坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

'第26卷第3期农业工程学报Vol.26No.3142010年3月TransactionsoftheCSAEMar.2010坡面径流调控薄层水流水力学特性试验11※2吴淑芳，吴普特，原立峰（1．西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，中科院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌712100；2．中科院南京地理与湖泊研究所，南京210008）摘要：为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响，该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验，研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律，包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制，其二者之间呈现幂函数关系；地表状况与流量大小直接影响着坡面流态，对于裸地与鱼鳞坑坡面，流量较小时属于层流与缓流，在流3量达到3.0m/h时，属于过渡流、紊流和急流；而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流；并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成，其大小主要受地表状况影响；阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之，坡面采取径流调控措施后，其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地，径流流速明显降低，水流流态明显平缓，水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。关键词：土壤，侵蚀，水力学，径流调控，放水试验，薄层水流doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.03.003中图分类号：S157.11文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-03-0014-06吴淑芳，吴普特，原立峰.坡面径流调控薄层水流水力学特性试验[J].农业工程学报，2010，26(3)：14－19.WuShufang,WuPute,YuanLifeng.Hydrauliccharacteristicsofsheetflowwithsloperunoffregulation[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(3):14－19.(inChinesewithEnglishabstract)临界水动力条件、坡面侵蚀水动力过程以及坡面流数学0引言描述和预报模型方面进行了全面的研究，并取得了很大土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程，[9-15]进展。而坡面径流的冲刷力是土壤侵蚀的主要动力，搞清坡面纵上所述，前人的研究大多集中在室内小土槽或室[1]产流的动力学特点是进一步研究侵蚀过程规律的基础。外小面积的无措施裸露小区，而且在坡面较平整的扰动坡面水流不同于一般明渠流动，其水深极浅（一般只有土上进行坡面水流水力学特性的模拟试验，且试验条件几毫米），水流运动受降雨及地表状况影响较大，如降均在一种理想条件下进行。由于坡面流水力学特性的复水强度和历时、土壤质地或种类、前期水分条件、植被杂性，对于复杂地表状况下的水流水力学特性以及变化[2-3]密度和类型，以及坡度和坡长等。近几十年来，随着规律仍未得到充分的认识和实际验证，因此深入开展复人们对自然环境研究的重视，坡面流研究得到了较大的杂地表的水流运动过程、水力学参数受流量及地表状况发展，逐步由经验性分析走向动力学特征为主的机理研的变化影响等方面的研究具有一定的紧迫性和重要性。究。对坡面流的研究中，国外部分学者从早期的土壤入本研究采用野外标准小区上进行实地放水冲刷试验，研渗和表面滞留、片流层流特征、斜坡坡面流水深和流速究不同地表状况（苜蓿草地、鱼鳞坑工程整地、秸秆覆预报研究到坡面流细沟侵蚀的水力要素、土壤颗粒分离、盖坡面及裸露地表）以及不同流量、不同坡度下坡面薄[4-8]泥沙输移、冲刷能量等坡面流机理研究做了大量工作。层水流水力学特性的变化规律，包括水流流速、水深、国内部分学者在变坡放水槽及野外坡地条件下研究了坡流态、阻力系数，进一步揭示与澄清坡面侵蚀产沙产流面流水动力学参数随流量和坡度的变化规律、坡面流水过程的本质，研究结果为坡面水土流失控制和水土保持力学特征、变坡径流流态的划分与归属、坡面流发生的合理规划提供重要的理论依据和研究基础。1试验地概括及研究方法收稿日期：2008-11-11修订日期：2009-12-09基金项目：教育部重点项目（109149）；教育部引智基地项目（111-2-16）；1.1试验地概况中科院水土保持研究所国家重点实验室基金（10501-206）试验地选在陕西杨凌野外径流调控措施定位观测作者简介：吴淑芳（1977－），女，宁夏吴忠人，博士，从事水土资源高效利用及地表径流调控研究。