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1、郑州大学毕业论文题 目： 坡面径流侵蚀产沙与水力参数的灰关联分析 指导教师： 职称： 副教授 学生姓名： 学号： 专 业： 院（系）： 完成时间： 2011-6-1 2011年 6 月 1 日目录摘 要1ABSTRAT21 绪论31.1引言31.2研究的目的意义和国内外研究概况41.2.1研究目的和意义41.2.2国内外研究概况4a.有关坡度分级和坡度对侵蚀的影响的研究4b.坡面径流理论研究4c.坡面流水动力学研究5d.坡面流流速的研究5e.坡面流阻力问题的研究5f.片蚀和细沟侵蚀研究61.3主要研究内容和技术路线61.3.1主要研究内容61.3.2研究技术路线62 坡面径流动力学特性试验研究
2、82.1坡面径流水动力学特性理论基础82.2水流剪切力92.3水流功率102.4单位水流功率103.1实验材料及特性123.1.1粉煤灰的特性123.1.2 粉煤灰的化学性质123.2实验分类及指标的确定133.3实验装置134灰色关联分析164.1 灰色关联164.2 灰色关联分析的方法与步骤164.2.1 原始数据变换164.2.2 计算灰关联系数184.2.3 求灰关联度194.2.4 列灰关联矩阵194.2.5 优势分析205 径流产沙与三个主要影响因子的回归分析225.1 一元回归分析225.1.1回归分析概念225.1.2回归分析的步骤225.2 多元回归分析235.2.1曲线估计
3、245.2.2 多元回归模型和要求245.3三个因子的一元回归分析245.3.1 雨强与产沙量的一元回归分析245.3.2 傅汝德数与产沙量的一元回归分析255.3.3 剪切力与产沙量的一元回归分析265.4 产沙量与水蚀因子的多元回归分析275.4.1 三元线性分析275.4.2 三元非线性分析285.5 小结306结论31致谢32附件：英文文献34中文翻译51摘 要实验在黄河水利委员会黄河水利科学研究院模型黄河试验基地进行，试验材料为粉煤灰及邙山黄土，粉煤灰取自平顶山姚孟电厂，为火力发电厂的粗粉灰。实验系统研究了主要影响坡面侵蚀产沙的8个因子:雨强 (mm/min)、流速(m/s)、剪切力
4、(pa) 、水流功率（N/m.s）、单位水流功率（m/s）、弗汝德数、阻力系数、容重(g/cm3)。通过对实验数据灰色关联分析，得出影响产沙的主要因素:雨强，傅汝德数和剪切力。然后用SPSS软件对影响土壤剥蚀率较大的三因子(雨强、傅汝德数和剪切力)进行单因素曲线估计分析和三元回归分析，得出数学模型。本研究对于认识黄土高原土壤侵蚀规律，揭示黄土高原土壤侵蚀内在力学机理，为防治水土流失时提供相应的技术指导，以减少不必要的工程浪费。同时也为黄土高原治理的规划、设计及治理效益的评价提供科学依据，其研究成果具有重要的理论和现实意义。关键词：水土侵蚀，灰色关联，回归分析。ABSTRATThis artic
5、le from indoor test in the Yellow River hydro-conservancy committee Yellow River water conservancy academy of sciences model test base on the Yellow River, the test materials for fly ash and MangShan loess, from YaoMeng power plant, pingdingshan fly ash for coal-fired power plants FenHui thick.It sy
