对比

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图6-13　实验组次1—1计算与实验输沙率对比

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图6-14　实验组次1—5计算与实验输沙率对比

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图6-15　实验组次1—7计算与实验输沙率对比

实验与计算结果的对比如图6-13、图6-14和图6-15所示。前两组次的参数取值为k=0.22，β=0.3;后一组的参数取值为k=0.15，β=0.3。计算结果与实验数据基本趋势和数量关系一致。分析对比结果还可以看出如下两点:首先，与上一实验相似，实验中也存在突然增大且偏离的数据点，其原因与前述类似。其次从参数选取上看，实验组次1—7的k 值相对前两组为小，原因是在实验中，后序组次是以前一组次的终极地形为本次冲刷实验的初始地形，因此，经过了前面六组实验的径流冲刷，表层较易被侵蚀剥离的土壤大多已被带出坡面，下层露出的土壤抗冲性相对较强，所以在相似的径流条件下，其侵蚀量将有一定减小，反映在模型参数上即表现为与土壤抗冲刷特性有关的系数k减小。

坡面产沙模型验证及优化

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