杨凌西北农林科技大学水保所，712100。站，属于黄土高原塬区，土壤为中壤土。土壤级配见表1。Email:wsfjs@163.com选用2个对照区和3个有措施小区，每小区按国际标准※通信作者：吴普特（1963－），男，陕西武功人，研究员，博士，博士生试验小区建造，除10°裸地坡面外，其余坡度均为20°，导师，中国农业工程学会会员（E041200091S），主要从事水土保持与节水投影面长20m，宽5m。对照区处理均为除去杂草的裸农业研究。杨凌西北农林科技大学水保所，712100。Email:gjzwpt@vip.sina.com露坡面；3个有措施坡面处理分别为：1）两年生苜蓿草 第3期吴淑芳等：坡面径流调控薄层水流水力学特性试验152地处理坡面，覆盖度65%左右；2）鱼鳞坑处理坡面，即0.75kg/m，覆盖度为85%。为准确、快速试验，将以上沿坡向下呈3个品字型排列的鱼鳞坑，长×宽×深为所选试验小区，在纵坡面上将宽5m分成3等分，用PVC20cm×60cm×20cm；3）秸秆覆盖措施，覆盖量为板隔（如图1所示）。表1试验区土壤机械组成Table1Mechanicalcompositionofsoilsample各级颗粒质量百分比/%土壤类别≤0.01mm水稳性团粒≤0.001mm＞0.001～0.005mm＞0.005～0.01mm＞0.01～0.05mm＞0.05～0.25mm＞0.25～1mm61.632.317.811.535.62.40.4中壤土图1试验小区布设Fig.1Layoutofdifferentexperimentalplots1.2试验设计局部地区水流沿坡面（分坡上、坡中、坡下）是均匀分本试验由于坡面长度较大，措施复杂，在室内进行布的，可采用公式以下公式计算人工模拟降雨试验及坡面处理不够现实，故自制放水装h=q/U=Q/(U·B·t）（1）3置，在野外径流小区进行放水冲刷试验，模拟上方来水式中：h——坡面水深，m；q——单宽流量，m/(min·m)；3时水流冲刷土壤侵蚀的动态过程。放水装置包括供水Q——t时间内径流量，m；t——径流取样间隔时间，min；源、消防带、可调节流量计、放水槽以及簸箕形消能槽，U——断面平均流速，m/min；B——过水断面宽度，m。标准径流小区上使用恒水压在小区上方按不同流量放无量纲参数雷诺数Re是水流的惯性力与黏滞力的比水，出水口保证水平，出水流量必须均匀。另外，在放值，是水流型态的重要判据，Re越大，说明水流惯性力水口处安装可调流量计，准确调节设计流量。根据当地越大，水流发生紊流的可能性也就越大，计算式如下径流小区观测资料推算和当地地形条件，以及地面径流UhRe（2）经过汇集后可能出现的最大径流量确定本研究的设计流v量大小，可设计为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5m3/h，单-52式中v——水运动黏性系数，取值为7.0×10m/s。-2-23宽流量为1.0×10～3.6×10m/(min·m)。在小区下方设在水力学中弗劳德数Fr也是表征水流流态的重要参三级集流桶，集流桶中间纵面上安装离桶低7cm的隔数，它反映了水流的惯性力和重力之比。弗劳德数Ｆr是板，其一侧为分水箱，另一侧内安装标尺，可读水位高否大于1，可以作为判别明槽水流是急流还是缓流的标度。从小区流出的泥水，经过分水箱底部流入横断面恒准，计算式如下定的集流桶，当一级径流桶装满后，1/3的径流可自动UFr（3）通过出水口流入二级径流桶，其余2/3排出，不予收集，gh依此类推。根据总的集流桶中的水位变化过程及一定时2式中g——重力加速度，m/s。间段内的桶内泥沙取样测定，即可推算出小区径流、泥坡面流阻力主要有4个来源：即颗粒阻力fg、形态阻沙过程。力ff、波阻力fw和降雨阻力fr，并且这些阻力是可以相互另外，待产流稳定时使用高锰酸钾染色示踪法，多叠加的。计算式如下次测定表层水流坡上、坡中、坡下流速，求其平均值，fffff（4）gwfr并乘以修正系数0.75作为水流断面平均流速。0.451.3分析方法其中：fg3.19Re；ff4.8Ai/Ab（式中：Ai——2由于坡面水流水层极薄，且土壤下垫面条件不断发局部地形改变后的面积，m；Ab——过水断面的总面积，2生变化，采用实测法测定水深难以准确测定。因此假定m）；fw2.8C（式中C——地表覆盖度，%）。 16农业工程学报2010年反映水力学特性的主要指标，借鉴河流动力学原理和方2结果与分析法，用相应经验公式对不同处理的坡面流一些参数进行坡面流速、径流深、雷诺数、弗劳德数等水流要素是计算，结果见表2。