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坡面降雨径流泥沙起动规律初步研究

作　者: 韩浩
导　师: 高建恩
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 降雨径流坡面起动流速均匀沙
分类号: S157
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

坡面降雨径流泥沙起动规律研究对控制坡面水土流失、开展流域综合治理具有重要意义。针对坡面降雨径流泥沙起动研究不充分问题,本研究采用试验研究和理论分析相结合的方法,开展了坡面降雨径流泥沙起动规律初步研究,通过资料分析及试验验证,得到如下主要结论:(1)利用8m长倾角可调式水槽形成试验坡面,采用水蚀风蚀交错区粒径组距为0.125mm-0.25mm的均匀沙,坡度分别为2°、5°、8°、10°、12°,雨强为15、30、60、90、120mm/h的典型试验条件进行室内人工模拟降雨与放水对比的典型坡面降雨径流泥沙起动试验。试验结果表明,在径流形成初期,降雨强度、水深和坡度等对泥沙起动有较大影响,但各因素在坡面降雨径流泥沙起动影响因素中,不具支配地位,与河川径流泥沙起动相比,流速、水深和泥沙粒径依然是影响的主要因素。(2)坡面上泥沙受降雨和径流的共同作用,作用在泥沙颗粒上的力包括拖曳力、上升力、沙粒的水下重力、粘结力和雨滴侵蚀力;本研究根据泥沙颗粒滑动模式建立了坡面降雨径流泥沙起动条件,并由此得到了坡面降雨径流泥沙起动垂线平均流速公式。该公式表明,坡面降雨径流泥沙起动的影响因素主要为流速、雨强、泥沙粒径和坡度。(3)采用上述不同坡度、不同雨强起动试验资料对公式进行验证,结果表明:公式计算值与试验值比较,正负误差次数相当,最大正误差为35.1%,最大负误差为28.6%;放水径流泥沙起动计算值与试验值的比较,正误差次数居多,最大正误差为43.2%,最大负误差为11.8%,表明该公式更适于进行坡面降雨径流泥沙起动流速计算,也说明坡面降雨径流泥沙起动研究中考虑雨滴侵蚀力作用是合理的。选取不同底坡非粘性均匀沙水槽试验资料对本研究公式进行进一步验证:不同槽面底坡条件下非粘性均匀沙起动流速试验资料计算比较时,负误差次数居多,最大正误差为14.5%,最大负误差为45.6%。更进一步与各家公认实测资料和各家公式理论值进行比较,本研究公式在粗颗粒时与张瑞谨公式相符,在细颗粒时与唐存本公式相符,和沙玉清公式相比偏小。初步验证结果表明,本研究公式不仅适于坡面降雨径流泥沙起动流速计算,还适于河川径流泥沙起动流速计算,不但适于大底坡泥沙起动流速计算,而且适于小底坡泥沙起动流速计算。上述结果表明该公式可用于水土保持工程坡面径流和河川径流泥沙起动计算。(4)坡面降雨径流流型与河川径流相比具有明显的特点。受降雨侵蚀综合影响,坡面降雨径流坡上流速随产流后历时的变化趋势小于坡下,且流速大小基本遵从坡上<坡中<坡下;降雨条件下的含沙量随产流后历时的变化比放水条件下剧烈,且同条件下降雨试验时的含沙量一般均大于放水试验,降雨的存在对产沙量有重要贡献。Re随坡度的变化较小,随雨强增大而增大,本研究试验条件下的Re均小于500,按传统水力学流区划分属于层流,但试验中水面明显有细沙翻滚,说明坡面降雨径流的流动型态不能按传统水力学方法划分,同时说明坡面降雨径流流型及对起动影响问题值得进一步研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究背景与目的意义  11
  1.2 国内外研究进展  11-15
    1.2.1 河道泥沙起动研究进展  11-14
    1.2.2 坡面泥沙起动研究进展  14-15
  1.3 存在的问题  15-16
  1.4 研究内容  16
  1.5 研究方法与技术路线  16-18
    1.5.1 研究方法  16-17
    1.5.2 技术路线  17-18
第二章坡面降雨径流对泥沙起动影响的初步探讨  18-26
  2.1 坡面降雨径流泥沙起动试验设计  18-20
    2.1.1 坡面降雨径流泥沙起动主要参数的选取  18
    2.1.2 坡面降雨径流泥沙起动典型试验条件的选取  18-20
  2.2 试验装置  20-21
  2.3 坡面降雨径流泥沙起动试验方法  21-23
  2.4 坡面降雨径流对泥沙起动影响的初步分析  23-26
第三章坡面降雨径流泥沙起动机理分析与公式的建立  26-34
  3.1 坡面降雨径流泥沙起动机理分析  26-28
    3.1.1 土壤侵蚀及其过程  26-27
    3.1.2 坡面降雨径流泥沙起动过程分析  27-28
  3.2 坡面降雨径流泥沙起动公式的建立  28-33
    3.2.1 泥沙颗粒受力  28-29
    3.2.2 降雨条件下坡面击溅泥沙起动条件  29-30
    3.2.3 坡面降雨径流泥沙起动条件  30-33
  3.3 小结  33-34
第四章坡面降雨径流泥沙起动公式参数的确定与验证  34-39
  4.1 坡面降雨径流泥沙起动流速公式参数的确定  34-35
  4.2 坡面降雨径流泥沙起动流速公式的验证  35-37
  4.3 小结  37-39
第五章坡面降雨径流水动力特征初步研究  39-53
  5.1 坡面降雨径流水动力学理论基础  39-42
  5.2 坡面降雨径流水动力特征  42-52
    5.2.1 坡面降雨径流流速特征  42-47
    5.2.2 坡面降雨径流流动型态  47-52
  5.3 小结  52-53
第六章结论  53-55
  6.1 结论  53-54
  6.2 创新点  54
  6.3 有待于进一步研究的问题  54-55
参考文献  55-59
致谢  59-60
作者简介  60

坡面降雨径流泥沙起动规律初步研究

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