黄土高原坡沟系统侵蚀产沙动力过程与调控研究

摘要

本文针对目前坡沟系统研究中的薄弱环节和亟待解决的问题,分别利用室内概化坡沟系统模型和野外天然变坡地形,采用放水冲刷试验来研究和完善坡沟系统的侵蚀产沙理论。根据黄土高原的坡沟地貌特征,建立室内坡沟系统概化模型,结合REE示踪技术,采用室内放水冲刷试验,研究了坡沟系统的径流水动力学特性、坡沟系统的侵蚀产沙过程、坡沟系统的径流侵蚀动力、坡沟系统侵蚀泥沙来源等问题。利用野外坡沟系统的放水冲刷试验,研究了草被覆盖对坡沟系统的水动力学特性的调控作用、坡沟系统的侵蚀产沙过程随坡底和沟底两种不同位置时侵蚀产沙的差异、坡沟系统的侵蚀产沙过程随着坡底和沟底草被覆盖度的变化、坡沟系统的侵蚀产沙过程随着坡沟系统不同坡长组合的变化等问题。用野外收集到的坡面改修梯田工程资料,研究了坡改梯工程措施的实施对坡沟系统的入渗过程、产流产沙过程的调控作用；根据收集到的沟道淤地坝工程资料,分析了淤地坝工程措施的实施对来自坝空流域坡沟系统径流泥沙和侵蚀产沙粒径的调控；应用有限元分析软件,研究了淤地坝工程措施对坡沟系统重力侵蚀的调控作用。通过三年来相关的试验与研究工作,取得以下结论： (1)在本论文试验的坡沟系统中,径流雷诺数Re、径流弗罗德数Fr和流速V随流量和坡位的不同变化较大。在实验流量范围内,坡沟系统的Re变化位于342.3～858.8之间,Re都小于900,说明整个试验过程中,坡沟系统的径流处于层流状态。Fr变化位于1.36～8.92之间；均都大于1,说明在整个试验过程中,坡沟系统径流处于急流状态。 (2)REE示踪研究结果表明,坡沟系统的侵蚀量主要来自坡面,坡面顶端2m的侵蚀量占坡沟系统总侵蚀量的50％～75％；坡面各示踪侵蚀带侵蚀量大小顺序依次为:La元素示踪带(坡顶断面)>Ce元素示踪带(与坡顶断面相邻的坡中断面)>Tb元素示踪带(坡底断面)>Sm元素示踪带(与坡底断面相邻的坡中断面),但Q=12L/min时例外；沟坡各侵蚀带侵蚀量大小次序依次为:Eu元素示踪带(沟顶断面)>Yb元素示踪带(沟坡中间断面)>Dy元素示踪带(沟底断面),但小流量Q=6L/min和Q=8L/min时例外；流量相同时,随着冲刷历时的延长,坡沟系统侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小；且随冲刷流量的增大,侵蚀率达到最大值的时间越来越短。 (3)坡沟系统中的侵蚀率与径流能耗或单宽水流功率之间呈现显著的幂函数关系,函数的通式为:y=ax-b,其中,y为侵蚀率,x为能耗或者单宽水流功率,a、b为大于零的常数。并且能耗与侵蚀率之间的相关性大于单宽水流功率与侵蚀率之间的相关性。坡沟系统中的侵蚀率与径流剪切力之间呈现出线性相关性,但是相关关系不如能耗和功率关系显著,本研究中的坡沟系统在用径流剪切力、径流能耗、水流功率三个参数进行描述时,径流能耗效果最好,水流功率次之,径流剪切力相对最差。 (4)相同冲刷流量下,不论草被布设在坡沟系统的坡底还是沟底,随着草被覆盖度从30％增大至50％,坡沟系统的Re、Fr和V均呈现出明显的增长趋势,但随着草被覆盖度继续增大至70％时,Re、Fr、V又呈现出明显的递减趋势。