【摘要】：黃土高原位于我國西北地區(qū),地處黃河中游,土質(zhì)疏松,植被稀少,生態(tài)脆弱,這也就導致該地區(qū)土壤侵蝕嚴重,風沙危害頻發(fā)。黃土高原的水土流失是黃河泥沙的主要來源,土壤侵蝕的研究成為重要問題之一。土壤水蝕是土壤侵蝕最主要的方式,含沙水流水動力學特性和泥沙輸移機理是研究坡面流土壤侵蝕的兩個重要內(nèi)容,因此系統(tǒng)研究水動力學特性及坡面水流輸沙能力計算方法對深入探討土壤水蝕機理具有重要價值。本文通過室內(nèi)水槽加沙試驗,在坡度和流量完全組合條件下,研究了坡面徑流水動力學特性、泥沙輸移機理并推導出坡面水流輸沙能力計算模型。主要得出結(jié)論如下:(1)在坡面流中,雷諾數(shù)變化范圍是296.6~1249.4,即含沙水流處于層流區(qū)和過渡流區(qū),說明含沙水流在一定程度上可以“治紊”,將紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿骰蜻^渡流區(qū)。弗勞德數(shù)變化范圍在2.032~2.874之間,含沙量對弗勞德數(shù)影響較大,即含沙水流處于急流狀態(tài)。阻力系數(shù)與含沙量的關(guān)系相對復雜,初期隨含沙量的增大,阻力系數(shù)相應減小;后期含沙量增大會導致阻力系數(shù)逐漸增大。含沙水流的平均流速與流量和含沙量均存在一定關(guān)系,且流量對平均流速的影響相比于含沙量的影響更為顯著。(2)試驗土樣為沙黃土和黃綿土時,輸沙能力隨坡度、單寬流量的增長呈現(xiàn)冪函數(shù)遞增趨勢,單寬流量較坡度而言對輸沙能力的影響更為顯著。含沙水流平均流速主要受到坡度和單寬流量的影響,且與坡度、單寬流量呈冪函數(shù)關(guān)系,平均流速與輸沙能力間的關(guān)系會受到中值粒徑影響。剪切力通過冪函數(shù)關(guān)系式對坡面水流輸沙能力的預測受到土壤類型影響。在功率類指標中,水流功率、有效水流功率受到中值粒徑影響不明顯,而單位水流功率與輸沙能力的關(guān)系受到中值粒徑的影響,冪函數(shù)指數(shù)存在差異。在考慮臨界水流功率W_0后,兩種粒徑下水流功率與輸沙能力關(guān)系相一致,但有效水流功率仍是今后研究的范圍。(3)根據(jù)粘性土試驗并結(jié)合多種無粘性沙的研究結(jié)果可以看出,各水流強度指標與輸沙能力關(guān)系中,有效水流功率相關(guān)性最強。選取無量綱有效水流功率的水流強度指標和體積含沙量作為輸沙能力影響因子,采用冪函數(shù)結(jié)構(gòu)形式,進行率定得出坡面水流輸沙能力計算公式,該公式對于不同粒徑土壤輸沙能力的預測較為精準。
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TV142;S157.1
【圖文】：

西北農(nóng)林科技大學碩士學位論文2.3.3 試驗設(shè)計2.3.3.1 試驗地點與試驗土壤本試驗在中國科學院水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室內(nèi)進行，試驗土壤取選自安塞侵蝕與環(huán)境試驗站（110°30′E，38°49′48″N）的神木沙黃土和安塞水土保持綜合試驗站（109°19′23″E，36°51′30″N）的安塞黃綿土，中值粒徑分別為 0.095 mm 和 0.04 mm，土壤顆粒組成如表 2-1 所示。表 2-1 不同試驗土壤顆粒機械組成百分比Tab.2-1 Particle size distribution of different testing soil粒級Particlegrade/mm粗砂粒>0.25Coarsesand細砂粒0.25~0.05Fine sand粗 粉 粒0.05~0.01Coarsegrain中粉粒0.01~0.005Mediumpowder細粉粒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 試驗模型及設(shè)備

（a）測針測水深 （b）高錳酸鉀測流速圖 2-3 試驗照片圖Fig.2-3 The picture of test2.3.3.5 試驗中沖淤平衡的判斷依據(jù)按照沙玉清教授研究表明，相同水流強度條件下，水流輸沙能力呈帶狀分布規(guī)律，即多值對應規(guī)律，其帶狀區(qū)域的下邊界為不沖輸沙能力，上邊界為不淤輸沙能力。本試驗中通過 Zhang 公式預先推求其輸沙量大致范圍如公式（2-2）所示，在該范圍前后設(shè)計共 5 組不同的加沙率，隨后計算各組中水槽出口挾沙量，認為漏斗加沙量比出口挾沙量略大的臨界狀態(tài)為達到超飽和含沙狀態(tài)，即不淤輸沙能力。若5組均不能達到該要求，則需要再次縮小范圍，直至得到該臨界值。所測得臨界狀態(tài)為不淤輸沙能力值作為本次確定的輸沙能力。1.269 1.637 0.3452382.3250T q S dc (2-2)2

（c）12°圖 3-1 不同含沙量下雷諾數(shù)與流量間的關(guān)系3-1 Relationship of Re and Q and the fitting degree its fo度和含沙量固定不變時，含沙水流的雷諾數(shù)與數(shù)的變化趨勢同時受到含沙量的影響，當含沙小，這是由于雷諾數(shù)與運動粘滯系數(shù) νm成反增大。含沙量的增大使得水流的粘滯性增強，大的關(guān)系曲線斜率較小，含沙量小的關(guān)系曲線 中表現(xiàn)的尤為明顯。量的關(guān)系改變水流的慣性力和黏滯力來影響雷諾數(shù)的大高，水流慣性力越大。Rescoe、Einstein、錢寧沙量的實驗研究含沙水流黏滯系數(shù)，研究結(jié)果的增加呈線性或指數(shù)形式增加，這也就解釋了

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本文編號：2797604