流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂，是黄河流域的主要泥沙源区，并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表．沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象，并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律．为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究，本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象，分析各水沙过程的主要机理．揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型；根据水流的诱发作用，用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀；考虑影响水沙运动的多种要素，建立沟道系统的高含沙水沙模型．流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。     

基于淤地坝淤积信息的小流域泥沙来源及产沙强度研究

根据黄土丘陵区王茂沟流域关地沟3号淤地坝29年泥沙沉积旋回变化,以及各旋回层泥沙中、坝控流域沟间地和沟谷地表层土壤中137Cs的测量,结合淤地坝修建、运行历史资料及次降雨资料,估算了坝控流域沟间地和沟谷地的相对产沙量和坝控流域不同时期的侵蚀产沙强度。研究表明,沟间地是该小流域泥沙主要来源,该流域泥沙的70%源自沟间地;坝控流域1959~1987年期间,年侵蚀产沙强度由强变弱,呈显著降低趋势。     

柳河流域来沙与产沙分析

本研究也探讨了柳河流域悬移质泥沙颗粒特征,及泥沙粒径与径流量、含沙量间的复杂关系,及其对流域侵蚀产沙过程的反映。     

考虑沟-坡分异的黄土高原大中流域侵蚀产沙模型

针对黄土高原坡面沟缘线上、下侵蚀产沙分异显著的特点,以及机理模型在大中流域不易应用的现状,利用基于Hc-DEM的沟缘线自动提取技术,划分流域沟间地和沟谷地地貌单元.在改进坡长因子算法和改造沟坡侵蚀模型的基础上,提出沟间地运用通用土壤流失方程为模型框架评估面蚀为主的坡地侵蚀,沟谷地运用改造沟坡侵蚀模型评估冲蚀为主的沟谷侵蚀,并与泥沙输移比分布模型集成确定流域侵蚀产沙分布的模型体系.经在北洛河上游流域检验,模型体系能良好模拟流域多年平均侵蚀产沙,在年际尺度也具有较好可靠性,可为黄土高原大中流域水土保持效益评价和水土流失防治规划提供技术支撑.     

坝下河段悬移质和推移质沿程冲刷过程研究

通过三门峡水库、丹江口水库和三峡水库坝下河段水文泥沙实测资料,研究了坝下悬移质沿程恢复的一般规律,结果表明:含沙量和悬移质中值粒径沿程先增长后减小,两者峰值均随冲刷时间发展而向下游移动;含沙量恢复距离与流量大小正相关,与床沙补给粒径反相关,大流量恢复距离长,小流量恢复距离短,粗沙恢复距离长,细沙恢复距离短;河床冲刷由含沙量恢复特性决定,粗细颗粒泥沙均在恢复过程中则河床粗细均冲,粗颗粒已恢复而细颗粒仍在恢复过程时河床淤粗冲细.开展了清水冲刷水槽试验,研究了坝下推移质在冲刷中的贡献和级配调整特点,主要结论如下:当床沙初始可悬百分数小于40%,河床以推移质冲刷为主,相反则以悬移质冲刷为主;推移质级配随冲刷历时粒径先增粗再变细最后趋于稳定.     

黄土高原坡沟系统径流泥沙过程

利用概化的坡沟系统模型,采用室内放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统径流侵蚀产沙过程进行模拟研究。结果表明:坡沟系统的产流产沙速率随流量的增大而增大;产流量随放水量的增大呈明显的指数函数变化趋势,且增长率有增大趋势;产沙量随冲刷流量的增大呈幂函数增大趋势,增长率却逐渐减小;冲刷流量相同时,产沙速率随冲刷历时呈现出波动式的双峰增长趋势;在实验流量和时间范围内,坡沟系统的累积产沙量随累积径流量呈现出非常显著的二次函数关系.     

