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《清华大学》 2005年
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黄土高原沟道坝系拦沙效应模型试验研究

徐向舟  
【摘要】: 本文回顾了前人在水土保持模型试验方面取得的研究成果,并根据黄土高原地区特殊的地理气候条件,提出了本文研究的性质和范围。为使室内模型试验能够与所研究的原型流域侵蚀产沙特性相似,本文首先通过多种尺度的坡面和沟坡模型的降雨模拟试验,研究沟坡的产流、产沙发展变化过程及其与降雨动力、初始含水量等因素之间的关系。然后以原型与模型次降雨量地貌演变程度之间的关系为桥梁,采用原型资料和模型试验率定结合的手段来确定模型产沙与原型产沙之间的比尺,提出了研究黄土高原小流域沟道坝系产沙模型试验方法,并通过对比模型试验验证了这种方法的可靠性。最后采用该方法研究了黄土高原典型小流域沟道坝系的拦沙效应和布坝方案。取得以下主要结论: (1)沟坡模型的降雨模拟试验表明,经过较短时间的降雨侵蚀,模型出口处径流的流量、含沙浓度和输沙率都将趋近于某一常值但有一定波动;模型流域的几何尺度、模拟降雨强度和持续时间诸因素的变化都不影响这种趋势的存在。在每次降雨时间相同的情况下,对于无植被的坡面或沟坡模型的系列降雨试验表明:如果初始含水量饱和,则流域出口产沙量(或侵蚀率)分别与径流量或雨强成幂函数关系,径流体积(或流量)与雨强呈线性相关关系。 (2)提出的黄土高原沟道坝系模型试验方法为:(a)按照几何相似条件,要求初始地貌与原型相似;(b)为保证侵蚀形态的相似性,下垫面需要采用原型土壤构筑裸地模型,土壤初始含水量同原型相近,且模型降雨强度必须大于临界雨强;(c)降雨历时遵循重力相似条件;(d)为保证沟道坝系地貌演变相似,模型降雨产沙关系应与原型相对应,产沙量比尺需要采用比尺修正法确定,即该比尺为原型产沙量同模型产沙量的比值,其中模型产沙量通过预备试验确定,原型产沙量则等于侵蚀模数与流域面积的乘积。 (3)对比试验的结果表明,黄土高原沟道坝系的拦沙淤地效果与建坝顺序关系密切:“先下后上”、“先主后支”的布坝方案较为优越。单坝放水模拟试验和坝系降雨模拟试验的结果证实了相对稳定现象的存在。坝地面积的扩大和沟道的自平衡机制等因素是促使淤地坝实现水沙相对稳定的主要原因。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TV649

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