黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验研究

节水中心2009届硕士研究生李书钦，在导师高建恩研究员的指导下，经过三年努力完成了黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验研究。

专    业：水土保持与荒漠化防治      研究方向：水土资源高效利用

摘 要

水力侵蚀比尺模型试验是研究小流域水土流失规律、水土保持治理措施优化及调控效益的有效方法。已有的基于侵蚀泥沙动力学和相似论基本原理给出的黄土高原小流域水力侵蚀调控模拟及结果转换控制指标系统，仅对黄土高原小流域水力侵蚀比尺模型试验模型与原型的径流总量、侵蚀总量、侵蚀淤积级配等指标进行了初步验证，更深入的验证工作包括小流域不同位置坡面径流的流速、流向、流场分布、阻力相似问题以及侵蚀过程相似等需要进一步研究。本研究针对黄土高原小流域水力侵蚀比尺模型试验中存在的问题，在室内设计了几何比尺为2.5的10°原型和模型坡面，对黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验径流及侵蚀过程的相似性进行研究，得到以下结论：

1．坡面水力侵蚀比尺模拟试验选沙研究

为了满足侵蚀过程相似，本研究首先对水力侵蚀比尺模拟试验首先应解决的选沙问题进行了研究，研究结果表明，利用悬浮相似选沙方法选择的模型沙需要检验模型沙是否满足起动相似，利用不满足起动相似的模型沙进行的试验，地形和侵蚀产沙相似都较难满足；依据起动相似选沙方法选择的模型沙，粒径较原型沙粗，但在雨强等边界条件相似得到满足的前提下，流量和侵蚀产沙过程基本满足相似要求。黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验宜采用起动相似为主的选沙方法进行选沙。

2．坡面水力侵蚀比尺模拟试验径流及侵蚀过程相似研究

在选沙研究的基础上，本研究对坡面水力侵蚀比尺模拟试验径流及侵蚀过程相似进行了研究，研究结果表明：原型和模型的径流流态均为急流；120mm/h和100mm/h雨强组试验原型和模型的径流流型不同，原型坡面径流的流型为过渡流，而模型坡面的径流流型则为层流，80mm/h雨强组试验原型和模型坡面的径流流型均为层流；本研究试验坡度和雨强范围内，阻力系数f随流量的变化不明显，阻力相似比尺 。上述情况表明在坡面径流是急流条件下，虽然满足Fr相似保证流态相似是主要方面，但阻力相似偏离不大，基本满足相似要求。

在满足雨强、入渗、土壤前期含水量等边界条件相似的前提下，原型和模型的流量过程 、断面平均流速 、径流深 等基本相似，原型和模型的径流过程基本满足相似要求；在径流过程相似的前提下，满足起动相似的原型和模型试验的侵蚀产沙过程、冲淤级配及地形也基本满足相似。

3、上述研究结果表明：在正态条件下，满足几何相似、降雨相似、水力侵蚀产沙、输沙相似等条件下所建造的坡面模型，其降雨、汇流、产沙、输沙是基本符合原型实际情况的，可以作为坡面治理水土流失、优化治理方案，寻求水土资源高效利用措施的工具。

关键词：水力侵蚀；模拟试验；相似比尺；选沙