国内科技期刊亮点

淤地坝建设有效治理沟坡侵蚀产沙在中国黄土高原丘陵沟壑区,淤地坝建设初期,小流域侵蚀强烈,泥沙沉积量巨大,其后,产沙强度由强变弱,泥沙沉积量呈显著降低趋势,淤地坝在减少水土流失方面具有其他措施不可替代的作用;微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大差异,坡沟侵蚀产沙比并非一个定值,其研究还有待于进一步深化。     

平面二维全沙泥沙输移数学模型及其应用

研究了平面二维全沙泥沙输移(悬移质泥沙和推移质泥沙)的数学模型及其应用．中对比了国内外常用模型的特点,结合笔在平面二维全沙泥沙输移数学模型中的计算经验,分析各自模型的差异,特别是针对模型的数值计算方法及湍流模型的应用进行分析和说明,在此基础上建立平面二维全沙泥沙输移数学模型SFST—2D．并将该模型分别应用于长江三峡工程坝区泥沙计算、波迪一。科西工程水库内淤积及下游冲刷等工程实例的研究中。     

华南地区水库消落带侵蚀状况与生态治理——以高州水库为例

华南地区水库众多,消落带开阔,广泛分布有易侵蚀性红壤,在水库波浪和台风暴雨作用下,土壤侵蚀严重。以高州水库为例,波浪侵蚀使凸坡植被土壤全部流失,立坡侵蚀使凹坡不断缩陷甚至发生崩岗,径流又进一步侵蚀裸露坡面和周边沟谷。结果导致消落带水土资源环境恶劣、植被凋亡、生态功能尽失。为此,提出"桩-土-植被一体化"梯度治理方案:采用轻小群排桩护岸,截排水沟组织排水,阻隔波浪和径流侵蚀;抽取库尾淤泥回填桩后坡面形成梯级平台;种植和抚育适应周期性浸晒两栖乡土植物。方案具有适应地形、施工便捷、维护简易、清库扩容、护岸固土、改善生态和美化环境等经济实用高效的综合治理效果,预期可以在华南地区其他水库推广应用。     

三峡水库干流典型消落带泥沙沉积过程

 选择三峡水库中游干流典型消落带断面,现场调查泥沙沉积速率随高程分布,探讨三峡水库特定水位调节模式和长江上游泥沙输移的季节性特征对消落带泥沙沉积的影响。结果表明,消落带泥沙净沉积主要发生在145~168 m 高程,2010年累积净沉积厚度为1.1~39.9 cm,随高程增加逐渐减小,145~155 m 平均泥沙沉积厚度为14.9 cm,155~168 m 平均泥沙沉积厚度为2.6 cm;2013年累积净沉积厚度为3~80 cm,表明三峡水库干流消落带泥沙沉积过程迅速。泥沙粒径随高程增加逐渐变粗,体现在砂粒体积分数和中值粒径逐渐增大。消落带下部沉积泥沙颗粒组成与干流悬移质泥沙接近,而消落带上部沉积泥沙明显粗于干流悬浮泥沙。消落带泥沙沉积速率与水库水位调节密切相关,雨季水库低水位运行,长江悬移质输沙量的增加导致了消落带下部大量泥沙沉积;旱季水库高水位运行,长江悬移质输沙量减少导致消落带上部泥沙沉积速率降低,消落带河岸侵蚀对沉积泥沙贡献逐渐增大。消落带淹水时间随高程增加而缩短,长时间淹没有利于消落带下部泥沙沉积。综合推断,三峡水库干流消落带下部泥沙主要来源于雨季河流悬移质泥沙的沉积,而消落带上部沉积泥沙主要来自旱季消落带河岸侵蚀产沙。     

悬移质泥沙运动过程模拟分析

为了实现悬移质泥沙运动过程的模拟分析,应用联合k-ε紊流方程和悬沙输运方程的单流体模型,采用有限体积数值方法对其离散求解,分别对净冲刷和净淤积试验算例进行了计算模拟,计算结果与试验结果吻合良好,说明该模型是正确有效的,可以用来模拟悬移质泥沙的运动问题.分别对两个试验中泥沙上扬和沉降的运动过程进行数值模拟,结果表明:净冲刷和净淤积试验中泥沙开始上扬和沉降直至稳定状态分别运行24 s和35 s.采用单流体模型可以有效地对悬移质泥沙运动过程进行数值模拟,为河流海岸工程中的水沙研究提供可靠的参考和依据.     

黄土坡面水蚀动力与侵蚀产沙临界关系试验研究

坡面水蚀动力与侵蚀产沙关系是水蚀预报的关键问题之一.本文通过光滑水槽试验和模拟冲刷试验,对坡面水流动力学特性(径流流速、剪切力以及能耗)及其与侵蚀产沙关系进行了系统研究.结果表明,坡面薄层水流呈滚波流特征,坡面流流速沿程变化呈波动趋势,随流量和坡度的增加而增大;坡面单宽径流剪切力、单宽径流能耗和坡面径流单宽输沙率随流量的增加而增加,随坡度呈抛物线趋势变化,说明坡面土壤侵蚀过程存在临界坡度,在本试验条件下,临界坡度位于21—24°之间.坡面单宽径流输沙率和单宽径流剪切力、单宽径流能耗之间均存在良好的线性关系.     

