黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力计算模型研究

发布时间：2020-08-19 21:25

【摘要】：黄土高原位于我国西北地区,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W_0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。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV142;S157.1
【图文】：

西北农林科技大学硕士学位论文2.3.3 试验设计2.3.3.1 试验地点与试验土壤本试验在中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点试验室内进行，试验土壤取选自安塞侵蚀与环境试验站（110°30′E，38°49′48″N）的神木沙黄土和安塞水土保持综合试验站（109°19′23″E，36°51′30″N）的安塞黄绵土，中值粒径分别为 0.095 mm 和 0.04 mm，土壤颗粒组成如表 2-1 所示。表 2-1 不同试验土壤颗粒机械组成百分比Tab.2-1 Particle size distribution of different testing soil粒级Particlegrade/mm粗砂粒>0.25Coarsesand细砂粒0.25~0.05Fine sand粗 粉 粒0.05~0.01Coarsegrain中粉粒0.01~0.005Mediumpowder细粉粒0.005~0.001Fine powder黏粒<0.001Clayd50=0.095mm 0.30% 64.9% 22.0% 2.8% 3.2% 5.8%d50=0.04mm 0% 36.58% 48% 3.84% 4.73% 6.85%2.3.3.2 试验模型及设备

（a）测针测水深 （b）高锰酸钾测流速图 2-3 试验照片图Fig.2-3 The picture of test2.3.3.5 试验中冲淤平衡的判断依据按照沙玉清教授研究表明，相同水流强度条件下，水流输沙能力呈带状分布规律，即多值对应规律，其带状区域的下边界为不冲输沙能力，上边界为不淤输沙能力。本试验中通过 Zhang 公式预先推求其输沙量大致范围如公式（2-2）所示，在该范围前后设计共 5 组不同的加沙率，随后计算各组中水槽出口挟沙量，认为漏斗加沙量比出口挟沙量略大的临界状态为达到超饱和含沙状态，即不淤输沙能力。若5组均不能达到该要求，则需要再次缩小范围，直至得到该临界值。所测得临界状态为不淤输沙能力值作为本次确定的输沙能力。1.269 1.637 0.3452382.3250T q S dc (2-2)2

（c）12°图 3-1 不同含沙量下雷诺数与流量间的关系3-1 Relationship of Re and Q and the fitting degree its fo度和含沙量固定不变时，含沙水流的雷诺数与数的变化趋势同时受到含沙量的影响，当含沙小，这是由于雷诺数与运动粘滞系数 νm成反增大。含沙量的增大使得水流的粘滞性增强，大的关系曲线斜率较小，含沙量小的关系曲线 中表现的尤为明显。量的关系改变水流的惯性力和黏滞力来影响雷诺数的大高，水流惯性力越大。Rescoe、Einstein、钱宁沙量的实验研究含沙水流黏滞系数，研究结果的增加呈线性或指数形式增加，这也就解释了

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本文编号：2797604