【摘要】：在我國(guó)南方濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)丘陵地區(qū),坡地面積大且是重要的耕地資源。由于不合理的坡地利用,加上南方地區(qū)雨量大、降雨強(qiáng)度大的影響,坡地發(fā)生溝蝕十分常見(jiàn)。由于匯聚了較多的水流,沖刷動(dòng)能較大,對(duì)坡地侵蝕嚴(yán)重,造成坡地大量的水土流失。本文擬采用植物籬技術(shù)防治南方地區(qū)坡地溝蝕為目的,以南方地區(qū)坡地形成的溝道為研究對(duì)象,通過(guò)自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬沖蝕水槽裝置,在較大徑流量沖刷條件下,對(duì)溝道徑流的水力特性和徑流挾沙力進(jìn)行試驗(yàn)研究。分析了植物籬在徑流中的受力和形變、植物籬攔擋下的徑流鈍體繞流和對(duì)徑流動(dòng)能的影響,試驗(yàn)研究了不同植物籬攔擋模式對(duì)徑流水力特性及挾沙力的影響,取得的主要結(jié)論如下： 1.在調(diào)查南方地區(qū)發(fā)生溝蝕的坡地地形、溝道徑流特點(diǎn)的前提下,自主設(shè)計(jì)并制造了一種適合溝道侵蝕室內(nèi)模擬試驗(yàn)的沖蝕水槽裝置。該裝置可進(jìn)行無(wú)土、填土沖蝕試驗(yàn)和植物籬攔擋試驗(yàn)等。滿足試驗(yàn)坡度為1°、5°、15°、25°、徑流量為0-0.13m3/min、泥沙濃度為0～100g/L的徑流沖刷試驗(yàn)要求,并可滿足槽底糙度為0.01、0.02的試驗(yàn)要求。整體裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少,試驗(yàn)操作方便等特點(diǎn)。 2.無(wú)植物籬攔擋時(shí),通過(guò)改變沖蝕槽底糙度,在設(shè)定4種試驗(yàn)坡度分別對(duì)應(yīng)4種流量試驗(yàn)條件下,對(duì)溝道徑流的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究得出了淺溝徑流的挾沙力與坡度和流量的定量關(guān)系(糙度0.01),并對(duì)徑流挾沙時(shí)不同粒徑泥沙的沉積特性進(jìn)行了分析。 (1)溝道徑流屬于薄層水流范疇,槽底糙度對(duì)徑流流速影響明顯,槽底糙度越大,流速越�。涣魉匐S著流量、坡度的增加而增大且呈現(xiàn)冪函數(shù)增加關(guān)系(R2=0.98,p0.05),徑流水深隨著流量的增加而增大,隨著坡度的增加而減小,它們之間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.98,p0.05)。 (2)試驗(yàn)得出溝道徑流的雷諾數(shù)(Re)在842～5467之間,溝道水流流態(tài)屬于紊流,水流雷諾數(shù)的大小與徑流量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性,流量越大,雷諾數(shù)越大。坡度和槽底糙度對(duì)水流的雷諾數(shù)影響不明顯；溝道徑流的佛汝德數(shù)(Fr)在1.05～18.89之間,屬于急流范疇,流量對(duì)佛汝德數(shù)的影響不明顯,坡度和槽底糙度對(duì)佛汝德數(shù)的影響明顯,它們的值越大,佛汝德數(shù)越小。 (3)溝道徑流的挾沙力與流量和坡度有關(guān),徑流挾沙力隨流量的增加而增大、隨著坡度的增加挾沙力急劇增加,通過(guò)回歸分析得出的挾沙力模型為：T=292.95X0.98Y0.22(R2=0.93P0.05)。流量對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響不明顯,坡度對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響顯著。坡度為1°時(shí),徑流對(duì)2-4mm泥沙的輸移力較大,對(duì)0.02-2mm、小于0.02mmm粒徑泥沙輸移力較��；大坡度(15°、25。)