6、stemically studied eight major factors influencing slope surface erosion and sediment：rainfallintensity(mm/min),flowrate(m/s),shearstress(pa),streampower(N/ms),unitstreampower(m/s), Froude number,dragcoefficient,bulkdensity(g/cm3). Through the grey correlation analysis of the experiment data, it is
7、concluded the main factors influencing sediment: rainfall intensity, Fu Rude number and shear forces Then with the help of SPSS software, it conducted the single factor curve estimate analysis and the ternary regression analysis about the three factors (rainfall intensity, Fu Rude number and shear f
8、orces) greatly affecting the soil erosion rate.This research provides corresponding technical guidance to learn the law and reveal inner mechanical mechanism of the loess plateau soil erosion , so as to reduce unnecessary engineering waste. It also provides scientific basis for the planning, designi
9、ng and appraisal for control benefit of the loess plateau. The research achievement has a great theoretical and practical significance.Keywords: Soil erosion Grey correlation Regression analysis1 绪论1.1引言“九曲黄河万里沙，黄河危害在泥沙。作为世界上输沙量最大的河流，黄河每年向下游的输沙量达16亿吨，如果堆成宽、高各1米的土堆，可以绕地球27圈多。这些泥沙80%来自黄河中游的黄土高原。总面积约64
10、万平方公里的黄土高原，是世界上面积最大的黄土覆盖区。由于该区气候干旱，暴雨集中，植被稀疏，土壤抗蚀性差，加之长期以来乱垦滥伐等人为的破坏，是导致黄土高原成为我国水土流失最严重地区的重要原因。据有关资料显示，黄土高原地区的水土流失面积达45万平方公里，占总面积的70.9%，是我国乃至全世界水土流失最严重的地区。而1500多年前的黄河中游也曾“临广泽而带清流”，森林茂密，群羊塞道。正是人类掠夺性的开发掠去了植被，带来了风沙，使水土流失把黄土高原刻画得满目疮痍。 黄土高原水土流失的危害主要表现在：泥沙淤积下游河床，威胁黄河防洪安全。该区多年平均年输入黄河的16亿吨泥沙中，约有4亿吨沉积在下游河床，致
11、使河床每年抬高8-10厘米。目前，黄河河床平均高出地面4-6米，其中河南开封市黄河河床则高出市区13米，形成著名的“地上悬河”，直接威胁着下游两岸人民生命安全。 重要影响有：影响水资源的有效利用。该区水资源相对匮乏，水资源总量仅占全国的1/8。年降雨量只有200700毫米，而蒸发量则高达300-1800毫米。同时，为了减轻泥沙淤积造成的库容损失，每年需200-300亿立方米的水用于冲沙入海，降低河床，使有限的水资源更趋紧张。 制约了经济社会发展。严重的水土流失，减少了耕地，导致土壤肥力下降，粮食产量低而不稳。为了生存人们不得不开荒种地，陷入“越穷越垦，越垦越穷”的恶性循环，严重制约了社会经济的
