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黄土坡面细沟水流输沙能力试验研究

袁殷  
【摘要】:我国黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的区域,该区强烈的侵蚀不仅给当地的生态环境和可持续发展造成严重破坏,而且给黄河下游两岸造成严重威胁。细沟侵蚀是我国黄土高原极其重要的坡面侵蚀方式和严重土壤侵蚀的重要根源,是国内外土壤侵蚀研究的重要对象。细沟水流输沙能力是制约细沟侵蚀的重要参数,阐明黄土坡面细沟水流输沙能力可以有效地推进坡面细沟侵蚀过程及模型研究的进一步发展,促进坡面侵蚀理论及土壤侵蚀科学的进一步完善,并为我国黄土高原坡面水土流失治理提供重要科学依据。 本论文采用定床细沟水槽试验方法,对黄土坡面细沟水流输沙能力进行了模拟试验研究,分析研究了黄土坡面细沟水流水力学特性、细沟水流输沙能力变化特征,细沟水流输沙能力与水动力学参数的耦合关系,为进一步研究建立坡面细沟侵蚀过程物理模型奠定了重要基础。主要研究结果如下: 1、研究了坡面细沟水流水力学性质。细沟水流流速、水深、阻力系数、雷诺数随流量和坡度的变化可用二元幂函数方程很好地描述,佛汝德数、水流切应力、单位能量的变化可用二元线性方程很好地描述。流量对流速、水深、雷诺数、佛汝德数、水流切应力和单位能量的影响大于坡度,对阻力系数的影响小于坡度;试验条件下细沟水流雷诺数在461.3~800.5之间,且绝大部分大于500,佛汝德数在3.56~5.06之间,表明细沟水流流态基本为过渡流,流型为急流。 2、分析了了细沟水流输沙能力变化特征。不同坡度下,细沟水流输沙能力随流量增加而平缓增大,可用幂函数方程很好地描述;不同流量下,细沟水流输沙能力随坡度的增加而增大,可以用指数方程很好地描述;细沟水流输沙能力随流量及坡度变化的因子模型为二元幂函数方程: T_c = 67.6781S~(0.9807) q~(1.1985),流量对细沟水流输沙能力的影响大于坡度的影响。 3、揭示了细沟水流输沙能力与水动力学参数的耦合关系。不同流量下,细沟水流输沙能力对流速的响应关系可用幂函数方程描述,对水流切应力、单位水流功率、水流功率、单位能量的响应关系皆可用指数函数方程描述;不同坡度下,细沟水流输沙能力对流速、水流切应力的响应关系可用幂函数方程描述,对单位水流功率及水流功率的响应关系可以用线性方程描述,对单位能量的响应关系可用指数方程描述;不同流量及坡度下,细沟水流输沙能力对流速和单位能量的响应关系可用幂函数方程描述,对水流切应力对的响应关系可以用指数方程描述,对单位水流功率和水流功率的响应关系皆可用线性方程描述。 4、阐明了细沟水流输沙能力变化的动力学机理。细沟水流输沙能力对主要水动力参数响应的决定系数大小顺序为:水流功率(R~2=0.7851)单位水流功率(R~2=0.5890)水流切应力(R~2=0.5590)。试验条件下,水流功率是与细沟水流输沙能力变化关系最密切的水动力学指标,是描述细沟水流输沙能力变化最好的动力学参数,细沟水流输沙能力承载的动力学根源在于细沟水流功率的动力作用。 5、建立了具有动力学意义的细沟水流输沙能力模型。综合考虑坡面不同水流动力学理论特点、试验条件下取得的细沟水流输沙能力对水流动力参数响应关系方程的合理性、细沟水流输沙能力对水流动力参数响应关系决定系数的大小,以及细沟水流输沙能力动力学指标的选取,研究建立的黄土坡面细沟水流输沙能力动力学模型为输沙能力与水流功率耦合的线性方程:T c = 0.1216(ω-0.5452),该方程表述的细沟水流输沙能力与水流功率之间的关系显著相关(R~2=0.7851,Sig0.01)。


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