黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力计算模型研究

摘要

黄土高原位于中国西北地区，地处黄河中游，土质疏松，植被稀少，生态脆弱，这也就导致该地区土壤侵蚀严重，风沙危害频发。黄土高原的水土流失是黄河泥沙的主要来源，土壤侵蚀的研究成为重要问题之一。土壤水蚀是土壤侵蚀最主要的方式，含沙水流水动力学特性和泥沙输移机理是研究坡面流土壤侵蚀的两个重要内容，因此系统研究水动力学特性及坡面水流输沙能力计算方法对深入探讨土壤水蚀机理具有重要价值。本文通过室内水槽加沙试验，在坡度和流量完全组合条件下，研究了坡面径流水动力学特性、泥沙输移机理并推导出坡面水流输沙能力计算模型。主要得出结论如下： （1）在坡面流中，雷诺数变化范围是296.6~1249.4，即含沙水流处于层流区和过渡流区，说明含沙水流在一定程度上可以“治紊”，将紊流转变为层流或过渡流区。弗劳德数变化范围在2.032~2.874之间，含沙量对弗劳德数影响较大，即含沙水流处于急流状态。阻力系数与含沙量的关系相对复杂，初期随含沙量的增大，阻力系数相应减小；后期含沙量增大会导致阻力系数逐渐增大。含沙水流的平均流速与流量和含沙量均存在一定关系，且流量对平均流速的影响相比于含沙量的影响更为显著。 （2）试验土样为沙黄土和黄绵土时，输沙能力随坡度、单宽流量的增长呈现幂函数递增趋势，单宽流量较坡度而言对输沙能力的影响更为显著。含沙水流平均流速主要受到坡度和单宽流量的影响，且与坡度、单宽流量呈幂函数关系，平均流速与输沙能力间的关系会受到中值粒径影响。剪切力通过幂函数关系式对坡面水流输沙能力的预测受到土壤类型影响。在功率类指标中，水流功率、有效水流功率受到中值粒径影响不明显，而单位水流功率与输沙能力的关系受到中值粒径的影响，幂函数指数存在差异。在考虑临界水流功率W0后，两种粒径下水流功率与输沙能力关系相一致，但有效水流功率仍是今后研究的范围。 （3）根据粘性土试验并结合多种无粘性沙的研究结果可以看出，各水流强度指标与输沙能力关系中，有效水流功率相关性最强。选取无量纲有效水流功率的水流强度指标和体积含沙量作为输沙能力影响因子，采用幂函数结构形式，进行率定得出坡面水流输沙能力计算公式，该公式对于不同粒径土壤输沙能力的预测较为精准。

目录

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主要符号对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1坡面含沙水流水动力学特性

1.2.2坡面水流输沙能力影响因素

1.2.3坡面水流输沙能力计算模型

1.2.4坡面水流输沙能力研究方法

1.2.5坡面水流泥沙驱动机理

1.3存在的问题及不足

第二章 研究内容与方法

2.1.1研究目标

2.1.2研究内容

2.2技术路线

2.3.1研究区域概况

2.3.2研究方法

2.3.3试验设计

第三章 坡面含沙水流水动力学特性

3.1坡面含沙水流水力要素

3.2.1雷诺数

3.2.2弗劳德数

3.2.3阻力系数

3.2.4平均流速

3.3本章小结

第四章 两种粒径下黄土坡面水流输沙机理

4.1不同粒径下坡度、单宽流量对输沙能力影响

4.2不同粒径下各水流强度指标对输沙能力的影响

4.2.1流速对输沙能力的影响

4.2.2剪切力对输沙能力的影响

4.2.3水流功率对输沙能力的影响

4.2.4单位水流功率对输沙能力影响

4.2.5有效水流功率对输沙能力影响

4.3讨论

4.4本章小结

第五章 基于无量纲水流强度指标输沙能力计算模型

5.1坡度、单宽流量与输沙能力关系

5.1.1输沙能力关于坡度和单宽流量公式的建立

5.1.2公式的验证及比较

5.2无量纲化理论基础

5.3最优水流强度指标的选取

5.3.1流速类指标

5.3.2力学类指标

5.3.3功率类指标

5.4.1模型的建立

5.4.2模型的验证

5.5讨论

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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