12、发展。在国家“八七”扶贫计划的592个贫困县、8000万人贫困人口中，该地区就占有126个贫困县、2300万贫困人口。经过多年的扶贫，目前仍有1000万人口尚未脱贫。水土流失破坏了原有植被，恶化了生态环境，加剧了土地和小气候的干旱程度以及其它自然灾害的发生。据甘肃省18个县连续44年的资料，旱年或大旱年17年，占38.6%，其他灾害年份19年，占43.2%。严重的水土流失，造成大范围的地表裸露，形成沙漠，一遇大风，沙尘四起，形成沙尘暴。历史上，由于地表植被破坏，形成沙漠，造成陕西北部的榆林城三次被迫搬迁。黄河壶口区上游不远的地方，几十年前还是一个很大很繁荣的码头。现在，河道因为水量太少，泥沙太
13、多，早已经不能行船，码头往日的繁荣只残留在上辈人的记忆之中。再加上近几年两岸的降水太少，附近的村民甚至颗粒无收，生活越来越困难，没有办法，周围的村民只有搬走，去找有水的地方开荒地，图生存。为了从根本上改变这种状况，迫切需要采取有力的措施，科学地进行水土流失调控，这对于深入了解和掌握黄土高原土壤侵蚀发生和发展的基本规律，为西部大开发和黄土高原环境建设提供科学依据具有重要的应用前景和实际意义。本文试图通过试验观测，对我国黄土区坡面径流侵蚀发生发展的一些规律进行系列研究，以期能对黄土高原土壤侵蚀预报模型的建立和水土流失的控制有所帮助。1.2研究的目的意义和国内外研究概况1.2.1研究目的和意义众所周
14、知，我国是世界上水土流失最严重的国家之一，黄土高原则是我国土壤侵蚀最严重的地区。黄土高原总面积约43万km2，占我国国土总面积的4.5%，其中水土流失面积占75%以上，多年平均侵蚀模数3700 t/km2.a，最大侵蚀模数约3万t/km2.a。严重水土流失不仅使黄土高原地区土地退化，植被破坏，土地退化，生产力低下，也使黄河下游河床不断升高，给国民经济发展和人民生活带来巨大危害。本研究针对黄土高原坡面水蚀问题，以土壤侵蚀学和水动力学为基础，以黄土区坡面为研究对象，通过试验着重研究黄土高原坡面径流冲刷、细沟发育的动态过程，沿坡长径流产沙输沙特性的变化以及与之伴随的径流水动力学特性变化规律，力图阐明
15、坡面侵蚀产沙的水动力学条件及其发展规律，对黄土高原陡坡水蚀物理作用机制作进一步深入了解，为建立适合黄土高原地区的土壤侵蚀预报物理模型提供科学依据。1.2.2国内外研究概况坡面水蚀特别是坡耕地的水土流失主要受降雨径流、坡度、坡长、土壤、植被以及土地耕作和管理等因素的影响。100年多来，国内外许多学者对于坡面水蚀动力侵蚀过程进行了大量研究，从侵蚀机理到侵蚀细沟演变规律以及伴随的各水力要素变化特点都取得了大量研究成果。现将目前已取得研究成果简要概述如下：a.有关坡度分级和坡度对侵蚀的影响的研究坡度是影响坡面发育、降雨再分配以及土壤侵蚀过程和动力的重要因素，是土地分级的重要指标，所以各国土壤、农业和水
16、土保持工作者都非常重视对坡度的研究。我国对坡度分级研究较少，朱显谟（1965）根据坡度对土壤侵蚀影响的观察结果，以坡度作为黄土母质片蚀强度的划分指标，将坡度划为35 等五级。地表坡度是影响土壤侵蚀最主要的地形因子，它对侵蚀的影响最终通过坡面径流量和流速体现出来。b.坡面径流理论研究坡面径流是指降雨产流形成的，在重力作用下沿坡面运动的浅层水流，也称为坡面漫流。坡面流水深一般较小，流动边界条件复杂，受雨滴击溅作用明显，因此与明渠水流相比有许多水力特性的差异。其水力学特性主要取决于降雨强度和历时、植被盖度和类型、坡面随机糙率、坡度和坡长以及边界稳定性等但由于坡面径流复杂的水力特性，要单纯从理论上来描
