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不同土质坡面水蚀过程模拟试验及建模研究

作　者: 管新建
导　师: 李占斌；姚文艺；陈尧隆
学　校: 西安理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 降雨坡度土质水蚀因子模糊相似预测模型
分类号: S157
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 201次
引　用: 3次
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内容摘要

坡面侵蚀产沙过程非常复杂,影响因素众多。开展降雨条件下的室内外坡面土壤侵蚀产沙的对比研究,有助于通过室内的坡面土壤侵蚀的变化规律去了解野外的坡面土壤侵蚀状况,从动力学角度认识坡面产沙及侵蚀演变过程的内在机制,进而为建立坡面水土流失预报模型提供关键支持,对土壤侵蚀的防治及相关灾害的治理,具有重要的应用前景和实际意义。本研究从揭示坡面水蚀产沙过程机理出发,通过人工模拟降雨试验的方法,运用回归分析、灰色关联、模糊相似等理论,系统地研究了不同土质坡面侵蚀产沙的时空变化规律、产沙量与水蚀因子的动态响应过程,探讨侵蚀模拟试验土质材料的差异及相似性,并对坡面降雨侵蚀预测模型进行了研究。得出以下主要结论：(1)阐明了不同土质坡面降雨侵蚀产沙的变化规律。在降雨初期,各土质坡面径流量、产沙量都由小增大；随后会出现一个激增点,之后,径流量、产沙量达到相对稳定状态。但不同土质间径流量、产沙量激增点和达到稳定的时间有较大差异,随着雨强的增加,激增点及稳定时刻都大大提前,坡面产沙量较径流量的激增点及相对稳定时间一般滞后约1-2min。(2)分析了不同土质坡面侵蚀产沙的差异。各土质的径流量、含沙量和产沙量都随坡度、雨强的增大而增大,且原状土的变化幅度要远大于扰动土的；雨强和坡度相同时,各土质平均含沙量和产沙量的大小顺序为：粉煤灰>邙山土>原状土；雨强越大,坡面产生的细沟数量越多,细沟的平均长度、宽度、深度也越大,但室内外坡面侵蚀形态有较大差异,室内模拟野外坡面形态的发育有较大难度。在其它条件相同时,容重较小的土质,其径流量、含沙量和产沙量相对较大。(3)明确了不同土质坡面水蚀因子的变化规律。坡度相同时,水流剪切力、流速、水流功率和单位水流功率均随雨强的增加而增加,雨强相同时,均随坡度增大而增大；随降雨历时的延长,水流剪切力、流速及水流功率都会出现一个激增点,之后达到相对稳定,但各自出现的时间有较大差异。(4)建立了坡面水蚀因子与产沙量相关关系式。运用灰色关联和多元回归分析方法,分析了产沙量与水蚀因子之间的关系。结果表明：就单个因子对产沙量的影响而言,雨强的影响最大,水流功率次之；多因子组合对产沙量的影响分析表明,雨强和坡度组合对产沙量影响最大。并分别建立了三种土质下产沙量与其主要影响因子的关系式。(5)分析了室内外侵蚀产沙过程的模糊相似程度。通过室内外坡面降雨侵蚀产沙过程的模糊贴近度计算分析,结果表明：邙山黄土总的模拟效果比粉煤灰好,容重较大的邙山黄土模拟野外侵蚀过程的程度最好,可以利用邙山黄土的试验数据建立坡面侵蚀产沙的预测模型。(6)建立了坡面次降雨侵蚀产沙模型。根据统计学习理论,得出了基于坡面侵蚀产沙影响因子的坡面次降雨支持向量机侵蚀产沙预测模型SVR。同时建立了坡面次降雨侵蚀产沙的BP神经网络模型,通过两种模型对野外坡面次降雨侵蚀产沙预测的结果比较,其预测结果都比较好,且SVR的预测效果要大大优于BP神经网络模型。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-25
  1.1 研究的背景和意义  11-12
  1.2 坡面侵蚀的试验研究进展  12-17
    1.2.1 模型试验的降雨模拟研究  12-14
    1.2.2 模型试验的研究现状  14-17
  1.3 坡面流水动力学特性研究进展  17-21
    1.3.1 坡面水流的流态研究  17-18
    1.3.2 坡面流流速的研究  18-19
    1.3.3 坡面径流侵蚀力  19-21
  1.4 土壤侵蚀模型研究进展  21-22
  1.5 研究内容和技术路线  22-25
    1.5.1 研究内容  22-23
    1.5.2 拟解决的关键问题  23
    1.5.3 主要研究方法与技术路线  23-25
2 试验材料及设计  25-32
  2.1 试验材料及特性  25-26
