植物籬攔擋對(duì)溝道徑流水力特性及挾沙力影響的模擬研究.pdf

1、在我國(guó)南方濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)丘陵地區(qū)，坡地面積大且是重要的耕地資源。由于不合理的坡地利用，加上南方地區(qū)雨量大、降雨強(qiáng)度大的影響，坡地發(fā)生溝蝕十分常見。由于匯聚了較多的水流，沖刷動(dòng)能較大，對(duì)坡地侵蝕嚴(yán)重，造成坡地大量的水土流失。本文擬采用植物籬技術(shù)防治南方地區(qū)坡地溝蝕為目的，以南方地區(qū)坡地形成的溝道為研究對(duì)象，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬沖蝕水槽裝置，在較大徑流量沖刷條件下，對(duì)溝道徑流的水力特性和徑流挾沙力進(jìn)行試驗(yàn)研究。分析了植物籬在徑流中的受力和形

2、變、植物籬攔擋下的徑流鈍體繞流和對(duì)徑流動(dòng)能的影響，試驗(yàn)研究了不同植物籬攔擋模式對(duì)徑流水力特性及挾沙力的影響，取得的主要結(jié)論如下:
　　1.在調(diào)查南方地區(qū)發(fā)生溝蝕的坡地地形、溝道徑流特點(diǎn)的前提下，自主設(shè)計(jì)并制造了一種適合溝道侵蝕室內(nèi)模擬試驗(yàn)的沖蝕水槽裝置。該裝置可進(jìn)行無(wú)土、填土沖蝕試驗(yàn)和植物籬攔擋試驗(yàn)等。滿足試驗(yàn)坡度為1°、5°、15°、25°、徑流量為0～0.13m3/min、泥沙濃度為0～100g/L的徑流沖刷試驗(yàn)要求，并可滿足

3、槽底糙度為0.01、0.02的試驗(yàn)要求。整體裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少，試驗(yàn)操作方便等特點(diǎn)。
　　2.無(wú)植物籬攔擋時(shí)，通過(guò)改變沖蝕槽底糙度，在設(shè)定4種試驗(yàn)坡度分別對(duì)應(yīng)4種流量試驗(yàn)條件下，對(duì)溝道徑流的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究得出了淺溝徑流的挾沙力與坡度和流量的定量關(guān)系（糙度0.01），并對(duì)徑流挾沙時(shí)不同粒徑泥沙的沉積特性進(jìn)行了分析。
　　(1)溝道徑流屬于薄層水流范疇，槽底糙度對(duì)徑流流速影響明顯，槽底糙度越大，流速越小;

4、流速隨著流量、坡度的增加而增大且呈現(xiàn)冪函數(shù)增加關(guān)系(R2=0.98，p＜0.05)，徑流水深隨著流量的增加而增大，隨著坡度的增加而減小，它們之間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.98，p＜0.05)。
　　(2)試驗(yàn)得出溝道徑流的雷諾數(shù)（Re）在842～5467之間，溝道水流流態(tài)屬于紊流，水流雷諾數(shù)的大小與徑流量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，流量越大，雷諾數(shù)越大。坡度和槽底糙度對(duì)水流的雷諾數(shù)影響不明顯;溝道徑流的佛汝德數(shù)(Fr)在1.05～1

5、8.89之間，屬于急流范疇，流量對(duì)佛汝德數(shù)的影響不明顯，坡度和槽底糙度對(duì)佛汝德數(shù)的影響明顯，它們的值越大，佛汝德數(shù)越小。
　　(3)溝道徑流的挾沙力與流量和坡度有關(guān)，徑流挾沙力隨流量的增加而增大、隨著坡度的增加挾沙力急劇增加，通過(guò)回歸分析得出的挾沙力模型為:T=292.95X0.98Y0.22(R2=0.93P＜0.05)。流量對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響不明顯，坡度對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響顯著。坡度為1°時(shí)，徑流對(duì)2～4mm泥沙的輸移力

