坡面流水力學(xué)特性及其對草地攔沙的響應(yīng)機(jī)制.pdf

1、針對當(dāng)前坡面薄層水流研究的薄弱環(huán)節(jié)以及坡面土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)，研究了降雨對不同流量和坡度薄層水流水力學(xué)特性的影響，為明晰坡面水蝕過程奠定基礎(chǔ)；同時結(jié)合當(dāng)前黃土高原地區(qū)退耕還林還草工程的實施，開展了不同處理條件下的草地攔沙試驗，并分析了坡面水流水力學(xué)參數(shù)對草地攔沙的影響機(jī)制，提出了草地攔沙庫容的概念并給出了確定方法，從而為該區(qū)水土保持植被措施的合理配置提供理論依據(jù)。本研究取得如下主要結(jié)論： （1）揭示了降雨對不同流量和坡度條件下坡

2、面流水力學(xué)特性和滾波特征的影響。在相同坡度下，坡面表層流速和水深均隨流量的增加而增大，滾波波高隨流量先增大后減小，且波高與流速梯度呈顯著正相關(guān)。在相同流量下，坡面表層流速隨坡度的增大而增大，而水深與坡度呈反勢，斷面滾波數(shù)隨坡度的增大而增加，而波高和波長均隨坡度的增大先增大后減小，在5.2％坡度時達(dá)峰值?？傮w上，降雨可觸發(fā)更多的滾波產(chǎn)生，而對波高和波長影響較小。 （2）探討和驗證了坡面流的流速分布和增阻現(xiàn)象，并初步分析了增阻機(jī)理。

3、坡面流呈股狀或斑點(diǎn)狀分布，降雨使坡面流速分布均勻化，但對平均流速影響較小。試驗條件下，平均流速和實測表層流速的校正系數(shù)α在0.54~0.60之間變化，且降雨對α值的影響較小。在雷諾數(shù)Re＜2000條件下，坡面流具有明顯的增阻現(xiàn)象，且增阻系數(shù)f/fc（fc=96/Re）隨Re的增大而減小，增阻的可能原因：一是薄層水流產(chǎn)生的滾波造成部分機(jī)械能損失，一是坡面流速分布不均而相互摩擦作用耗損部分能量。 （3）初步揭示了草地坡面含沙水流水力

4、學(xué)特性。含沙量對坡面表層流速影響較小，且緩坡時計算平均流速與實測表層流速之比k（V/Vs）隨含沙量的增大而減小，而陡坡時二者關(guān)系不明顯。在相同坡度和流量條件下，水流雷諾數(shù)Re隨含沙量的增大而減小。緩坡時水流阻力f和曼寧糙率n均隨含沙量的增大而增大，而陡坡時含沙量對坡面水流f和n值的影響較小。（4）明確了降雨、坡度、蓋度、坡位和牧草不同部位等因素對草地攔沙的影響。降雨對草地攔沙具有負(fù)效應(yīng)，但當(dāng)上方來水來沙強(qiáng)度和草地蓋度較大時其作用不顯著。

5、攔沙率隨坡度的增大而減小，而隨蓋度的增加而增大。草地坡上部位泥沙沉積量大于坡下部位，且沉積率隨坡長呈冪函數(shù)增大。在試驗條件下枯落物和莖葉對草地攔沙影響較小。草地主要攔截大粒徑（＞10或25μm）泥沙，但對≤1或2μm泥沙的相對攔截率也較大，這可能與細(xì)泥沙顆粒之間絮凝作用形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有關(guān)。攔沙率隨坡面流速的增大而減小，同時流速分布對攔沙具有重要影響。 （5）初步闡明了草地攔沙過程機(jī)理，提出了攔沙庫容的概念，并建立了攔沙率模型。在