表2坡面薄层水流水动力学特性试验结果Table2Hydraulicscharacteristicsofsheetflowintheexperimentalplot小区流量/单宽流量/流速U/水深h/雷诺数水流弗劳德数水流颗粒阻力形态阻力波阻力阻力叠加3-13-1-1-1名称(m·h)(m·min·m)(m·min)mmRe型态Ｆr流态fgfffwf1.00.0077.2081.125124.164层流1.21急流0.3750.2500.3751.50.0128.4511.427214.440层流1.47急流0.2930.29320°对2.00.01910.1051.860334.222层流1.54急流0.2400.240照2.50.02411.8062.068434.077层流1.70急流0.2130.213区3.00.02913.7192.114515.600过渡流1.96急流0.1970.1973.50.03414.3852.355602.264紊流1.95急流0.1840.1841.50.0117.6161.738204.390层流1.04急流0.2570.2160.25710°2.00.0168.5151.885285.288层流1.29急流0.2580.258对2.50.0229.7252.303398.205层流1.33急流0.2220.222照区3.00.02811.0592.499491.397层流1.45急流0.2020.2023.50.03312.4702.649587.225过渡流1.59急流0.0110.1401.00.0083.0881.665137.529层流0.50缓流0.2941.9602.2541.50.0144.7172.470250.652层流0.53缓流0.2731.9602.233苜蓿2.00.0185.9693.086327.495层流0.71缓流0.2421.9602.202草2.50.0217.7493.120374.342层流0.79缓流0.2281.9602.188地3.00.0238.1602.828410.183层流1.01急流0.2191.9602.1793.50.0279.7112.769478.115层流1.21急流0.2041.9602.1641.50.0115.0582.188197.786层流0.71缓流0.3050.7101.0152.00.0157.7252.247268.605层流0.93缓流0.2650.7100.975鱼鳞2.50.0208.4522.346352.576层流1.15急流0.2340.7100.944坑3.00.0309.3703.169527.821过渡流1.09急流0.1960.7100.9063.50.03811.1423.371667.750紊流1.26急流0.1760.7100.8862.50.0094.9141.762153.963层流0.77缓流0.3402.5202.860秸秆3.00.0145.9092.366248.509层流0.80缓流0.2742.5202.794覆盖3.50.0217.0123.029377.603层流0.84缓流0.2272.5202.74733注：10°裸地、20°鱼鳞坑坡面分别在1.0m/h放水冲刷时坡面未有径流产生；20°秸秆覆盖坡面在1.0、1.5、2.0m/h流量下坡面未有径流产生。2.1径流流速增加。回归方程如公式（7）、（8）。相同流量下苜蓿草地从坡面薄层水力学特性试验结果﹙见表2﹚与单宽水深表现出较其他小区处理为最大。对于裸地，同一流流量与流速关系﹙图2﹚看出：无论坡度大小，随放水流量下，坡度越大，水深越浅。图3中10°裸地平均水深大量增大，即单宽流量随之增加，流速明显增加；同一放于20°裸地。0.4092水量不同小区产流流速主要受下垫面条件影响；试验分h=13.64q（有措施裸地）R=0.963（7）0.4682析得出，坡面薄层水流平均流速与流量间呈幂函数关系，h=12.37q（无措施坡地）R=0.971（8）如公式（5）、（6）0.5222U=78.1353q（无措施裸地）R=0.97（5）0.71272U=117.36q（有措施调控坡面）R=0.971（6）[16]式（6）中流量的指数略大于江忠善的0.5。这一[17][18]结果与Govers和Nearing在侵蚀动床上得到的结果一致，且坡面薄层水流的平均流速主要受流量的控制。这一结果表明对于本试验而言，用简单的幂函数关系可以准确地模拟不同措施坡面。2.2径流深与平均流速类似，水流深度也是坡面径流最基本的水动力学特性之一。图3是不同地表条件下平均水流深度随单宽流量的变化关系。从图3可看出：无论坡面有图2坡面流速与单宽流量的关系曲线无措施，随着单宽流量的增大，平均水深呈幂函数形式Fig.2Relationshipbetweenflowvelocityandfluxperwidth 第3期吴淑芳等：坡面径流调控薄层水流水力学特性试验17经验关系，根据地表特征差异将坡面流阻力分为4个部分，或者说坡面流阻力主要有4个来源：即颗粒阻力fg、形态阻力ff、波阻力fw和降雨阻力fr，并且认为这些阻力是可以相互叠加的。颗粒阻力fg被定义为指由高度小于10倍水流黏性底层厚度的土壤颗粒和微团聚体引起的阻力。通常也指坡面无措施的裸露坡地，因土壤颗粒之间的黏结力而引起的水流阻力。形态阻力ff被定义为微地形的变化或更大尺度的地表变形造成水流表面明显起伏、流速突变或流线分离等产生的阻力。形态阻力与实际过图3坡面水深与单宽流量的关系曲线水面积与坡面的总面积比成正比。波阻力被定义为水流Fig.3Relationshipbetweenflowdepthand受地表覆盖物、植被、砾石等较大的粗糙源产生的分离fluxperwidth涡和二次流耗散的能量产生的阻力，对于坡面有植被或覆盖物来说，其波阻力的大小与覆盖度成正比。降雨阻2.3水流流态力是雨滴打击造成水流延迟产生的相应附加阻力，在本水流流态是表征坡面薄层水流动力学特性的基本参研究中，采用的是放水冲刷试验，无雨滴击溅，故降雨数，它与坡面径流计算和输沙演算直接相关，因此研究阻力可视为零。