17、述和确定它几乎是不可能的，目前一般做法是对坡面流过程进行简化处理，如忽略某些次要因素或假设其不变，应用明渠水力学的方法进行近似模拟。我国吴长文推导出了适用于缓坡和陡坡也适用于裸地和有植被覆盖的地面的坡面流微分方程如下： (1.1) (1.2) (1.3)式中：v，h分别为在坡长x处的流速和水深；I，f为降雨强度和土壤入渗率；C，q*为植被截留强度和净雨量；为坡度；g为重力加速度，其他符号意义从前。c.坡面流水动力学研究以往对坡面径流流态的研究尽管取得了较多成果，但大多只是利用平均流速等从整体上对流态的描述。事实上，由于坡面土壤侵蚀过程是一个连续的发展变化过程，坡面的侵蚀形态和侵蚀方式会随时间的
18、变化而有所不同，因此坡面径流的流态也必然具有时空变化规律。所以对流态的研究不应该只停留在整体描述上，应该加强对其时空变化规律的研究。由此可见，继续研究坡面流的流态问题仍然是必要的。d.坡面流流速的研究由于坡面流在流动过程中受地形影响大，边界条件复杂，水流泥沙含量沿程变化大。因此，流速沿程以及随时间变化复杂，研究起来比较困难。另外，目前还没有测定坡面流流速的精确方法，增加了研究的困难度。江忠善在全面收集统计与分析了国内外坡面流研究资料后，在考虑坡面流流态的基础上将国内外坡面流速公式概化为统一的形式： V=K qn Sm (1.4)式中：K、m、n为参数；他还根据坡面流的不稳定流计算理论，结合所收
19、集到的国内外坡面流速资料和自己的试验成果，拟合出了坡面流流速的计算公式： V=2.0q0.5 S0.35 (1.5)测量坡面水流流速最先进、最可靠的方法是采用以光学为基础并结合自动化技术的量测仪器。在国外，已有许多学者将此类仪器用于量测坡面薄层水流及细沟水流的流速：G.R.Foster等利用热成像流速仪量测坡面细沟水流的点流速； Rice等在试验室用影像分析系统测定在无雨滴打击影响下，不含泥沙的坡面径流的平均流速，这种流速其实是变相浮标法观测的水流表面流速，而非真正的断面平均流速。Gang Li曾经对这种观测进行对比，给出了修正系数；Jau-You Lu等利用二元光纤激光Doppler流速仪测
20、量降雨扰动条件下清水径流的点流速。 e.坡面流阻力问题的研究为解决实际问题，以往的研究学者在涉及坡面流阻力时，大多将坡面流进行简化处理，并借用明渠水力学及河流水力学的阻力概念及表达方法来推求坡面流阻力，即采用Chezy系数C、Manning糙率系数n或Darcy-Weisbach阻力系数f来反映坡面流的阻力特征。M. R. Sadeghian于1990年利用小区试验资料给出了一个考虑粗糙床面的阻力公式： (1.6)式中：*和分别为径流剪切流速和平均流速；q为单宽流量；I为雨强；Lx为水流方向的降雨长度；h为水深；GRI为颗粒糙度，与水深单位相同。f.片蚀和细沟侵蚀研究细沟侵蚀是坡耕地侵蚀的主要
21、方式，侵蚀量占坡耕地侵蚀量的70%,吴普特，周佩华利用REE示踪技术，对全坡长小区细沟侵蚀垂直分布特征进行了分析研究。细沟侵蚀量与降雨动能、径流位能的关系式为： Gr=-2.632+1.44*10-2Eg+7.487*10-4Ed (1.7)其中：Gr为细沟侵蚀量，Eg为径流位能，Ed为降雨动能。另外，她还综合分析了坡度坡长对细沟侵蚀的影响关系为： Rho=2.08*10-4J2.310L0.733 (r=0.968*) (1.9) 其中：J为坡度，L为细沟出现后从上到下的距离（米），Rho为细沟侵蚀平均深（mm）。1.3主要研究内容和技术路线1.3.1主要研究内容本文的研究目标是从土壤侵蚀坡
22、面实体模型研究现状调研出发，开展降雨条件下不同土质坡面土壤侵蚀产沙的对比研究，探讨水动力参数对坡面细沟侵蚀过程的影响，通过外侵蚀产沙过程的模糊贴近度分析，找出模拟效果较好的土质材料，同时构建坡面土壤侵蚀产沙的预测模型，有助于通过的坡面土壤侵蚀的变化规律去了解的坡面土壤侵蚀状况，从动力学角度认识坡面产沙及侵蚀演变过程的内在机制，揭示黄土高原土壤侵蚀规律及内在力学机理，为黄土高原治理的规划、设计及治理效益的评价提供科学依据。其主要内容包括以下几个方面：根据试验目的进行一系列的试验研究，内容主要包括：（黄土高原长武王东沟）不同雨强、不同坡度坡面降雨侵蚀产沙试验研究；不同雨强、不同坡面降雨试验研究；不