基于坡面径流输沙模型的湘中红壤丘陵区土壤有机碳流失模拟研究

坡面径流是泥沙和土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)流失的主要动力.本研究以典型湘中红壤丘陵区坡耕地(翻耕和免耕)为研究对象,通过野外径流小区模拟降雨试验,对已建立的以径流率为变量的对数线性回归坡面径流输沙模型进行修正,并结合泥沙中SOC的富集特性,建立湘中红壤丘陵区的坡面SOC流失模型.研究结果表明:坡面SOC流失模型能够有效地应用于湘中红壤丘陵区次降雨过程中坡面SOC流失的模拟中,且具有较好地模拟效果,SOC流失率模拟平均误差在30%左右,决定系数在0.85以上;同时模拟结果表明,泥沙和SOC流失过程在坡面径流侵蚀影响下呈现波动状态,表现为产流开始后10min泥沙和SOC流失呈增加趋势,其后在波动中逐渐趋于平稳;通过比较翻耕和免耕条件坡面径流输沙和SOC流失模型,结果显示侵蚀性降雨条件下,翻耕方式泥沙和SOC流失率大于免耕方式.非侵蚀性降雨条件下,翻耕方式泥沙和SOC流失状况与免耕方式一致.     

螺旋流冲沙与输沙

水土流失与泥沙淤积是一个普通性的问题,水库泥沙严重淤积的原因是上游无永久有效的水保措施而自身又无完善的冲沙与输沙的设施,压力缝隙螺旋流具有流速高,水层薄,切力大,流程长,以及有利的压力分面等特点,可被应用于中冲刷淤积泥沙,在２ｍ水头下,其浓度可达４００～９００ｋｇ／ｍ＾３水平管螺流可应用“抬托”泥沙,使推移质容易地转变悬移质,从而可大幅度低流速,减小能被;为高浓度,低能耗,远距离输送泥沙提供一种新     

华南地区水库消落带侵蚀状况与生态治理初探——以高州水库为例

华南地区水库众多,消落带开阔,广泛分布有易侵蚀性红壤,在水库波浪和台风暴雨作用下,土壤侵蚀严重。以高州水库为例,波浪侵蚀使凸坡植被土壤全部流失,立坡侵蚀使凹坡不断缩陷甚至发生崩岗,径流又进一步侵蚀裸露坡面和周边沟谷。结果,消落带水土资源环境恶劣,植被凋亡,生态功能尽失。为此,提出“桩-土-植被一体化”梯度治理方案：采用轻小群排桩护岸,截排水沟组织排水,阻隔波浪和径流侵蚀;抽取库尾淤泥回填桩后坡面形成梯级平台;种植和抚育适应周期性浸晒两栖乡土植物。方案具有适应地形、施工便捷、维护简易、清库扩容、护岸固土、改善生态和美化环境等经济实用高效的综合治理效果,预期可以在华南地区其它水库推广应用。     

移动降雨条件下结皮对坡面产沙的影响机理

通过室内小尺度坡面(4m×1m)人工降雨物理模型,设计沿坡面上下移动的移动降雨工况进行产沙产流过程比对试验,对产流产沙量时空特性及侵蚀泥沙粒径特性进行分析,探讨不同降雨移动方向条件下结皮对坡面产沙过程的影响机理。结果显示:结皮发育造成产沙显著减少;降雨向上移动时,结皮发育成熟使峰值产沙提前出现,而向下移动时产沙峰值始终随产流峰值一起出现;向上移动降雨工况在雨强3.6×10-5 m/s时达到产沙峰值和等效泥沙浓度的最大值,而向下移动工况则对应更大的降雨强度;结皮发育在降雨初期对产沙成分的影响最明显,总体上产沙成分保持特定比例结构,粉粒最易受侵蚀,粘粒次之。研究表明:结皮发育是影响移动降雨条件下坡面产沙时空特性的重要因素。     

