基于能量过程的沟道工程侵蚀阻控机理研究

Check dam is one of the main measure for channel management, and the essence of its function is that the runoff erosion dynamics was redistributed by the check dam system. In this study, based on the hydrology and hydrodynamic simulation, sediment transportation and deposition patterns in the connected dam system, together with sediment source were studied. Temporal and spatial critical values for the check dam function in soil and water conservation were determined. By quantifying the effect of check dam connection and terrain changing on runoff process, the coupling monitoring function by connected dam system and terrain on flood in the watershed was illustrated. By physical and numerical modeling, temporal and spatial distribution of hydrodynamic was analyzed. Based on the runoff energy consumption and runoff erosive power model, the distribution and transformation characters of runoff energy in the watershed was revealed. By developing transfer function for runoff and sediment with energy parameters, the monitoring effect of connected dam system was demonstrated, which helped to reveal the source and sink process of energy in the watershed. Based on this, optimized layouts of dam system were proposed for monitoring flood peak, and annihilating runoff energy. this study will provided both theoretical and technical support for the check dam project on the Loess Plateau, and is helpful in making full use of the coordination effect from comprehensive management for slope and gullies.

淤地坝是黄土高原主要的沟道治理措施，其发挥蓄水减蚀作用的本质是对沟道径流侵蚀动力过程产生了再分配作用。本研究以水文学、水动力学模拟为基础，综合运用多种技术手段，研究不同级联坝系流域输移-淤积格局以及泥沙来源变化，确定不同空间尺度上淤地坝系发挥水沙调控作用的临界阈值；量化不同结构与级联方式下淤地坝系径流过程的调峰滞时作用及地形改变效应，阐明级联坝系与地形耦合作用对流域洪水过程的调节作用。通过数模与物模，分析坝系流域水动力学特性的时空演变规律，通过径流能耗和侵蚀功率等侵蚀能量模型，分析流域能量分布与转化的时空特征；发展基于能量参数的水沙传递函数，探明沟道工程级联方式对侵蚀能量流的调节作用，揭示不同沟道工程级联方式下的沟道径流水动力学特征和径流侵蚀能量的汇聚-耗散过程，提出淤地坝系调节洪峰、消减径流能量的优化配置模式。为黄土高原地区淤地坝的建设与发展，充分发挥坡沟兼治的协同效应提供理论支持与技术

淤地坝是黄土高原主要的沟道治理措施，其发挥蓄水减蚀作用的本质是对沟道径流侵蚀动力过程产生了再分配作用。本项目研究选取黄土高原韭园沟、岔巴沟、大理河、延河等不同尺度典型流域，采取野外调查取样、室内测试分析、数学模拟与物理模拟等多种研究方法，研究不同级联坝系流域输移-淤积格局以及泥沙来源变化，分析坝系流域水动力学特性的时空演变规律，探明沟道工程级联方式对侵蚀能量流的调节作用，揭示不同沟道工程级联方式下的沟道径流水动力学特征和径流侵蚀能量的汇聚-耗散过程，提出淤地坝系调节洪峰、消减径流能量的优化配置模式。结果表明：（1）在有放水建筑物的串联坝上，从沟头到沟口淤积泥沙的粒径变化逐渐由粗变细；随着沟道级别的增加，淤泥泥沙的粒径越来越小，粗泥沙越来越少，细泥沙越来越多。（2）坝地沉积泥沙主要来源来自沟间地的侵蚀泥沙，同时得到黄土高原侵蚀泥沙来源大部分来自于沟谷地，随着一系列水土保持措施的实施，来自沟间地的泥沙有减小的趋势。（3）三种坝系级联方式均会使流域洪水过程坦化，洪峰流量、洪水总量均明显减小，其中混联方式减小幅度最大，并联次之，串联方式对洪水过程的影响最小。（4）对干、支流来说，空间尺度效应并不相同，导致延河流域的径流侵蚀功率存在一定的尺度效应，在控制面积小于155km2时，其随面积增大迅速减小，在控制面积大于155km2时，径流侵蚀功率缓慢减小，155km2为延河流域径流侵蚀功率的空间尺度效应阈值。（5）在未来淤地坝建设中，对于单坝坝高的设计应高于支沟与主沟的交汇处的高程；对于坝系建设，坝系稳定系数达到0.05时，坝系达到稳定，不同的小流域可能略有差异。（6）整个黄土高原中型坝布设潜力为72665座，小型坝布设潜力为480920座，骨干坝、中型坝以及小型坝合计建设潜力为589219座。为黄土高原地区淤地坝的建设与发展，充分发挥坡沟兼治的协同效应提供理论支持与技术。