時(shí),小于0.02mmm粒徑泥沙沉積量較多,2-4mm、0.02-2mm粒徑泥沙顆粒沉積較少。 3.通過(guò)力學(xué)分析和物理方法推演,對(duì)徑流中的泥沙受力、侵蝕產(chǎn)沙、植物籬受力形變和徑流鈍體繞流進(jìn)行了研究,結(jié)果表明：在徑流作用和植物籬阻擋下,泥沙受到徑流拖曳力、上舉力、黏結(jié)力、滲透壓力、重力、浮力和植物籬攔擋引起的阻力作用,徑流發(fā)生產(chǎn)沙的剪切力至少大于水壓引起的摩擦力、土壤黏結(jié)力引起的摩擦力和植物籬攔擋引起的阻力之和；植物籬形變的主要?jiǎng)恿κ菑搅魉^壓力,植物籬最大繞度方程為：植物籬轉(zhuǎn)角方程為：并分析了植物籬布置時(shí)需要考慮植物籬變形因素的原因；在植物籬攔擋下,鈍體繞流的寬度與流量呈正相關(guān),與流速呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系,植物籬對(duì)徑流的阻擋影響徑流的流線,徑流沿流線的交叉碰撞和疊加導(dǎo)致其動(dòng)能的消耗,降低了徑流的侵蝕力。 4.確定紫穗槐和蓑草在5cmX5cm、1OcmX10cm攔擋模式(糙度0.01)、4種坡度分別對(duì)應(yīng)4種流量的條件下,對(duì)攔擋下的徑流的水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,并研究了不同攔擋模式下徑流的挾沙力、攔擋效果及不同粒徑泥沙的沉積特性。 (1)在植物籬攔擋下,徑流流速與單寬流量、坡度呈冪函數(shù)增加關(guān)系(R2=0.98P0.05)；蓑草5cmX5cm攔擋模式在小坡度(1°、5°)時(shí)可以大大降低徑流的流速,但在大坡度時(shí)對(duì)流速的影響較小,其它3種攔擋模式在坡度為1°時(shí)對(duì)流速影響有限,坡度為5°、15。、25°時(shí)對(duì)流速影響不明顯。徑流深度與單寬流量、坡度呈冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.98P0.05)；植物籬攔擋時(shí)徑流深度隨徑流量的增加而增大,在坡度為1°時(shí)增長(zhǎng)較快,但在5°、15°、25。時(shí)增長(zhǎng)緩慢。小坡度時(shí)徑流深度較深,大坡度時(shí)徑流深度較淺,大坡度時(shí)徑流深度之間的極差較小。 (2)植物籬攔擋下水流流態(tài)仍屬于紊流流態(tài)。植物籬的攔擋、坡度對(duì)溝道徑流的雷諾數(shù)影響不明顯,流量是影響水雷諾數(shù)的主控因素。坡度對(duì)佛汝德數(shù)的影響十分明顯,其中蓑草在5cm X5cm模式攔擋下坡度為1°時(shí),徑流屬于緩流,其它情況均為急流。 (3)在植物籬攔擋下,小坡度時(shí)徑流的挾沙力隨流量的增加而增大,徑流量是影響徑流挾沙力的主要因素；在大坡度時(shí),徑流的挾沙力很大,坡度是影響徑流挾沙力的主要因素；4種模式的攔沙能力分別為蓑草5cmx5cm紫穗槐5cmx5cm蓑草10cmxl0cm紫穗槐10cmx10cm;流量對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響不明顯,坡度對(duì)同一粒徑泥沙沉積影響顯著。在蓑草攔擋下,坡度為1°時(shí),較大粒徑的泥沙顆粒發(fā)生輸移,較小顆粒泥沙易于沉積；坡度為50時(shí),2～4mm泥沙沉積相對(duì)量較少,0.02～2mm粒徑泥沙易于輸移。對(duì)于0.02mm以下粒徑泥沙,在坡度為1°、5°時(shí),植物籬對(duì)該粒徑泥沙攔擋效果較差。
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【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TV131;TV14

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2426318