【摘 要】
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我国黄土高原地区坡陡沟深,地形复杂,水土流失严重。随着黄河流域高质量发展,在工程建设中出现了大量45°以上的高陡边坡,在暴雨径流作用下往往造成严重的土壤侵蚀。为探明降雨条件下黄土高陡边坡降雨径流侵蚀的水动力学特性及输沙机理,本研究采用室内外模拟降雨试验的方法,研究了不同坡度、不同坡面条件、不同雨强组合条件下黄土高陡边坡的产汇流过程、水动力学参数特征及侵蚀产沙输移规律。取得了以下结论:（1）高陡边坡
【基金项目】
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国家重点研发计划:（编号:2017YFC0504703）； 国家自然科学基金:（编号:41371276,41877078）； 陕西省重点研发计划项目:（编号:S2020-YF-ZDCXL-ZDLSF-0300）； 陕西省自然科学基础研究计划:（编号:2016ZDJC-20）；
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我国黄土高原地区坡陡沟深,地形复杂,水土流失严重。随着黄河流域高质量发展,在工程建设中出现了大量45°以上的高陡边坡,在暴雨径流作用下往往造成严重的土壤侵蚀。为探明降雨条件下黄土高陡边坡降雨径流侵蚀的水动力学特性及输沙机理,本研究采用室内外模拟降雨试验的方法,研究了不同坡度、不同坡面条件、不同雨强组合条件下黄土高陡边坡的产汇流过程、水动力学参数特征及侵蚀产沙输移规律。取得了以下结论:（1）高陡边坡降雨径流的产汇流特征。针对不同工况下的高陡边坡降雨径流的产汇流规律研究薄弱,对不同坡度、工况、雨强下的高陡边坡进行降雨试验,结果表明:相同工况下,产汇流时间随坡度增加而减小,坡度为70°的产流时间约为5°坡面产流时间的16%;产汇流时间随雨强增大而减小,雨强为135mm·h-1的产流时间约为雨强30mm·h-1产流时间的7%。产流后,坡面径流属于非恒定流,随着时间增加,坡面降雨径流流量迅速增加,逐渐达到稳定平衡,在降雨后期可近似的把坡面径流看作恒定流;120 mm·h-1雨强下坡面径流的平衡时间约为60 mm·h-1条件下平衡时间的42%。给出了高陡边坡产汇流时间随雨强的变化关系。高陡边坡的产流过程特性与缓坡相似,但受坡度与雨强的影响更为剧烈。（2）雨强对高陡边坡薄层径流流型及流态的影响:在试验雨强(60～120 mm·h-1)条件下,坡面径流的雷诺数与雨强呈正相关;相较于以往试验坡（小于45°）,高陡边坡（大于45°）坡面产流后,坡面径流的雷诺数随雨强增加而迅速增加,通过雷诺实验表明水流处于紊流状态。相同的雨强条件下,雷诺数随坡度的变化存在“坡度特征值”,对应的坡度约为25°。当坡度小于25°时,雷诺数与坡度变化缓慢;超过该值后,雷诺数随坡度增大而迅速增大。弗汝德数随雨强变化也存在坡度特征值,其值约为55°,大于该坡度的坡面径流,稳定后的弗汝德数均大于1,流态为急流。总之,雨强对高陡边坡的流型流态均有显著的影响,主要原因是降雨对坡面径流的打击使得坡面薄层径流表面产生了紊动。雨滴的击溅作用对薄层径流的影响不能忽略,是坡面径流与常规明渠水流不同的原因。（3）提出了坡面降雨径流的“双紊动源假设”。通过开展降雨试验,发现高陡边坡坡面径流同时受粗糙床面、雨滴打击的双重影响。雨滴打击与水流运动产生的紊动向床面扩散,床面紊动则朝水面扩散。这两种紊动都服从普朗特的掺混长度理论,双向扩散即“双紊动源”导致高陡边坡降雨径流运动不同于明渠水流运动。（4）基于“双紊动源假设”,考虑了降雨和坡度对坡面径流的影响,修正了原有的坡面径流计算方法。基于Ligget,Woolhiser提出的分散式运动波模型,增加了降雨强度与床面糙度的“双紊动源”影响因素,给出了基于双紊动源假设的高陡边坡水面线及其他水力学动力参数的计算方法,并进行室内外验证,解决了薄层径流水深等参数测量困难的问题。该方法在计算平衡时间、坡脚平衡流量、水位等参数时的计算精度,较传统方法提高了80%以上。（5）研究了高陡边坡降雨径流的阻力特性。本研究结果表明:采用明渠的水流流型计算方法,不能准确描述“双紊动源”影响下的高陡边坡降雨径流的流动型态。试验结果表明在经典雷诺实验条件下,高陡边坡的降雨径流由于受“双紊动源”的强烈影响,水流发生了掺混,水流型态为紊流;而利用明渠水流的计算方法,高陡边坡降雨径流的阻力系数和雷诺数呈负二次方幂函数关系,说明水流处于层流向紊流过渡的状态,这说明高陡边坡降雨径流和管道水流存在不同的影响机制。该结论对深入理解坡面降雨径流在流型、流态及阻力规律等方面出现的矛盾,有着重要的意义。（6）基于“双紊动源假设”,研究了降雨对高陡边坡径流的侵蚀输沙规律。通过分析坡面的降雨雨强、床面糙度、坡度及水流流速等因素对坡面侵蚀输沙的作用,对已有的基于能量耗散给出的推移质输沙率公式进行改进,提出了基于“双紊动源假设”的高陡边坡侵蚀输沙公式。该公式不但能够用于河川径流的推移质输沙计算,而且还能用于高陡边坡降雨侵蚀径流的输沙计算,为坡面降雨径流侵蚀的过程计算提供了新的计算方法。
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