黄土高原小流域坡面水沙运移模拟试验研究

    我中心2007届硕士研究生田栋同学，在导师吴普特研究员和高建恩研究员的指导下，经过三年努力完成了黄土高原小流域坡面水沙运移模拟试验研究

                          摘要

     黄土高原坡沟系统既是区域侵蚀产沙的主要源地，又是控制水土流失，恢复与重建生态环境的基本治理单元，寻求其侵蚀现象本质性的规律，为小流域坡沟水土保持措施优化配置提供科学依据，对于恢复和重建生态环境具有重要的理论和现实意义。针对现有坡面水沙运移研究方法的不足，突破采用小区观测资料，或者是小流域水文资料的局限。试图利用小流域高程数据结合CAD软件，对已建燕沟康家屹崂小流域模型坡面和沟道进行探索性的划分。由于以往在室内通过小流域研究坡沟关系，多只考虑几何相似，为便于和以往研究进行对比，本研究先考虑几何相似，在只考虑几何相似的条件下在小流域坡面进行模拟试验研究，得出该试验小流域坡面降雨产流产沙规律，再考虑运动与动力相似，对得出的小流域模型坡面产流产沙特征利用相似率向原型进行转换。主要得出以下结论：
     1、在小区坡面进行的降雨径流输沙效应初步研究结果表明，小区坡面径流起始时间与降雨强度之间存在的关系；雨强和单宽输沙率之间存在的关系；单宽流量和单宽输沙率之间存在 的关系。
     2、对于坡面产流过程而言，各个雨强下的坡面流量变化过程相似，均表现为起流―平稳（峰值）―退水过程。流量峰值出现时间和降雨强度成反比。坡面流量过程呈现随雨强增大而增大的变化规律。与沟道模拟试验对比，坡面径流量较沟道径流量小，是沟道径流量的0.78－0.88倍，坡面流量达到峰值的时间较沟道长，是沟道流量达到峰值时间的1.2－1.6倍；坡面径流系数是沟道的0.78－0.9倍。
     3、对于坡面降雨产沙过程来说，各场降雨含沙量的变化趋势相近，表现为降雨开始后径流含沙量迅速增大，3－5分钟后含沙量达到峰值，含沙量的峰值和流量的峰值基本同时出现，达到峰值后即迅速下跌，最后趋于稳定。径流含沙量达到峰值后下跌的过程与黄土高原小流域产沙输沙一般规律不同，主要原因是试验只考虑几何相似而没有考虑侵蚀下垫面相似所致。与沟道模拟试验对比，坡面径流含沙量峰值出现的时间较沟道早，坡面侵蚀产沙总量是沟道侵蚀产沙总量的0.19－0.27倍，坡面径流含沙量和侵蚀模数都较沟道小，坡面径流含沙量是沟道的0.23－0.32倍，坡面侵蚀模数是沟道的0.20－0.26倍。
     4、由于只考虑几何相似进行模拟试验，出现的最大问题是降雨按原型暴雨设计，而产流产沙却为模型值，出现与原型不符的必然情况，这也是以往研究者采用相对侵蚀量等指标研究其定性关系而放弃尺度转化的主要原因。即要回答原型水沙运移的问题，则需按模型率进行相似比尺的转换。转换到原型的降雨为特大暴雨；转换到原型小流域的坡面径流变化过程基本能够反映实际情况；对转换后的坡面产沙过程进行了修正，得出与原型沟道输沙相似的变化过程。