23、同雨强、同种土质下不同容重的降雨侵蚀产沙试验研究；1.3.2研究技术路线坡面降雨径流水蚀因子外试验研究分析通过不同雨强和坡度下的人工模拟降雨试验，观测、分析坡面土壤侵蚀产沙的变化过程；结合坡面径流沿程水动力参数的测定，用灰关联理论分析影响坡面径流产沙的主要水蚀因子，运用回归分析方法建立坡面径流产沙与水蚀参数之间的动态响应方程。建立坡面次降雨水土流失模型并对侵蚀产沙进行预测,根据试验建立水土流失的支持向量机模型，把模型应用于坡面降雨径流小区观测资料，计算出小区不同坡度及降雨条件下的水土流失量，并将计算值与实测值进行比较拟合和修正。根据获得的模型用的资料进行验证。三因子三元线性回归分析得出数学模型
24、坡面径流侵蚀实验处理数据得到八个影响因子灰关联分析得到优势因子:雨强、傅汝德数、剪切力雨强曲线估计傅汝德数曲线估计剪切力曲线估计雨强一元回归分析并得出数学函数模型傅汝德数一元回归分析并得出数学函数模型剪切力一元回归分析并得出数学函数模型三因子三元非线性回归分析得出数学模型根据一些检验参数确定数学模型图1.1 技术路线图2 坡面径流动力学特性试验研究降雨产生的径流由于具有能量会对坡面土壤产生剥离、输移和沉积作用，伴随此作用始终的是径流的水动力学要素。坡面径流动力学特性的变化直接影响到水土界面的剥离、搬运及泥沙输移过程和特征。随着对土壤侵蚀过程机理和计算机技术的飞速发展，目前研究的重点由过去的经验
25、模型逐渐转到基于土壤剥离、搬运和输移过程机理上来。揭示坡面径流动力学特性的时空变化规律是阐明坡面土壤侵蚀过程机理，建立基于坡面土壤侵蚀过程的水土流失预报模型的基础。2.1坡面径流水动力学特性理论基础坡面径流的形成是大气降水与下垫面各自然地理环境因素相互作用的产物。一般降雨开始后，如果降雨强度超过表层土壤入渗能力或土壤包气带已经饱和蓄满，坡面上就会产生薄层水流。由于地表起伏和地形的变化，薄层水流在顺着坡面向下流动的过程中将逐渐向低洼处汇集，水深逐渐增大，水宽减少，形成坡面径流。坡面径流不同于一般明渠水流，具有许多独特的特性。一般流速较快，水深较浅，边界条件复杂，且随着侵蚀的进行，时空变化大。水深
26、、过水断面宽、流速、雷诺数、弗罗得数及阻力系数等是反映径流动力学特征主要的水力要素，可以用相应的明渠水力学公式进行表述或通过流速、水深及水流粘滞性系数等的测定进行计算。径流流态主要利用径流雷诺数Re和弗罗得数Fr进行判别。径流雷诺数Re是一个无量纲的数，反映了径流惯性力和粘性力的比值。其中径流惯性力起着扰动水体，使其脱离规则运动的作用，粘性力则削弱、阻滞这种扰动并使水流保持原有规则运动的作用。对明渠流而言，其表达式为： (2.1)式中：Re为雷诺数；V为径流平均流速；R为水力半径，R=A/l，A为过水断面面积，l为液流与固体边界接触的周界长即湿周。在本研究中，由于坡面流多为宽浅水流，因此可用水
27、深近似代替水力半径；v为水流的运动粘滞系数，主要与水流温度有关，可用下列经验公式计算: v=0.01775/（1+0.0337t+0.000221t2） (2.2)式中：v为水流的运动粘滞系数（cm2/s），t为水温（）。利用雷诺数可以判断水流是层流还是紊流。当Re小于某一临界值（明渠水流为1000左右）时，径流各流层的液体质点有条不紊，互不掺混的作直线运动，称之为层流；当Re超过此临界值时，径流各流层的液体质点开始掺混，杂乱无章，这种流动称之为紊流。在层流中，粘性力对径流的影响作用大于惯性力，故径流可保持其稳定规则运动。紊流流态则相反。弗罗得数Fr反映了水流惯性力和重力之比，也是一个无量纲的