相同流量相同草被覆盖度下,坡沟系统的Re、Fr和V随着冲刷历时的增大呈现出波动的变化趋势,增减趋势不是很明显；相同草被覆盖度下Re、Fr、V随着冲刷流量的增大而增大；草在沟时的Re、Fr、V略大于草在坡底时相应的Re、Fr、V。 (5)不论草被布设在坡底还是沟底,当草被覆盖度相同时,随着放水流量的增大,坡沟系统的产流总量呈现出增大的趋势。同一流量下,坡沟系统的产流量随着草被覆盖度的变化不同,当草被在坡底时,坡沟系统的产流量的变化为：当Q=14L/min时,0％>50％>30％>原状>70％；当Q=18L/min和Q=22L/min时,50％>0％>原状>30％>70％。当草被在沟底时,坡沟系统的产流量的变化为：当Q=14L/min时,0％>50％>30％>原状>70％；当Q=8L/min和Q=22L/min时,原状>70％>50％>30％>0％。 (6)坡沟系统的产沙总量随着草被覆盖位置的变化相差较大。当草被布设在坡底时,草被覆盖度为原状时,随着流量的增大,坡沟系统的产沙量呈现出先减小后增大的趋势；草被覆盖度为50％时,随着流量的增大,坡沟系统的产沙量呈现出先增大后减小的趋势；草被覆盖度为70％、30％和剪草裸坡时,随着放水流量的增大,坡沟系统的产沙总量呈现出逐渐增大的趋势。当草被布设在沟底时,草被覆盖度为原状、70％和剪草裸坡时,随着放水流量的增大,坡沟系统的产沙总量呈现出逐渐增大的趋势；草被覆盖度为50％和30％时,随着流量的增大,坡沟系统的产沙量呈现出先减小后增大的趋势。 (7)在本实验设计的坡长和流量范围内,长坡长的产沙量大于短坡长的产沙量,相同草被覆盖度和相同流量下,长坡长的坡沟系统的侵蚀产沙过程较短坡长的侵蚀产沙过程剧烈,各坡长情况下产沙量随着流量和盖度的变化呈现出不同的变化趋势。 (8)相同冲刷流量下,坡沟系统的侵蚀产沙过程随着坡面草被覆盖度的增大呈现先增大后减小的趋势。即当草被覆盖度由30％增大至50％时,坡沟系统的产沙速率增大,但随着草被覆盖度继续增大至70％时,坡沟系统的产沙速率又出现减小的趋势。坡沟系统的产沙速率随着沟坡的草被覆盖度的变化呈现出类似坡面草被覆盖度的变化,但这种变化不如坡面显著。相同覆盖度的草被布设在坡沟系统的沟底时的侵蚀产沙过程较草被布设在坡底时的侵蚀产沙过程剧烈,这说明在本实验设计的坡沟系统实验中,草被布设在坡底时的减沙作用较显著,而沟底的减沙作用不如坡底显著。 (9)坡改梯工程措施能够增大坡沟系统的入渗量,伴随着入渗量的增多,土壤中的养分的流失量减小,利于作物高产稳产。在一定的暴雨洪水范围内,坡改梯措施改变了坡耕地原有的坡度,使坡面的产流产沙量大幅度减小,对坡面产流产沙量进行了有效控制,从而有效控制了相应坡沟系统的坡面(上方)来水来沙量。 (10)沟道淤地坝工程措施的实施,能够就地拦蓄淤地坝所在坡沟系统的产流产沙量,使得出口的水沙量减小,长流水沟道的基流量增大,出口泥沙中值粒径减小,说明淤地坝不但能有效拦蓄洪水泥沙,而且可以减小粗泥沙对下游河道的危害。随着淤积厚度的增大,淤地坝系所在沟道两侧的坡沟系统的稳定性越来越好,重力侵蚀量或侵蚀潜力也越来越小,说明淤地坝工程措施对坡沟系统的重力侵蚀具有较强的调控作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究进展