    2.1.1 野外试验基地长武站概况  25
    2.1.2 室内试验材料及特性  25-26
  2.2 试验分类及指标的确定  26-29
  2.3 试验装置  29-30
  2.4 试验设计与方法  30-31
    2.4.1 野外试验方法  30
    2.4.2 室内试验方法  30-31
  2.5 本章小节  31-32
3 不同土质坡面侵蚀产沙研究  32-54
  3.1 不同土质坡面径流量随雨强的变化  32-35
  3.2 不同土质坡面径流含沙量与输沙率的时空变化  35-45
    3.2.1 坡面径流平均含沙量的变化  35-36
    3.2.2 坡面径流平均输沙率变化  36-37
    3.2.3 不同土质坡面径流含沙量和输沙率的关系分析  37-41
    3.2.4 坡面径流含沙量过程变化分析  41-45
  3.3 降雨侵蚀产沙影响因素分析  45-49
    3.3.1 降雨强度和土壤容重对坡面侵蚀产沙影响分析  45-48
    3.3.2 坡度对坡面侵蚀产沙的影响  48-49
  3.4 同种雨强下不同土质累积侵蚀量的变化  49-50
  3.5 坡面微地貌形态对比分析  50-52
  3.6 本章小结  52-54
4 坡面水蚀过程水动力学研究分析  54-79
  4.1 坡面薄层水流水力学特性分析  54-62
    4.1.1 坡面水流流态  55-57
    4.1.2 坡面水流流速的时空变化  57-62
    4.1.3 坡面径流平均阻力随雨强的变化规律  62
  4.2 坡面径流水动力学特性分析  62-69
    4.2.1 坡面径流剪切力变化过程  63-66
    4.2.2 坡面水流功率变化过程  66-69
    4.2.3 单位水流功率变化过程  69
  4.3 不同土质坡面产沙量与其影响因子的关联性分析  69-76
    4.3.1 灰关联分析的基本理论  69-72
    4.3.2 原状土坡面径流产沙量与其影响因子灰关联分析  72-73
    4.3.3 邙山黄土坡面径流产沙量与其影响因子灰关联分析  73-74
    4.3.4 粉煤灰坡面径流产沙量与其影响因子灰关联分析  74-76
  4.4 坡面水蚀因子与输沙率的相关关系  76-78
  4.5 本章小结  78-79
5 坡面降雨产沙过程的模糊相似度分析  79-90
  5.1 概述  79-80
    5.1.1 模拟降雨的相似特性  79
    5.1.2 坡面侵蚀产沙特性  79-80
  5.2 模糊贴近度的基本原理  80-82
  5.3 邙山土与原状土试验的模糊贴近度分析  82-86
    5.3.1 径流含沙量过程的模糊贴近度分析  82-84
    5.3.2 径流剪切力、径流量和产沙量过程的模糊贴近度分析  84-86
  5.4 粉煤灰与原状土试验的模糊贴近度分析  86-88
  5.5 本章小结  88-90
6 坡面次降雨侵蚀产沙模型研究  90-109
  6.1 坡面降雨产沙的预测问题  90
  6.2 统计学习理论概述  90-92
    6.2.1 VC维  91
    6.2.2 推广性的界  91-92
    6.2.3 结构风险最小化  92
  6.3 支持向量机理论  92-99
    6.3.1 支持向量机  93-96
    6.3.2 支持向量机回归机(SVR)  96-98
    6.3.3 SVR的预测模型算法  98-99
  6.4 坡面次降雨侵蚀产沙SVR预测模型的构建  99-101
    6.4.1 影响因子的选择及样本数据集建立  99-101
    6.4.2 坡面次降雨土壤侵蚀的SVR预报模型的建立  101
  6.5 BP神经网络预测模型  101-104
    6.5.1 BP网络及改进的BP学习算法  101-102
    6.5.2 坡面次降雨侵蚀产沙的BP神经网络预测模型  102-104
  6.6 SVR预测模型和BP预测模型的比较  104-108
  6.7 本章小结  108-109
7 结论与展望  109-111
  7.1 结论  109-110
  7.2 展望  110-111
致谢  111-112
参考文献  112-119
附录  119

不同土质坡面水蚀过程模拟试验及建模研究

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