黃土高原坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙動力過程與調(diào)控研究.pdf

1、本文針對目前坡溝系統(tǒng)研究中的薄弱環(huán)節(jié)和亟待解決的問題,分別利用室內(nèi)概化坡溝系統(tǒng)模型和野外天然變坡地形,采用放水沖刷試驗來研究和完善坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙理論。根據(jù)黃土高原的坡溝地貌特征,建立室內(nèi)坡溝系統(tǒng)概化模型,結(jié)合REE示蹤技術(shù),采用室內(nèi)放水沖刷試驗,研究了坡溝系統(tǒng)的徑流水動力學(xué)特性、坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程、坡溝系統(tǒng)的徑流侵蝕動力、坡溝系統(tǒng)侵蝕泥沙來源等問題。利用野外坡溝系統(tǒng)的放水沖刷試驗,研究了草被覆蓋對坡溝系統(tǒng)的水動力學(xué)特性的調(diào)控作用

2、、坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程隨坡底和溝底兩種不同位置時侵蝕產(chǎn)沙的差異、坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程隨著坡底和溝底草被覆蓋度的變化、坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程隨著坡溝系統(tǒng)不同坡長組合的變化等問題。用野外收集到的坡面改修梯田工程資料,研究了坡改梯工程措施的實施對坡溝系統(tǒng)的入滲過程、產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的調(diào)控作用；根據(jù)收集到的溝道淤地壩工程資料,分析了淤地壩工程措施的實施對來自壩空流域坡溝系統(tǒng)徑流泥沙和侵蝕產(chǎn)沙粒徑的調(diào)控；應(yīng)用有限元分析軟件,研究了淤地壩工程措施對

3、坡溝系統(tǒng)重力侵蝕的調(diào)控作用。通過三年來相關(guān)的試驗與研究工作,取得以下結(jié)論： (1)在本論文試驗的坡溝系統(tǒng)中,徑流雷諾數(shù)Re、徑流弗羅德數(shù)Fr和流速V隨流量和坡位的不同變化較大。在實驗流量范圍內(nèi),坡溝系統(tǒng)的Re變化位于342.3～858.8之間,Re都小于900,說明整個試驗過程中,坡溝系統(tǒng)的徑流處于層流狀態(tài)。Fr變化位于1.36～8.92之間；均都大于1,說明在整個試驗過程中,坡溝系統(tǒng)徑流處于急流狀態(tài)。 (2)REE示蹤

4、研究結(jié)果表明,坡溝系統(tǒng)的侵蝕量主要來自坡面,坡面頂端2m的侵蝕量占坡溝系統(tǒng)總侵蝕量的50％～75％；坡面各示蹤侵蝕帶侵蝕量大小順序依次為:La元素示蹤帶(坡頂斷面)>Ce元素示蹤帶(與坡頂斷面相鄰的坡中斷面)>Tb元素示蹤帶(坡底斷面)>Sm元素示蹤帶(與坡底斷面相鄰的坡中斷面),但Q=12L/min時例外；溝坡各侵蝕帶侵蝕量大小次序依次為:Eu元素示蹤帶(溝頂斷面)>Yb元素示蹤帶(溝坡中間斷面)>Dy元素示蹤帶(溝底斷面),但小流量

5、Q=6L/min和Q=8L/min時例外；流量相同時,隨著沖刷歷時的延長,坡溝系統(tǒng)侵蝕率呈波動變化趨勢,陸續(xù)達到最大,然后又逐漸減??；且隨沖刷流量的增大,侵蝕率達到最大值的時間越來越短。 (3)坡溝系統(tǒng)中的侵蝕率與徑流能耗或單寬水流功率之間呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)關(guān)系,函數(shù)的通式為:y=ax-b,其中,y為侵蝕率,x為能耗或者單寬水流功率,a、b為大于零的常數(shù)。并且能耗與侵蝕率之間的相關(guān)性大于單寬水流功率與侵蝕率之間的相關(guān)性。坡溝系統(tǒng)中