1.2.1黄土高原坡沟系统侵蚀研究

1.2.2植被覆盖及空间分布减蚀作用与调控方法研究

1.2.3坡面改修梯田工程措施减水减沙作用研究

1.2.4淤地坝调拦水沙作用研究

1.3研究内容

1.4研究方法与技术路线

1.4.1研究方法

1.4.2研究技术路线

2坡沟系统径流水动力学特性试验研究

2.1室内概化坡沟系统模型的设计

2.1.1坡沟系统模型的设计原则

2.1.2坡沟系统模型设计

2.1.3试验方法

2.2坡沟系统径流水动力学理论基础

2.3试验结果与讨论

2.3.1坡沟系统径流流态分析

2.3.2坡沟系统径流流速变化特征

2.3.3坡沟系统径流阻力分析

2.4本章小结

3坡沟系统侵蚀产沙过程试验研究

3.1 REE试验原理及方法

3.1.1试验原理

3.1.2示踪元素的选择

3.1.3试验与示踪元素的布设

3.1.4示踪元素施放量的估算

3.1.5示踪土样的配制

3.1.6示踪土样的施放

3.2样品中子活化(REE-INAA)分析

3.2.1试验原理

3.2.2样品制备

3.2.3检测精度控制

3.2.4精度分析

3.3坡沟系统产流产沙过程特征

3.3.1坡沟系统产流过程分析

3.3.2坡沟系统产沙过程分析

3.3.3坡沟系统累积径流量和累积产沙量的关系

3.4 REE示踪研究坡沟系统侵蚀过程的计算方法与精度

3.4.1相对侵蚀量计算与精度检验

3.4.2侵蚀率计算

3.5坡沟系统侵蚀产沙时空变化特征

3.5.1坡沟系统相对侵蚀产沙量的动态变化

3.5.2坡沟系统各元素示踪带侵蚀率的时空变化

3.5.3坡沟系统坡面与沟坡侵蚀产沙比率变化

3.6本章小结

4坡沟系统径流侵蚀动力试验研究

4.1坡沟系统径流理论基础

4.1.1坡沟系统径流剪切力

4.1.2坡沟系统径流能耗

4.1.3坡沟系统径流功率

4.2结果分析

4.2.1坡沟系统径流剪切力的变化

4.2.2坡沟系统径流能量的时空变化

4.2.3坡沟系统水流功率的变化

4.2.4坡沟系统径流剪切力与侵蚀率的关系

4.2.5坡沟系统径流能耗与侵蚀率关系

4.2.6坡沟系统水流功率与侵蚀率关系

4.3本章小结

5草类植被对坡沟系统侵蚀产沙过程调控试验研究

5.1野外坡沟系统模型设计与试验方法

5.1.1试验区概况

5.1.2野外坡沟系统模型设计

5.1.3试验方法

5.2草类植被对坡沟系统径流水动力学特性的调控

5.2.1草类植被对径流流速的影响

5.2.2草类植被对径流流态的影响

5.3草类植被对坡沟系统侵蚀产沙过程的调控

5.3.1草类植被对坡沟系统产流产沙总量空间变化的调控

5.3.2坡沟系统的产流产沙总量随坡沟系统不同坡长组合的变化

5.3.3草被覆盖对坡沟系统累积径流量和累积产沙量关系的调控

5.3.4草被覆盖对坡沟系统侵蚀产沙过程的调控

5.4本章小结

6其他工程措施对坡沟系统侵蚀产沙的调控

6.1坡面改修梯田工程措施对坡沟系统侵蚀产沙的调控

6.1.1坡面改修梯田工程对坡沟系统入渗的调控

6.1.2坡面改修梯田工程对坡沟系统产流产沙的调控

6.2沟道淤地坝工程措施对坡沟系统侵蚀产沙过程的调控

6.2.1淤地坝工程对来自坝控流域坡沟系统径流泥沙的调控

6.2.2淤地坝工程对坡沟系统侵蚀产沙粒径的调控

6.2.3淤地坝工程措施对坡沟系统重力侵蚀的调控

6.3本章小结

7结论与建议

7.1结论

7.2建议

致谢

参考文献

附录