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黄土坡面细沟水流分离动力学过程试验研究

陈浩  
【摘要】:黄土高原是全球土壤侵蚀最严重的地区之一,该区强烈的侵蚀不仅给当地生态环境造成严重破坏,同时也对黄河下游地区造成了巨大威胁。细沟侵蚀是黄土高原坡面极其重要的侵蚀过程和侵蚀产沙的重要根源,细沟水流分离是细沟侵蚀的重要阶段和表现形式。阐明黄土坡面细沟水流分离动力学过程可为揭示坡面细沟侵蚀过程机理,建立坡面细沟侵蚀过程模型奠定重要基础,并为黄土高原坡面水土流失治理、生态建设及农业可持续发展提供重要科学依据。 本文在分析国内外坡面径流分离研究成果及野外细沟观测资料的基础上,主要采用细沟水槽试验方法,结合细沟水槽与漏斗供土组合试验和具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验观测,对黄土坡面细沟水流分离动力学过程进行了研究,分析了黄土坡面细沟水流分离能力变化特征,研究了黄土坡面细沟水流分离能力与水动力学参数的耦合关系,建立了黄土坡面细沟侵蚀过程模拟方程,为进一步建立坡面侵蚀过程模型奠定了重要基础。主要研究结果如下: 1、基于对坡面细沟水流分离能力变化特征研究,建立了细沟水流分离能力因子模型。不同流量下,细沟水流分离能力随坡度增加而增大,可用线性方程很好地描述;不同坡度下,细沟水流分离能力随流量的增加而增大,可用幂函数方程很好地描述;细沟水流分离能力因子模型为流量及坡度对细沟水流分离能力影响的二元幂函数方程,其中流量对细沟水流分离能力的影响大于坡度的影响。 2、基于对坡面细沟水流分离能力与水动力学参数耦合关系分析,揭示了细沟水流分离能力对不同水动力学参数的响应特征。不同流量与坡度组合下的细沟水流分离能力皆随流速、切应力、水流功率、单位水流功率、断面单位能量的增大而增加;不同流量下,细沟水流分离能力对流速、水流功率、单位水流功率、断面单位能量的响应都可用幂函数方程很好地描述,对切应力的响应可用线性方程很好地描述;不同坡度下,细沟水流分离能力对流速、切应力、水流功率、断面单位能量的响应皆可用幂函数方程很好地描述,对单位水流功率的响应可用线性方程很好地描述;不同流量及坡度下,细沟水流分离能力对流速、断面单位能量的响应可用幂函数方程很好地描述,对切应力、单位水流功率的响应可用线性方程较好地描述,对水流功率的响应可用幂函数或线性方程很好地描述。 3、基于对坡面细沟水流分离能力水动力学指标分析,阐明和取得了细沟水流分离(能力)动力学机理与模型。水流功率是描述试验条件下细沟水流分离(能力)动力学过程最好的水动力学参数,试验条件下细沟水流分离(能力)动力学过程的发生发展根源于细沟水流功率的动力作用;本研究取得的具有动力学意义的细沟水流分离能力模型为细沟水流分离能力对水流功率响应的线性关系模型或幂函数关系模型,两个模型模拟效果非常接近,使用时可根据需要选择。 4、基于对坡面细沟侵蚀过程中侵蚀率变化及其制约与影响因素分析,建立了细沟侵蚀过程模拟方程。细沟侵蚀过程中的细沟侵蚀速率受细沟水流分离能力、细沟水流输沙能力、细沟汇入沙输沙率的制约与影响;细沟侵蚀过程模拟方程是细沟侵蚀速率受细沟水流分离能力、细沟水流输沙能力、细沟(上部与两侧)汇入沙输沙率制约与影响的四元幂函数-对数函数组合方程,该方程可以较好地模拟本研究试验条件范围的坡面细沟侵蚀率变化过程。


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