6、的侵蝕率與徑流剪切力之間呈現(xiàn)出線性相關(guān)性,但是相關(guān)關(guān)系不如能耗和功率關(guān)系顯著,本研究中的坡溝系統(tǒng)在用徑流剪切力、徑流能耗、水流功率三個參數(shù)進行描述時,徑流能耗效果最好,水流功率次之,徑流剪切力相對最差。 (4)相同沖刷流量下,不論草被布設(shè)在坡溝系統(tǒng)的坡底還是溝底,隨著草被覆蓋度從30％增大至50％,坡溝系統(tǒng)的Re、Fr和V均呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢,但隨著草被覆蓋度繼續(xù)增大至70％時,Re、Fr、V又呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。相同流量相

7、同草被覆蓋度下,坡溝系統(tǒng)的Re、Fr和V隨著沖刷歷時的增大呈現(xiàn)出波動的變化趨勢,增減趨勢不是很明顯；相同草被覆蓋度下Re、Fr、V隨著沖刷流量的增大而增大；草在溝時的Re、Fr、V略大于草在坡底時相應(yīng)的Re、Fr、V。 (5)不論草被布設(shè)在坡底還是溝底,當草被覆蓋度相同時,隨著放水流量的增大,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流總量呈現(xiàn)出增大的趨勢。同一流量下,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流量隨著草被覆蓋度的變化不同,當草被在坡底時,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流量的變化為：當Q=

8、14L/min時,0％>50％>30％>原狀>70％；當Q=18L/min和Q=22L/min時,50％>0％>原狀>30％>70％。當草被在溝底時,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流量的變化為：當Q=14L/min時,0％>50％>30％>原狀>70％；當Q=8L/min和Q=22L/min時,原狀>70％>50％>30％>0％。 (6)坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙總量隨著草被覆蓋位置的變化相差較大。當草被布設(shè)在坡底時,草被覆蓋度為原狀時,隨著流量的增大,坡溝

9、系統(tǒng)的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；草被覆蓋度為50％時,隨著流量的增大,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；草被覆蓋度為70％、30％和剪草裸坡時,隨著放水流量的增大,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙總量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當草被布設(shè)在溝底時,草被覆蓋度為原狀、70％和剪草裸坡時,隨著放水流量的增大,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙總量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；草被覆蓋度為50％和30％時,隨著流量的增大,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。 (7)

10、在本實驗設(shè)計的坡長和流量范圍內(nèi),長坡長的產(chǎn)沙量大于短坡長的產(chǎn)沙量,相同草被覆蓋度和相同流量下,長坡長的坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程較短坡長的侵蝕產(chǎn)沙過程劇烈,各坡長情況下產(chǎn)沙量隨著流量和蓋度的變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。 (8)相同沖刷流量下,坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙過程隨著坡面草被覆蓋度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。即當草被覆蓋度由30％增大至50％時,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙速率增大,但隨著草被覆蓋度繼續(xù)增大至70％時,坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙速率又出現(xiàn)減小

11、的趨勢。坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)沙速率隨著溝坡的草被覆蓋度的變化呈現(xiàn)出類似坡面草被覆蓋度的變化,但這種變化不如坡面顯著。相同覆蓋度的草被布設(shè)在坡溝系統(tǒng)的溝底時的侵蝕產(chǎn)沙過程較草被布設(shè)在坡底時的侵蝕產(chǎn)沙過程劇烈,這說明在本實驗設(shè)計的坡溝系統(tǒng)實驗中,草被布設(shè)在坡底時的減沙作用較顯著,而溝底的減沙作用不如坡底顯著。 (9)坡改梯工程措施能夠增大坡溝系統(tǒng)的入滲量,伴隨著入滲量的增多,土壤中的養(yǎng)分的流失量減小,利于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在一定的暴雨洪水范圍內(nèi)

12、,坡改梯措施改變了坡耕地原有的坡度,使坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大幅度減小,對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量進行了有效控制,從而有效控制了相應(yīng)坡溝系統(tǒng)的坡面(上方)來水來沙量。 (10)溝道淤地壩工程措施的實施,能夠就地攔蓄淤地壩所在坡溝系統(tǒng)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量,使得出口的水沙量減小,長流水溝道的基流量增大,出口泥沙中值粒徑減小,說明淤地壩不但能有效攔蓄洪水泥沙,而且可以減小粗泥沙對下游河道的危害。隨著淤積厚度的增大,淤地壩系所在溝道兩側(cè)的坡溝系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越