6、較大，對(duì)0.02～2mm、小于0.02mm粒徑泥沙輸移力較小;大坡度(15°、25°)時(shí)，小于0.02mm粒徑泥沙沉積量較多，2～4mm、0.02～2mm粒徑泥沙顆粒沉積較少。
　　3.通過(guò)力學(xué)分析和物理方法推演，對(duì)徑流中的泥沙受力、侵蝕產(chǎn)沙、植物籬受力形變和徑流鈍體繞流進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在徑流作用和植物籬阻擋下，泥沙受到徑流拖曳力、上舉力、黏結(jié)力、滲透壓力、重力、浮力和植物籬攔擋引起的阻力作用，徑流發(fā)生產(chǎn)沙的剪切力至少大于水

7、壓引起的摩擦力、土壤黏結(jié)力引起的摩擦力和植物籬攔擋引起的阻力之和;植物籬形變的主要?jiǎng)恿κ菑搅魉^壓力，植物籬最大繞度方程為:Wb=Fa2/6EI（3L-a）、植物籬轉(zhuǎn)角方程為:Wb=2ρH3V2/3πd3E（6L-H），并分析了植物籬布置時(shí)需要考慮植物籬變形因素的原因;在植物籬攔擋下，鈍體繞流的寬度與流量呈正相關(guān)，與流速呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，植物籬對(duì)徑流的阻擋影響徑流的流線，徑流沿流線的交叉碰撞和疊加導(dǎo)致其動(dòng)能的消耗，降低了徑流的侵蝕力。

8、
　　4.確定紫穗槐和蓑草在5cm×5cm、10cm×10cm攔擋模式（糙度0.01）、4種坡度分別對(duì)應(yīng)4種流量的條件下，對(duì)攔擋下的徑流的水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并研究了不同攔擋模式下徑流的挾沙力、攔擋效果及不同粒徑泥沙的沉積特性。
　　(1)在植物籬攔擋下，徑流流速與單寬流量、坡度呈冪函數(shù)增加關(guān)系(R2=0.98P＜0.05);蓑草5cm×5cm攔擋模式在小坡度(1°、5°)時(shí)可以大大降低徑流的流速，但在大坡度時(shí)對(duì)流速的影響

9、較小，其它3種攔擋模式在坡度為1°時(shí)對(duì)流速影響有限，坡度為5°、15°、25°時(shí)對(duì)流速影響不明顯。徑流深度與單寬流量、坡度呈冪函數(shù)關(guān)系（R2=0.98P＜0.05）;植物籬攔擋時(shí)徑流深度隨徑流量的增加而增大，在坡度為1°時(shí)增長(zhǎng)較快，但在5°、15°、25°時(shí)增長(zhǎng)緩慢。小坡度時(shí)徑流深度較深，大坡度時(shí)徑流深度較淺，大坡度時(shí)徑流深度之間的極差較小。
　　(2)植物籬攔擋下水流流態(tài)仍屬于紊流流態(tài)。植物籬的攔擋、坡度對(duì)溝道徑流的雷諾數(shù)影響不

10、明顯，流量是影響水雷諾數(shù)的主控因素。坡度對(duì)佛汝德數(shù)的影響十分明顯，其中蓑草在5cm×5cm模式攔擋下坡度為1°時(shí)，徑流屬于緩流，其它情況均為急流。
　　(3)在植物籬攔擋下，小坡度時(shí)徑流的挾沙力隨流量的增加而增大，徑流量是影響徑流挾沙力的主要因素;在大坡度時(shí)，徑流的挾沙力很大，坡度是影響徑流挾沙力的主要因素;4種模式的攔沙能力分別為蓑草5cm×5cm＞紫穗槐5cm×5cm＞蓑草＞10cm×10cm＞紫穗槐10cm×10cm;流量對(duì)