坡面暴雨径流特性、侵蚀机理及其降雨径流水动力学特性是坡面水力侵蚀动力学研
究的重要内容。本研究基于黄土高原延安地区 2013 年出现的百年一遇大暴雨，对其暴
雨特性、梯田侵蚀灾害及发生原因等进行了研究，为了进一步从本质上探明该类暴雨条
件下坡面径流的水动力学特性，在黄土高原小流域水力侵蚀调控实体模拟试验技术基础
上，针对坡面流水深小、水力学参数量测困难等问题，对黄土高原坡面暴雨径流非常规
比尺进行了初步研究及验证，该方法可为坡面流水动力学特性的研究提供一种新的途径。
取得的主要成果如下：
1. 分析了黄土高原地区暴雨特性、侵蚀灾害及发生原因，结果表明：延安地区 2013
年降雨总量达 959 mm，其中最大月 7 月降雨量为 568 mm，达到万年一遇标准；延安地
区 2013 年极端侵蚀性降雨和暴雨发生次数多，总量大；延安地区 2013 年极端降雨条件
下连片梯田侵蚀剧烈，侵蚀模数和相对高差与汇水面积之间存在显著幂函数关系，梯田
中下部侵蚀严重；延安地区最大降雨量主要发生在太阳黑子相对数峰值及其附近 2 年，
太阳黑子相对数和极端降雨之间关系密切；延安地区最大降雨量主要发生在厄尔尼诺次
年，而厄尔尼诺当年主要为干旱年，当南方涛动指数为负值时，降雨量总体上呈现一个
下降的趋势。
2. 采用相似论和水力学的基本原理，在前人研究基础上进行补充完善得到适用于
黄土高原的坡面暴雨径流非常规模型基本比尺关系式包括几何比尺、流速比尺、坡度比
尺和糙率比尺等；在此研究基础上结合文献对坡面暴雨径流侵蚀输沙运动非常规比尺进
行了研究，主要考虑起动相似、挟沙相似、床面变形相似及土壤水运动相似，最终得到
包含几何相似、水流运动相似、侵蚀产沙运动相似及土壤水运动相似的黄土高原坡面暴
雨径流非常规比尺关系式。
3. 分析了光滑铝塑板、粘沙加糙和草垫加糙三种不同加糙方式的加糙效应结果表
明随着下垫面粗糙程度的增加，相应情况下水流的弗劳德数越来越小，在相同坡度条件
下，铝塑板和粘沙加糙床面水流的弗劳德数随着流量的增加而增加，草垫加糙床面水流
的弗劳德数随着流量的增加逐渐减小而后趋于稳定；在相同流量条件下，三种加糙床面
水流的弗劳德数均随坡度的增加而增加。随着下垫面粗糙程度的增加，不同下垫面的阻
力系数越来越大，在相同坡度条件下，光滑铝塑板和粘沙加糙床面阻力系数随着流量的增加而减小，草垫加糙床面阻力系数随着流量增加未呈现明显减小趋势；在相同流量条
件下，光滑铝塑板、粘沙加糙和草垫加糙三种加糙方式阻力系数均随坡度的增加而增加。
4. 对坡面暴雨径流非常规比尺关系式径流过程的初步验证。在坡面暴雨径流非常
规比尺模型推导的基础上，本研究在室内构建了几何比尺为 0.5，坡度为 0.017 的原型和
模型坡面，其中原型水深分别为 1.5cm、1.8cm、2.0cm、2.2cm，对应的模型水深分别为
3.0cm、3.6cm、4.0cm、4.4cm，在正态条件下，对满足几何相似条件建造的原型坡面和
模型坡面的水流流型、水流流态、阻力相似、运动相似等过程进行了验证，其偏离度大
都在误差允许范围内，实现了对坡面暴雨径流非常规比尺模型的初步验证。
关键词 ：暴雨径流；太阳黑子；厄尔尼诺；草垫加糙；非常规比尺