坡面薄层水流流态具有重要的科学意义。在本研究特定试验条件下，通过雷诺数和弗劳德数计算，来判别水流综上不同径流调控措施的总阻力大小f=fw+fg+ff，依据各阻力计算式（式(4)）进行坡面水流受到的总阻力大流态（结果见表2）。根据明渠均匀流的基本理论，层流小计算，计算结果见表2，通过坡面水流受阻力大小与输和紊流的界限雷诺数对于矩形断面的明渠水流大致在沙率大小绘制二者之间关系图，如图4。由表2看出，每500左右，雷诺数大于500，属于紊流；小于500则属于种处理均受颗粒阻力，在0.18～0.37范围内；苜蓿草地层流；在500左右属于过渡流。另外，在河流动力学，以及秸秆覆盖坡面主要受波阻力大小影响，分别为1.96、弗劳德数也是表征水流流态的重要参数，它综合地反映2.52，且总的受阻力最大，在2.16～2.86之间。其次是沿了流速和径流深的对比关系。在径流流量相同的情况下，顺坡方向等距离排列的鱼鳞坑措施，其阻力主要来源形弗劳德数Fr越大，说明径流挟沙能力越强和坡面的径流态阻力，大小为0.71。裸地坡面无论坡度大小，其受到剪切力越大。另外根据明槽水流的判别标准，弗劳德数的阻力主要是颗粒阻力，分布在0.18～0.37范围内。Fr≥1，说明坡面流态是急流，Fr＜1则属于缓流。由图4可以清晰地看出：坡面水流受阻直接影响着由表2知，由水流流态公式表明，坡面薄层水流流坡地下方出口处的径流、泥沙大小。坡面水流受阻力越态与水深、径流流速有着密切关系，坡面水流流速、水大，径流被拦蓄入渗量越多，产流量越少，水流挟带泥深越大，水流紊动性越强。对于鱼鳞坑措施与裸露坡面，沙量减少，导致土壤侵蚀率越小，且侵蚀率T与阻力系当流量较小时坡面径流在整个坡面上呈片流状态，流态属层流与缓流；当流量增大至3.0m3/h时，水深与流速随数f呈现良好的对数关系。2T0.22lnf0.67R=0.9731（9）之增大，且容易在坡面上出现细沟，此时水流集中于沟道，水深在整个坡面上分布极不均匀，沟内水流较深，流速会迅速增大，甚至鱼鳞坑被冲毁，水流流态随之发生变化，呈现过渡流或紊流以及急流状态，水流侵蚀和输沙能力增大。然而，对于苜蓿草地与秸秆覆盖坡面，因地被物的存在，水流流动受到严重阻碍，流速减慢且在整个纵坡面上均匀分布，即使流量很大且水深较深时，水流基本上呈片状漫流，呈现出层流和缓流状态。2.4坡面流阻力长期以来，坡面流阻力问题得到了广泛深入的研[2-3]究，对于阻力系数的计算，目前仍使用Darcy-Weisbach阻力系数公式，且针对室内小土槽或室外小范围面积上图4坡面水流阻力大小与输沙率的的关系Fig.4Relationshipbetweenflowresistenceand进行的无措施裸露平整坡面的扰动土试验。然而对于复soilerosionrate杂坡面，不能很好地反映不同坡面状况下的水流受阻问题。近年来，越来越多的学者，进一步地研究复杂表面3结论的阻力规律，包括自然微地貌、植被覆盖、地表农作物残茬等对坡面流阻力的影响。总体上讲，都是基于阻力1）坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控叠加这一方法，根据试验和野外观测资料分析得到的半制，其二者之间呈现幂函数关系；地表状况与流量大小 18农业工程学报2010年直接影响着坡面流态，对于裸地坡面，流量较小时水流oftheCSAE,2008,24(6):64－68.(inChinesewithEnglish流态属于层流，当流量过大时，属于紊流和过渡流，对abstract)[7]GilleyJE.Hydrauliccharacteristicsofrills[J].Transactions于鱼鳞坑坡面，在流量较大时，属于过渡流与紊流；而oftheASAE,1990,33(6):1900－1906.苜蓿草地、秸秆覆盖均属于层流和缓流。[8]AbrahamsAD.Rillhydraulicsonasemi-aridhillslope,2）不同径流调控措施的复杂地表其阻力系数由颗粒southernArizona[J].EarthSurfaceProcessesandLandforms,阻力，形态阻力，波阻力和降雨阻力叠加而成，主要大1996,21(1):35－47.小受地表状况影响，且各种处理均受颗粒阻力，苜蓿草[9]罗榕婷，张光辉，曹颖．坡面含沙水流水动力学特性研究地以及秸秆覆盖处理主要受波阻力影响，沿顺坡方向排进展[J]．地理科学进展，2009，28(4)：567－575．列的鱼鳞坑处理主要受形态阻力影响，且阻力系数与土LuoRongting,ZhangGuanghui,CaoYing.Progressinthe壤侵蚀率呈现良好的对数关系。researchofhydrodynamiccharacteristicsofsediment-laden总之，从水流流速、水深、雷诺数以及水流阻力等overlandFlow[J].ProgressinGeography,2009,28(4):567－水力学参数变化规律研究表明，坡面采取不同的径流调575.(inChinesewithEnglishabstract)[10]张光辉，刘宝元，何小武．黄土区原状土壤分离过程的水控措施后，其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于动力学机理研究[J]．水土保持学报，2005，19(4)：48－52．