坡面径流侵蚀非常规比尺模拟试验研究

摘要

降雨径流侵蚀动力学研究领域目前面临的一个重要问题是坡面径流水深浅（毫米级），流速、水深等水动力学参数量测困难，这使得对坡面径流的结构、能量耗散、泥沙运动的深入研究带来困难。本研究基于土壤侵蚀力学、泥沙运动力学及相似性理论的基本原理，通过“非常规比尺模型”将水深进行放大，对清水、含沙及降雨条件下的坡面径流的水动力学参数进行非常规比尺转换关系设计和相似性验证，在此基础上，对“非常规比尺模型”在径流侵蚀研究流域中的应用进行研究，为坡面径流水动力学参数提取、水流结构、能量耗散及泥沙运动等的深入研究提供一种新的研究方法。取得的主要成果如下： 1.非常规比尺模型设计。采用相似性理论和黄土高原小流域水力侵蚀调控模拟技术，对坡面径流的水流运动、泥沙输移等进行初步的非常规比尺设计，确定了坡面径流侵蚀非常规比尺模型中应遵循的比尺转换关系，包括几何比尺、降雨相似比尺、流量比尺、糙率比尺、床面变形比尺、含沙量比尺等。在此基础上，依据起动相似、悬浮相似和挟沙相似（即λu=λuc=λu*=λω）入手，进行模型选沙，当原型沙为陕西安塞娄坪乡的土壤，模型沙为陕西延安万花山的土壤时，λu=λu*=λuc=0.632≈ λω=0.628，四个比尺值基本相等，则满足选沙条件，即比尺模型选沙合理。 2.径流过程验证。在坡面径流侵蚀非常规比尺模型的比尺转换关系设计的基础上，对清水、含沙以及降雨条件下的坡面径流的水流过程进行初步的相似性验证，验证结果表明：当坡面径流水深扩大2.5倍，原型水深分别为0.3cm、0.5cm、0.7cm和0.8cm时，坡面径流的原型和模型的水流连续性误差范围为0.01%～0.2%，惯性力阻力比误差范围为0.03%～4.8%，惯性力重力比的误差范围为0.1%～3.8%，误差均在允许值内（5%），即径流过程满足相似。 3.水沙动力特性验证。对清水、含沙和降雨条件下的坡面径流的比尺转换关系进行相似性验证，验证结果表明：当径流水深放大2.5倍，水深在0.3cm～2.00cm范围内时，坡面径流侵蚀原型和模型的水面线、流速断面分布和侵蚀地形的误差范围分别为0～0.1%、0.02%～5.1%和0～4.5%，坡面径流侵蚀的水面线、流速断面分布和侵蚀地形都在允许误差值之内（5%），即满足非常规比尺转换关系；含沙量范围在10kg/m3～320kg/m3时，坡面径流侵蚀的原型和模型水面线、流速断面分布和侵蚀地形的误差范围分别为0～0.1%、0.1～5.4%和0.9%～4.9%，误差基本都在允许值内。则在所设计的水深和含沙量范围内，坡面径流的水面线、流速分布和侵蚀地形都满足相似比尺转换关系，“非常规比尺模型”可以为坡面薄层径流的水动力学参数提取提供一种新方法。 4.薄层流速分布的初步研究。通过“非常规比尺模型”放大后的径流的流型流态和原型的流型流态均一致，分别为紊流和急流，原型和模型的流速垂向分布均服从对数分布，且可用同一方程表达。初步研究表明 “非常规比尺模型”可以应用到坡面径流侵蚀的研究中。 5.“非常规比尺模型”可以为坡面径流的水动力学参数提取、水流结构、能量耗散及泥沙运动等的深入研究提供一种新方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3存在的问题

第二章 研究内容及试验方法

2.1 研究内容及目标

2.2 技术路线

2.3试验设计方法

第三章 坡面径流侵蚀非常规比尺模型设计

3.1坡面径流侵蚀非常规比尺转换关系推导

3.2 坡面径流侵蚀非常规比尺模型设计

3.3 坡面径流侵蚀非常规比尺模型选沙过程

3.4 小结

第四章 坡面径流侵蚀非常规比尺模型验证

4.1 清水条件下坡面径流非常规比尺模型验证

4.2 含沙条件下坡面径流侵蚀非常规比尺模型验证

4.3 降雨条件下径流侵蚀非常规比尺模型验证

4.4 小结

第五章 坡面径流侵蚀非常规比尺模型应用研究

5.1 坡面径流侵蚀非常规比尺模型流型流态的应用研究

5.2 坡面径流侵蚀非常规比尺模型流速垂向分布应用研究

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

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