陕北多沙区乡村聚落水蚀泥沙粒度分布研究

目的分析研究陕北多沙区乡村聚落水蚀泥沙分布规律,探讨乡村聚落的土壤侵蚀问题,为加强该区的水土流失治理提供理论依据。方法建立乡村聚落径流、泥沙观测小区,根据观测的降雨径流泥沙数据资料,在粒度分析实验室用英国生产的Mastersizer-S型粒度仪测定样品粒度,对侵蚀泥沙样品进行粒度分析。结果陕北乡村聚落侵蚀泥沙的粒径分布呈"M"型,有2个明显的波峰,分别是10~50μm的粗粉沙和1~5μm的粘粒,其中粗粉沙的含量最多,达到了40%左右,粘粒的含量次之,达到了20%左右,二者的含量总共达到了60%以上;但是,通过对庭院、户间道路和户间空地的侵蚀泥沙在相同降雨条件下进行分析发现,侵蚀泥沙粒度在共性之中却有一定的差异性:在相同的降雨强度下,侵蚀泥沙粒径中<5μm细颗粒的含量以户间道路最少,庭院和户间空地次之,而>50μm颗粒的含量却以户间道路为最多,庭院和户间空地次之。结论陕北多沙区侵蚀泥沙中主要是粗粉沙和粘粒物质;户间道路径流挟沙能力最大,侵蚀强度也最大,可携带走较多的粗颗粒泥沙,和较少的细颗粒泥沙;而庭院和户间空地径流挟沙能力最小,携带走的是大量的细颗粒泥沙,粗颗粒泥沙较少。这说明在加强治理黄土高原乡村聚落中土壤侵蚀的同时,聚落中户间道路的土壤侵蚀问题应不可忽视。     

水库泥沙淤积对有效库容的影响规律研究

尽管大坝在生产活动和经济生活中发挥了重要作用,但同时也改变了本地区原有河流天然径流特性,使原有径流过程发生了较大变化.修建水库很大程度改变了河流自身冲淤平衡状态,而水库淤积和重新建立新的平衡是一个长期的过程,这给上下游带来长期、深远的影响.虽然水库的兴建历史久远,但多沙河流水库泥沙淤积仍是一个突出问题.研究表明:大坝经济效益的多少在很大程度上取决于水库有效库容的大小,一般而言,有效库容越大,水库可调节用于发电的流量就会更大,电站的总经济效益就会越大.为了减少泥沙危害的影响,国内外专家研究了不同种类的泥沙清淤方案和方法,但其根本的任务就是如何清除掉每年入库而占据有效库容的那部分泥沙量.本文结合上述问题,根据非均匀质(悬移质和推移质)不平衡输沙原理建立水库泥沙淤积的一维数学模型,计算中,按全沙模式和划分时段、河段,逐时段、逐河段进行,找出淤积量与有效库容的关系,为后续水库运行管理提供理论依据.     

陕晋蒙交界地带披砂岩丘陵区的侵蚀及其治理

晋陕蒙交界地带的披砂岩丘陵区是黄游中游河道粗泥沙的主要来源区之一。侵蚀十分严重,已导致沟谷面积迅速扩大,土层加速变薄及土壤中有机质和养分大量流失。强烈侵蚀的原因,一是历时短强度大的暴雨;二是水分入渗能力差.导致地表径流增大的披砂岩岩性特性;三是包括滥樵、乱垦和过牧的人类活动的影响。为了有效地防治披吵岩丘陵区的严重侵蚀,首先应以生物措施为主,工程措施为辅大力做好坡地的治理;其次,生物措施与工程措施并重,认真治理沟道;第三,必须制止乱垦,采用合理的耕作系统;第四,以草定畜,制止过牧。     

大理岔河水库不同类型物源防治措施浅析

泥沙淤积将使水库的有效库容减小,造成经济效益的损失[1]。拟建的大理永平县岔河水库由于坝址以上径流区内水土流失严重,滑坡、泥石流等地质灾害发育,由此产生的大量泥沙严重威胁库容,需采取地质灾害防治和水土保持等综合治理措施,以消减库区内固体物源数量。为此,需查明库区径流范围内产生泥沙的物源类型及发育特征,调查手段主要为工程地质测绘,并实施适当数量的井(槽)探等山地工程。最后根据调查结果,针对不同物源类型提出相应的工程措施和植被措施,以期达到大大减少可能威胁库容的固体物源数量的目的。