裸地，径流流速明显降低，水流流态明显平缓，水流受ZhangGuanghui,LiuBaoyuan,HeXiaowu.Studyon阻力显著增加。此项研究结果对于分析和揭示不同水土hydro-dynamicmechanismofnaturalsoildetachmentin保持措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙作用机制有着重要loessregion[J].JournalofSoilandWaterConservation,的理论基础和实践指导意义。同时，系统地从复杂地表2005，19(4)：48－52．(inChinesewithEnglishabstract)的坡面流水动力学特性出发定量地揭示了地表水流运动[11]王玲玲，姚文艺，申震洲，等．草被覆盖度对坡面流水力过程、水流冲刷土壤的侵蚀机制，对促进和发展水土保学参数的影响及其减沙效应[J]．中国水土保持，2009，7(1)：持与土壤侵蚀研究工作开辟了新的研究思路。80－83．WangLingling,YaoWenyi,ShenZhenzhou,etal.Effectsof[参考文献]grasscoverageonshallowflowhydraulicparametersand[1]肖培青，郑粉莉，姚文艺，等．坡沟系统坡面径流流态及sedimentreduction,JournalofSoilandWaterConservation,水力学参数特征研究[J]．水科学研究，2009，20(2)：2009，7(1)：80－83．(inChinesewithEnglishabstract)236－241．[12]MianLi,WenyiYao,WenfengDing,etal.EffectofgrassXiaoPeiqing,ZhenFenli,YaoWenyi,etal.Flowpatternandcoverageonsedimentyieldinthehillslope-gullysideerosionhydraulicparametercharacteristicsinhillslope-gullyslopesystem[J].JournalofGeographicalSciences,2009,19(3):system[J].AdvancesinWaterScience,2009,20(2):236－321－330.241.(inChinesewithEnglishabstract)[13]吴普特，高建恩．黄土高原水土保持新论[M]．郑州：黄[2]刘青泉，李家春，陈力．坡面流及土壤侵蚀动力学(I)：坡河水利出版社，2005：23－67．面流[J]．力学进展，2004，34(3)：360－373．[14]柳玉梅，张光辉，李丽娟，等．坡面流水动力学参数对土[3]刘青泉，李家春，陈力．坡面流及土壤侵蚀动力学(II)：壤分离能力的定量影响[J]．农业工程学报，2009，25(6)：土壤侵蚀[J]．力学进展，2004，34(4)：493－511．96－101．[4]魏霞，李勋贵，李占斌，等．黄土高原坡沟系统径流水动LiuYumei,ZhangGuanghui,LiLijuan,etal.Quantitative力学特性试验[J]．农业工程学报，2009，25(10)：19－25．effectsofhydro-dynamicparametersonsoildetachmentWeiXia,LiYungui,LiZhanbing,etal.Experimentsoncapacityofoverlandflow[J].TransactionsoftheCSAE,2009,hydrauliccharacteristicsofrunoffinslope-gullysystemsin25(6):96－101.(inChinesewithEnglishabstract)LoessPlateau[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(10):[15]李鹏，李占斌，郑良勇．坡面径流侵蚀产沙动力机制比较19－25.(inChinesewithEnglishabstract)研究[J]．水土保持学报，2005，19(3)：66－69．[5]MeyerLD.Evolutionoftheuniversalsoillossequation[J].J[16]江忠善，宋文经．坡面流速的试验[C]//西北水土保持研究ofSoilandWaterConservation,1984,39(2):99－104．所集刊第7集．西安：陕西科学技术出版社，1988：46–52．[6]李占斌，秦百顺，亢伟，等．陡坡面发育的细沟水动力学[17]GoversG.Relationshipsbetweendischarge,velocity,and特性室内试验研究[J]．农业工程学报，2008，24(6)：flowareaforrillserodingloose,nonlayeredmaterials[J].64－68．