28、数，利用Fr可以判断缓流和急流。其表达式如下： (2.3)式中：Fr为弗罗得数；V为径流平均流速；h为断面平均径流深；g为重力加速度。Fr表示的是过水断面上水流的动能和势能的对比关系。若Fr大于1，表明径流的惯性力作用超过重力，径流不断加速，为急流；反之为缓流。径流在流动过程中必然受到阻力的作用。阻力是径流一个极其重要的要素。目前常用Darcy-Weisbach阻力系数来表示，其表达式如下： (2.4)式中：f为Darcy-Weisbach阻力系数；g为重力加速度；R为水力半径；J为水力能坡；V为平均流速。此公式适用于层流和紊流，对坡面流而言，影响阻力系数f的因素众多，有流态、床面粗糙程度、断
29、面特性、水流密度、雨滴直径、雨型参数和水流表面张力系数等。另外，还可以利用曼宁糙度系数n来表示径流所受的阻力。曼宁糙度系数n是衡量壁面粗糙对液流影响的一个综合性系数，它综合反映了壁面粗糙、边界的整齐程度等的变化情况，可以用下式计算： (2.5)式中：n为曼宁糙度系数；R为水力半径；J为水力能坡；V为平均流速。上式是目前工程中应用最广泛的公式之一。在实际应用中，常用地表实际坡度代替水力能坡。2.2水流剪切力坡面流是沿着坡面梯度方向运动的水流，这种运动的水流必将在其运动方向上产生一个作用力，这种作用力就是径流冲刷动力。该力的主要作用在于冲刷土壤，破坏土壤原有结构，引起土壤颗粒分散，并进而将分散土壤
30、颗粒或土壤颗粒团挟带在水流本身之中，伴随着水流的运动一起输出坡面，坡面水流就以二相水沙流的形式而存在，进而产沙，这就是径流冲刷侵蚀、搬运过程。Horton（1845）从摩阻力概念出发，应用水流连续方程和动力方程，推导出坡面上任一距离x处的侵蚀力公式： (2.6) 式中：W1每m3含沙水流的重量，kg/m3；地表坡度；qs径流强度，m3/m.s；n曼宁糙率系数。Foster等(1973)认为，对于均匀流有效水流剪切力可表示如下： (2.7) 式中：e有效水流剪切力,Pa； h径流水深,m；s地面坡度；水流容重,kg/m3。是反映地面土壤性质的参数；a平均水流剪切力,Pa； Foster等（198
31、4）提出水流剪切力可以用下式计算： (2.8) 式中：水流容重,kg/m3；R水力半径,m；能坡。 汤立群、陈国祥（1994）在分析了坡面土壤颗粒的受力情况，推出了坡面径流侵蚀力公式: (2.9)式中：C经验系数；，s水体容重和泥沙容重, kg/m3；d泥沙粒径，m；qw径流率，m3/m.s；x坡长，m；n曼宁糙率系数；其他符号同前。2.3水流功率 Bagnold (1966)提出水流功率的概念，即作用于单位面积的水流所消耗的功率，其表达式如下： (2.10)式中:水流功率, N/m.s；q单宽流量,m3/m.s；h水深,m；V平均流速,m/s；S坡度,。水流功率表征了一定高度的水体顺坡流动时
32、具有的势能。2.4单位水流功率 Yang首次提出单位水流功率的概念，Yang (1973)、Yang和Song（1979）把单位水流功率定义为作用于泥沙床面的单位重量水体的消耗的功率，其表达式如下： (2.11)式中: V平均流速，m/s；S地面坡度, ；Y单位重量水体的势能。单位水流功率表示了单位重量水体势能随时间的变化率。Yang (1976)、Yang和Song（1979，1984）提出最小能耗率理论，既当一个系统达到平衡状态时，其耗能率最小。最小值的大小取决于施加于系统的约束条件。对于给定河宽的均匀流，如果输送泥沙的能耗率可以忽略，单位体积的能耗率P，根据最小单位水流功率理论有：VS=
33、VmSm=最小值，m表示以最小单位水流功率获得的值。受制于给定的约束条件，即挟带给定流量和给定粒径d的泥沙含量Ct。杨达志（1976）推荐的泥沙输送公式是他的单位水流功率公式（Yang,1973），即：(2.12)式中：Cts总含沙量,重量ppm；沉降速度，m/s；运动粘滞系数；d泥沙的中值粒径，m；g重力加速度，m/s2；VS单位水流功率，m/s；VcrS初始运动时需要的临界单位水流功率，m/s。不管是水流切应力、水流功率、还是单位水流功率公式，总是以水流速度、坡能比降、水深和单宽流量这些最基本的水力参数为基础的，而水流平均速度也是坡能比降和单宽流量的函数，因而通过坡度和雨强的不同组合，进行
