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《西安理工大学》 2001年
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陡坡薄层水流侵蚀动力过程试验研究

鲁克新  
【摘要】:本文首先在查阅了大量国内外文献资料,全面了解了坡面流水动力学特性及坡 面侵蚀动力过程等方面的研究现状及最新进展的基础上,根据黄土高原土壤侵蚀以 陡坡水蚀为主的特点,以深入揭示陡坡土壤侵蚀过程的动力学机制为目标,运用理 论分析与室内模拟试验相结合的方法,就陡坡光滑定床坡面薄层水流水动力学特性、 运动规律以及坡度、水深(放水流量)和降雨对坡面流水动力学特性的影响等开展 了初步的研究工作。通过坡面径流冲刷侵蚀试验对黄土坡面径流冲刷侵蚀输沙率、 时段产沙特征及其水动力学特征的时程变化规律进行了研究。利用坡面径流滚波沿 程叠加理论从理论上初步探讨了坡面侵蚀方式由片状侵蚀转化为细沟侵蚀的“质变 点”—— 跌坎的形成机理。用径流能量消耗过程分析方法,提出了坡面径流冲刷能 量消耗的概念,并建立了径流剥离率与能景消耗关系,阐明了试验条件下细沟侵蚀 发生的临界能量消耗条件。论文主要成果包括: (1)基于盐分示踪原理,研制成功坡面薄层水流流速观测仪。为深入开展土壤 侵蚀过程机制研究提供了有效的实验观测手段。 (2)陡坡径流放水试验研究表明,陡坡光滑坡面薄层水流的流速、阻力等水动 力学特性除了在最初的一段坡长范围内变化较大以外基本不随坡长变化。研究还表 明,陡坡光滑坡面上的簿层水流的流速、阻力系数、能量消耗都随水深(放水流量) 和坡面坡度的增大而增大,坡度对阻力系数的影响不明显。 (3)陡坡径流放水结合模拟降雨打击的试验研究结果表明,降雨对坡面薄层水 流的沿程各点流速有较大的影响,但其影响程度受放水流量和雨强大小制约:雨滴 打击对水深小的坡面水流有增速作用,且雨强越大,流速增幅越大。中小雨强的降 雨对大流量的坡面水流流速影响不显著,大雨强降雨对较大水深的坡面流产生减速 作用。雨强相同,坡面薄层水流的沿程各断面流速随着放水流量的增大而增大,而 坡度的影响不显著且受雨强大小的制约。小雨强时,坡面水流流速随着坡度的增大 而增大;大雨强时坡度作用不明显。 (4)陡坡薄层水流并非是稳定均匀流,而以滚波流的形式运动,陡坡薄层滚坡 流沿程不断叠加,滚波数不断减少。水深越大,滚波叠加越多;坡度和雨强对滚波 沿程蠢加的影响不明显。 u)陡坡径流剥蚀率随水深的增大而增大,坡度的影响规律不明显;坡面径流 侵硼沙过程表现为三个阶段,即面蚀一细沟阶段、细沟形成阶段、细沟稳定阶段。 坡面径流冲刷过程中各时段的产沙量所占总产沙量的比例都有随时间的延长先增大 而后减小的趋势。试验研究还表明,坡面径流侵蚀过程中的细沟形成阶段腿试验 开始后的3下和711分钟)是侵蚀产沙的主要阶段。该阶段的径流侵蚀产沙量耍占 总铡产沙量的52%一75%。陡坡坡面径流流速随着冲刷时间的延长,先减少后趋 于稳定. “)本文首次根据坡面径流滚波沿程叠加理论探讨了跌坎的形成机理。在坡面滚 波相互丝加的地方,水深的局部塔加导致径流侵蚀切应力的剧增。在水流纵向上的 切应力激憎点处,强烈的径流侵蚀作用导致了跌坎的形成。 O)根据能量守恒定律,推导了坡面径流冲刷能耗计算公式。根据坡面径流冲刷’ 试验实测资料,在试验坡度和放水流量范围内,建立了描述黄土坡面细沟侵蚀过程 中径流侵蚀产沙率与坡面径流冲刷能耗之间关系的表达式:Dr=k(InM-兄卜利 用此式得到了坡面细沟侵蚀发生的临界能耗为7.38)砌in。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:S157;TV142

【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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7 本报特约作者 倪洪江;长三角离动漫之都有多远[N];国际金融报;2005年
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