EarthSurfaceProcessesLandforms,1992,17(5):515–528.LiZhanbin,QinBaishun,KangWei,etal.Indoor[18]NearingM,SimantonR,NortonD,etal.Soilerosionbyexperimentalstudiesonhydrodynamiccharacteristicsofsurfacewaterflowonastony,semiaridhillslope[J].Earthrunoffinrillerosionprocessionsteepslope[J].TransactionsSurfaceProcessesandLandforms,1999,24(8):677–686. 第3期吴淑芳等：坡面径流调控薄层水流水力学特性试验19Hydrauliccharacteristicsofsheetflowwithsloperunoffregulation11※2WuShufang,WuPute,YuanLifeng(1.KeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreasofMinistryofEducation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity;StateKeyLabofSoilErosionandDrylandAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China;2.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChinaAcademyofSciences,Nanjing210008,China)Abstract:Inordertoclarifytheprocessofrunoffmovementunderthecomplexsurfaceconditionsandtheeffectofflowandsurfaceconditionsonhydraulicsparameters,theauthorsstudiedthehydraulicpropertiesofshallowflowwithdifferentrunoffbyuseofthefieldscouringexperimentsinthestandardplotsinthisstudy.Thereinto,regulatingmeasurersincludedthetreatmentsoffish-scalepit,alfalfagrass,strawmulchandcontrol,andhydraulicpropertiesincludedflowvelocity,flowdepth,flowregimesandtheresistancecoefficient.Theresultsindicatedthatthemeanflowvelocityanddepthweremainlycontrolledbythesloperunoffdischarge,andtherewasalsoapowerfunctionrelationshipamongmeanvelocity,depthanddischarge.Theslopeflowregimewasdirectlyinfluencedbysurfaceconditionsandflowdischarge.Forthenakedslopeplot(control)andfish-scalepitplot,flowregimeswerelaminarflow3andsubcriticalflowunderthelesserdischarge,andtransitionalflowunderthedischargeof3.0m/h.Foralfalfagrassplotandstrawmulchplot,flowregimeswerelaminarflowandsubcriticalflow.Theresistancecoefficientoncomplexslopeconsistsofgranuleresistance,configurationresistanceandwaveresistanceanditwasmainlyinfluencedbythesurfaceconditions.Inaword,thecapabilityofresistingsoilerosionandsedimentmovementwasstrongerthanthecontrolwhateverongrassandstrawmulchslopeorontheslopewithfish-scalepits.Atthesametime,themeasuredslopehadafunctionofslowerrunoffvelocityandhigherflowresistance.Theresultsprovideanimportanttheoreticalbasisandpracticalsignificanceonrevealerosiondynamicmechanismandtheprocessofinterceptingsedimentandreducingrunoffinthedifferentmeasurestreatmentsintheslope.Keywords:soils,erosion,hydraulics,runoffregulation,scouringexperiment,sheetflow'