黄土高原小流域沟道水沙运移模拟试验研究

论文摘要

支离破碎的黄土高原由不同大小的(小)流域组成,是黄河泥沙的主要来源区。研究小流域产流产沙过程和机理,可深入理解小流域土壤侵蚀的时空分布规律,为小流域侵蚀预报模型研究和水土流失防治提供思路和数据。目前小流域坡沟系统土壤侵蚀研究的取得了一批高水平的研究成果。但由于问题的复杂性,迄今为止,对坡沟关系还没有一个较为完满的答案,尤其在泥沙来源、治理策略等一些基本问题上还存在较大分歧与争议。本文针对以上问题,将小流域沿沟缘线分为坡面与沟道两部分,运用正态整体模型试验的方法研究小流域沟道水沙运移规律。全文主要包括以下三部分内容:1.小流域模型人工模拟降雨在模型试验的基础上,运用计算机矢量化软件和色斑法相结合,分析了模型人工降雨雨强率定、雨滴取样、雨滴大小组成分布、降雨能量等降雨特性参数,得出不同喷头组合、不同水头压力条件下模型降雨强度、以及不同雨强条件下降雨雨滴中数直径与模型降雨总动能,为模拟黄土高原小流域水沙运移试验降雨尺度的选择提供依据。2.小流域沟道产流针对以往小流域沟道产流产沙研究建立在小区模拟降雨试验,或小区观测,以及由完整小流域水文资料推导的问题,在小流域的纯沟道上进行试验,研究了人工降雨条件下小流域沟道产流、汇流以及沟道降雨入渗跟降雨强度的关系,最后根据验证的相似比尺向原型进行了转换。在跟坡面产流比较的结果表明:沟道径流量、产流系数均高于坡面,其中次降雨径流量为该小流域坡面径流量的1.14～1.2倍。3.小流域沟道产沙基于延安燕沟康家圪崂沟小流域模型,通过人工降雨试验研究沟道产沙情况,得出沟道平均含沙量、泥沙输移量、侵蚀模数与降雨强度均存在aI b的关系,沟道次降雨平均含沙量为小流域坡面的3.17～4.33倍,侵蚀模数是坡面的3.78～5.10倍。对沟道产沙过程用相似比尺进行转换,并跟原型小流域降雨产沙过程进行比较,结果表明:转换后沟道起沙过程与含沙量峰值与原型产沙对应过程一致,基本能正确反应出这两过程的变化趋势;含沙量的消退过程与原型产沙不符,通过对沟道产沙过程的修正,推导得出原型沟道输沙变化过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 侵蚀与产沙的模拟试验发展概况
• 1.2.2 沟道流域坡面与沟谷侵蚀演化关系
• 1.2.3 小流域沟坡产沙关系及其侵蚀机理研究进展
• 1.2.4 水沙运移模型研究进展
• 1.2.5 坡地降雨入渗过程研究概述
• 1.3 存在问题
• 第二章 研究内容及方法
• 2.1 研究内容
• 2.1.1 小流域模型人工模拟降雨特性研究
• 2.1.2 小流域沟道产流研究
• 2.1.3 小流域沟道产沙研究
• 2.1.4 小流域沟道水沙运移规律分析
• 2.1.5 小流域沟道产流产沙向原型的转换
• 2.2 试验概况及设备
• 2.2.1 试验小流域概况
• 2.2.2 供试土样的选择及其性质的测定
• 2.2.3 人工降雨设备
• 2.2.4 影响降雨强度的因素及人工降雨试验
• 2.2.5 沟缘线的确定及沟道部分的分离
• 2.2.6 径流量、含沙量及土壤含水量等的测定
• 2.2.7 模型修复与降雨后恢复
• 2.3 研究的试验平台
• 2.4 试验设计
• 2.4.1 设计原则
• 2.4.2 技术路线
• 第三章 小流域模型人工模拟降雨研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料与设备
• 3.1.1.1 材料
• 3.1.1.2 设备
• 3.1.2 研究方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 雨谱率定公式普适性分析
• 3.2.2 雨强率定
• 3.2.3 雨滴密度
• 3.2.4 小流域模型降雨特性
• 3.3 小结
• 第四章 小流域沟道产流研究
• 4.1 引言
• 4.2 雨强选取与取样
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同雨强下沟道产流过程分析
• 4.3.2 不同雨强下沟道径流量计算与分析
• 4.3.3 沟道降雨入渗研究
• 第五章 小流域沟道产沙研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 不同雨强下沟道产沙过程分析
• 5.2.2 不同雨强下沟道侵蚀规律分析
• 第六章 小流域沟道水沙运移研究
• 6.1 引言
• 6.2 小流域沟道水沙运移规律分析
• 6.2.1 小流域沟道产水产沙对比分析
• 6.2.2 小流域沟道水沙分配过程
• 6.2.3 小流域沟道水沙规律研究
• 6.3 小流域沟坡产水产沙特征值对比分析
• 第七章 小流域沟道产流产沙向原型的转换
• 7.1 引言
• 7.2 转换依据
• 7.2.1 几何相似
• 7.2.2 降雨相似
• 7.2.3 流量相似
• 7.3 小流域沟道降雨水沙特征
• 7.4 小流域坡面产流产沙过程
• 7.5 原型小流域沟道产沙修正
• 7.5.1 小流域原型坡面产沙过程修正
• 7.5.2 小流域原型沟道产沙特征值修正
• 7.6 小节
• 第八章 主要结论及有待进一步研究的问题
• 8.1 结论
• 8.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附图