34、试验室精细模拟，是研究坡面径流分离土壤过程的有效方法，国内外学者曾对此进行过有益的尝试。3 实验材料及设计3.1实验材料及特性试验在黄河水利委员会黄河水利科学研究院模型黄河试验基地进行，试验材料为粉煤灰及邙山黄土，粉煤灰取自平顶山姚孟电厂，为火力发电厂的粗粉灰，土为郑州黄河附近邙山地区的黄土。3.1.1粉煤灰的特性煤灰是一种散粒状物质，是燃煤或歼石电厂的排弃物，颜色灰白色至黑色。在粉煤灰的形成过程中，由于表面张力作用，其颗粒大部分为空心微珠；微珠表面凹凸不平，极不均匀，微孔较小；一部分因在溶融状态下互相碰撞而连接，成为粗糙表面，棱角较多的蜂窝状粒子，颗粒粒径在100010m之间的约占85%以上
35、。而且，粉煤灰的粒度较细，比重2.12.4g/cm3，低于土壤颗粒的密度，容重0.51.0g/cm3，比表面积20004000cm2/g，在粒径上相当于砂级。粉煤灰吸附气态水的能力和吸水的能力与土壤大致相同。最大吸水量在4171038g/kg之间，不同粉煤灰之间的差异较大。粉煤灰在颗粒粒径及化学成份上与土壤接近，所以可以用来代替土壤作为模型沙进行水土流失试验，本次试验所选用粉煤灰的粒径组成如表3-1所示。3.1.2 粉煤灰的化学性质粉煤灰是煤中无机矿物质燃烧后的氧化物和硅酸盐矿物组成的混合物，物相主要是玻璃体，占50%80%。主要矿物有莫来石(3 A L2O3，2SiO2)、a-石英(两者约2
36、0%左右)、-硅酸二钙、方解石、钙长石、磁铁矿、赤铁矿、铝硅酸盐钙或硅酸钙共占70%左右。这些矿物在粉煤灰中一般不以单矿物状态存在，而是以多相集合体的形式出现。尽管粉煤灰为玻璃质，但从炉膛出来的原灰表面有大量的Si-O-Si键，经与水相互作用后，颗粒表面将出现大量的羟基，使其具有显著的亲水性、吸附性和表面化学活性。但是未燃尽的碳粒则有疏水性。粉煤灰除几乎不含N外，大量元素的化学组成与土壤或岩石母质具有很多相似之处。SiO2含量较高，其次是AL2O3和Fe2O3，其含量在粉煤灰中的差异较大；粉煤灰钾、磷含量及其有效性也大致同土壤相似。粉煤灰PH值明显高于土壤，尤其是干灰(原灰)的PH，最高可达1
37、2以上，呈现强碱性反应，但干灰经放置半月至一个月后，或者与水接触后，其PH可降至9.0以下。粉煤灰所含的化学元素有硅、铝、铁、钙，并含有多种重金属元素及稀有元素，如锡、硒、砷等，植物生长发育所必需的铁、锌、铜、铝、硼等均比土壤的含量高，因煤的品级高低不同，粉煤灰的化学组成及各元素的含量都有所不同。本试验所用粉煤灰PH值为9.45，重金属铬、砷、铅、铜的含量分别为84.15mg/kg、11.14mg/kg、115.20mg/kg、58.95mg/kg，有效磷、有效钾、有效氮的含量分别为32.51mg/kg、99.68mg/kg、36.70mg/kg，全氮为0.158mg/kg。表3-1 粉煤灰各
38、级粒径组成分析表粒径范围(mm)1.010.250.250.050.050.010.010.0050.0050.001 0.001比例01.05%35.45%43.4%3.2%6.4%10.5%3.2实验分类及指标的确定（1）试验场地通过调研和分析，根据研究需要和试验所需用水、用电的便利条件，开展不同雨强下坡面侵蚀产沙的试验研究。 （2）研究观测指标及影响因子的确定本试验研究观测指标为降雨前初始含水量、土壤容重，降雨产流量、产沙量、开始产流时间、坡面流速、确定考虑的影响因子为坡度、降雨强度。（3）土壤容重指标的确定原状土的容重，根据试验测定，基本上在1.1g/cm3左右（4）坡度的确定根据试验
