植物篱拦挡对沟道径流水力特性及挟沙力影响的模拟研究

发布时间：2019-02-19 08:36

【摘要】：在我国南方湿润、半湿润丘陵地区,坡地面积大且是重要的耕地资源。由于不合理的坡地利用,加上南方地区雨量大、降雨强度大的影响,坡地发生沟蚀十分常见。由于汇聚了较多的水流,冲刷动能较大,对坡地侵蚀严重,造成坡地大量的水土流失。本文拟采用植物篱技术防治南方地区坡地沟蚀为目的,以南方地区坡地形成的沟道为研究对象,通过自主设计的室内模拟冲蚀水槽装置,在较大径流量冲刷条件下,对沟道径流的水力特性和径流挟沙力进行试验研究。分析了植物篱在径流中的受力和形变、植物篱拦挡下的径流钝体绕流和对径流动能的影响,试验研究了不同植物篱拦挡模式对径流水力特性及挟沙力的影响,取得的主要结论如下： 1.在调查南方地区发生沟蚀的坡地地形、沟道径流特点的前提下,自主设计并制造了一种适合沟道侵蚀室内模拟试验的冲蚀水槽装置。该装置可进行无土、填土冲蚀试验和植物篱拦挡试验等。满足试验坡度为1°、5°、15°、25°、径流量为0-0.13m3/min、泥沙浓度为0～100g/L的径流冲刷试验要求,并可满足槽底糙度为0.01、0.02的试验要求。整体装置具有结构紧凑、占用空间少,试验操作方便等特点。 2.无植物篱拦挡时,通过改变冲蚀槽底糙度,在设定4种试验坡度分别对应4种流量试验条件下,对沟道径流的水力特性进行了试验研究。研究得出了浅沟径流的挟沙力与坡度和流量的定量关系(糙度0.01),并对径流挟沙时不同粒径泥沙的沉积特性进行了分析。 (1)沟道径流属于薄层水流范畴,槽底糙度对径流流速影响明显,槽底糙度越大,流速越小；流速随着流量、坡度的增加而增大且呈现幂函数增加关系(R2=0.98,p0.05),径流水深随着流量的增加而增大,随着坡度的增加而减小,它们之间的关系符合幂函数关系(R2=0.98,p0.05)。 (2)试验得出沟道径流的雷诺数(Re)在842～5467之间,沟道水流流态属于紊流,水流雷诺数的大小与径流量呈现较好的正相关性,流量越大,雷诺数越大。坡度和槽底糙度对水流的雷诺数影响不明显；沟道径流的佛汝德数(Fr)在1.05～18.89之间,属于急流范畴,流量对佛汝德数的影响不明显,坡度和槽底糙度对佛汝德数的影响明显,它们的值越大,佛汝德数越小。 (3)沟道径流的挟沙力与流量和坡度有关,径流挟沙力随流量的增加而增大、随着坡度的增加挟沙力急剧增加,通过回归分析得出的挟沙力模型为：T=292.95X0.98Y0.22(R2=0.93P0.05)。流量对同一粒径泥沙沉积影响不明显,坡度对同一粒径泥沙沉积影响显著。坡度为1°时,径流对2-4mm泥沙的输移力较大,对0.02-2mm、小于0.02mmm粒径泥沙输移力较小；大坡度(15°、25。)时,小于0.02mmm粒径泥沙沉积量较多,2-4mm、0.02-2mm粒径泥沙颗粒沉积较少。 3.通过力学分析和物理方法推演,对径流中的泥沙受力、侵蚀产沙、植物篱受力形变和径流钝体绕流进行了研究,结果表明：在径流作用和植物篱阻挡下,泥沙受到径流拖曳力、上举力、黏结力、渗透压力、重力、浮力和植物篱拦挡引起的阻力作用,径流发生产沙的剪切力至少大于水压引起的摩擦力、土壤黏结力引起的摩擦力和植物篱拦挡引起的阻力之和；植物篱形变的主要动力是径流水头压力,植物篱最大绕度方程为：植物篱转角方程为：并分析了植物篱布置时需要考虑植物篱变形因素的原因；在植物篱拦挡下,钝体绕流的宽度与流量呈正相关,与流速呈负相关的线性关系,植物篱对径流的阻挡影响径流的流线,径流沿流线的交叉碰撞和叠加导致其动能的消耗,降低了径流的侵蚀力。 4.确定紫穗槐和蓑草在5cmX5cm、1OcmX10cm拦挡模式(糙度0.01)、4种坡度分别对应4种流量的条件下,对拦挡下的径流的水力特性进行试验研究,并研究了不同拦挡模式下径流的挟沙力、拦挡效果及不同粒径泥沙的沉积特性。 (1)在植物篱拦挡下,径流流速与单宽流量、坡度呈幂函数增加关系(R2=0.98P0.05)；蓑草5cmX5cm拦挡模式在小坡度(1°、5°)时可以大大降低径流的流速,但在大坡度时对流速的影响较小,其它3种拦挡模式在坡度为1°时对流速影响有限,坡度为5°、15。、25°时对流速影响不明显。径流深度与单宽流量、坡度呈幂函数关系(R2=0.98P0.05)；植物篱拦挡时径流深度随径流量的增加而增大,在坡度为1°时增长较快,但在5°、15°、25。时增长缓慢。小坡度时径流深度较深,大坡度时径流深度较浅,大坡度时径流深度之间的极差较小。 (2)植物篱拦挡下水流流态仍属于紊流流态。植物篱的拦挡、坡度对沟道径流的雷诺数影响不明显,流量是影响水雷诺数的主控因素。坡度对佛汝德数的影响十分明显,其中蓑草在5cm X5cm模式拦挡下坡度为1°时,径流属于缓流,其它情况均为急流。 (3)在植物篱拦挡下,小坡度时径流的挟沙力随流量的增加而增大,径流量是影响径流挟沙力的主要因素；在大坡度时,径流的挟沙力很大,坡度是影响径流挟沙力的主要因素；4种模式的拦沙能力分别为蓑草5cmx5cm紫穗槐5cmx5cm蓑草10cmxl0cm紫穗槐10cmx10cm;流量对同一粒径泥沙沉积影响不明显,坡度对同一粒径泥沙沉积影响显著。在蓑草拦挡下,坡度为1°时,较大粒径的泥沙颗粒发生输移,较小颗粒泥沙易于沉积；坡度为50时,2～4mm泥沙沉积相对量较少,0.02～2mm粒径泥沙易于输移。对于0.02mm以下粒径泥沙,在坡度为1°、5°时,植物篱对该粒径泥沙拦挡效果较差。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV131;TV14

【参考文献】