39、要求以及的试验条件，本次试验均采用了两个坡度，20和25。（5）降雨强度及降雨历时的确定但是由于降雨器本身以及人为试验的误差，在雨强调试过程中，很难达到与设计雨强相同的雨强，只能用与实际雨强比较接近的雨强，实际雨强和试验雨强的对照表如表3-2所示。从表3-2可以看出，实际的雨强和设计雨强非常接近，实际雨强经过四舍五入计算后，基本上都和设计雨强相同，所以在绘图分析时，为了说明方便，有时采用的是设计雨强。根据最大30分钟降雨强度的要求，选取30分钟作为本次降雨历时。根据试验要求以及上述指标的分析，将本次试验分成以下种类，对于每种土质在同种雨强下都重复一次，所以试验总共需要做16场降雨试验。3.3实
40、验装置（1）人工降雨设施及建设试验装置主要分两个部分，一部分为人工模拟降雨装置，另一部分为试验坡面土槽。人工模拟降雨装置由三部分组成，即供水、稳压、降雨三部分。人工模拟降雨试验采用两联单喷头对喷式降雨器，降雨雨滴组成与天然降雨接近，喷头孔径从1mm到8mm变化，最大雨滴直径可达5mm，降雨喷头距地面高度约为15m，每个喷头降雨覆盖面积约为34m2，均匀系数可以达到75%以上，根据降雨器的孔口直径大小以及压力表调节水压来调节降雨强度，几台降雨器联合运用后，降雨强度变化范围为0.3mm/min到3.5mm/min,可模拟黄土高原的正常降雨条件；试验的多余流量由回流系统重新输送至储水池,节约水源。为
41、了保证试验在相对无风的情况下进行，试验场地建设了挡风设备，且试验时选择一天中早上59点和下午4点之后风较小的时段进行。根据降雨器的孔口直径大小以及压力表的压力大小来确定雨强，从而得到同一孔口直径下，不同压力的降雨强度曲线图。雨强率定的基本原理是根据不同的孔口直径和输送水的压力情况下，测定坡面上不同降雨强度的大小。用在一定水压条件下，更换侧喷式喷头内不同孔径的挡水板从而形成各种均匀的降雨强度，再将各个喷头组合排布即可形成设定区域内不同雨强的降雨。在实际操作中是按照降雨历时5min，用直径相同的水桶按一定的密度布设，然后测定桶中5min的降雨量（ml），用量筒来测量其降雨量体积，然后求其雨强，即可
42、得到实际的降雨强度。本次试验主要是通过调节阀门的出水量来调节降雨强度。即每分钟的降雨强度（mm/min）。原理见图2-3水 泵过滤器水 泵分水器分水器过滤器水 路活动立杆调节水压喷头水 池活动立杆图3.1 人工降雨原理示意图为了使试验能顾及所有影响裸地坡面侵蚀产沙的主要因素, 保证试验的可重复性,在本试验中, 尽力做到:（1） 降雨的均匀与稳定: 雨强均匀度达到80% 以上, 潜水泵由稳压电源供电；（2）供试土样的统一: 在本试验中, 所有的试验土样均取自同一取土点郑州邙山附近表层黄土，其颗粒级配、化学特性基本一致。（3）严格制作下垫面模型: 确保每次降雨试验模型的坡度、平整度、密实度都尽可能
43、保持一致。（4）确保含水量达到饱和又不至于起流。流流量越大，径流输沙率越大。3-3 处理实验数据得到因子试验次序产沙量（g）雨强(mm/min)流速(m/s)剪切力(pa)水流功率（N/m.s）单位水流功率（m/s）弗汝德数阻力系数容重(g/cm3)116.920.330.14.430.420.030.864.160.67237.920.390.136.180.820.051.172.520.67354.670.50.187.61.370.071.312.030.66483.520.60.279.472.540.11.571.710.62513.870.330.115.280.60.040.844.720.74624.640.380.166.851.130.061.113.10.73750.670.490.227.911.760.081.362.960.73873.80.620.279.72.630.11.471.740.73919.220.280.114.950.520.050.94.030.681041.910.410.147.141.010.071.192.490.671160.680.490.198.671