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神东煤田不同下垫面侵蚀产沙规律及水动力参数特征

作　者: 王贞
导　师: 王文龙
学　校: 中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 神府东胜煤田不同下垫面径流侵蚀产沙水动力学参数
分类号: S157.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

煤矿在开发建设中,对地表的破坏形成了数量巨大的人为扰动地面、非硬化路面、弃土弃渣堆积体等,是矿区水土流失的主要物质来源。神府东胜矿区生态环境脆弱,加之气候条件的影响,在煤炭开采过程中水土流失极其严重,是国家级水土流失的重点监督区。本文以神府东胜煤田开发建设中的原生地面、扰动地面、非硬化路面、弃土弃渣体为主要研究对象,采用野外人工模拟降雨实验方法,对不同下垫面类型的产流、产沙、水动力学参数特征以及弃渣体防护措施进行研究,为进一步揭示矿区水土流失规律,探求新增水土流失模型以及人为水土流失防治途径提供了科学依据,具有重要的科学意义和实际应用价值。主要得出以下结论:(1)不同下垫面的径流率随降雨时间的延长呈先增大后趋于稳定波动的趋势,弃土弃渣体的径流率会出现突然变大而后急剧减小的现象。不同下垫面的产流能力大小顺序为:非硬化路面>弃土体>沙多石少弃渣体>沙少石多弃渣体>原生地面>扰动地面>煤矸石。(2)不同下垫面的径流含沙量和输沙速率均随着降雨强度的增大而增大,和降雨强度均呈幂函数相关。随着降雨时间的延长,原生地面、扰动地面、非硬化路面的含沙量在小坡度小雨强的情形下有逐渐增大的趋势,在大雨强大坡度条件下,呈先增大后减小的趋势。弃土弃渣体较为特殊,整体呈现减小趋势,在某个时间内会出现含沙量极大的现象,此时发生泥石流现象,致使水流的含水量极大,随后,含沙量急剧减小。不同下垫面的产沙能力大小顺序为:弃土体>沙多石少弃渣体>沙少石多弃渣体>非硬化路面>扰动地面>原生地面>煤矸石。(3)不同下垫面在不同降雨强度和坡度条件下的流速、雷诺数、水深、水流剪切力、水流功率均随着降雨强度的增大而增大,有良好的相关性,大都呈线性或者幂函数关系。(4)土壤剥蚀率主要和降雨强度、流速、水深、雷诺数、水流剪切力、水流功率的相关性显著,大都呈线性或者幂函数相关。弃土体和沙多石少弃渣体的土壤剥蚀率受流速的影响不大。(5)植草和鱼鳞坑处理均有减少径流的作用。2种防护措施均可以对坡面起到有效的固定作用,从而防止泥石流现象的发生。

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摘要 5-7ABSTRACT 7-14第一章绪论 14-32 1.1 论文选题目的、意义 14-15 1.2 国内外研究现状及分析 15-23 1.2.1 国内外关于煤矿开发建设中水土流失的研究 16-19 1.2.2 关于其他开发建设项目的水土流失研究 19-23 1.2.3 存在的主要问题 23 1.3 研究目标与内容 23-24 1.3.1 研究目标 23-24 1.3.2 研究内容 24 1.4 研究方法、技术路线与实验方案 24-32 1.4.1 研究方法 24 1.4.2 技术路线 24-25 1.4.3 实验设置 25-30 1.4.3.1 实验小区设置 25-26 1.4.3.2 实验小区 26-28 1.4.3.3 实验方法 28-29 1.4.3.4 试验场次 29-30 1.4.4 水动力学参数参数计算 30-32第二章神府东胜煤田概况 32-36 2.1 神府东胜煤田所处的位置 32-33 2.2 地质地貌及土壤 33 2.3 气候特征 33-34 2.4 植被 34 2.5 侵蚀特征 34-36第三章不同下垫面径流产沙和水动力学参数特征 36-87 3.1 原生地面径流产沙及水动力学参数特征 36-45 3.1.1 原生地面的产流特征 36-39 3.1.1.1 原生地面径流率随时间的变化过程 36-37 3.1.1.2 原生地面径流率与雨强和坡度的关系 37-38 3.1.1.3 原生地面初始产流时间 38 3.1.1.4 原生地面土壤水分变化 38-39 3.1.2 原生地面的产沙特征 39-41 3.1.2.1 原生地面径流含沙量随时间的变化 39-40 3.1.2.2 原生地面输沙速率与雨强和坡度的关系 40-41 3.1.2.3 原生地面径流对输沙速率的影响 41 3.1.3 原生地面水力因素变化特征 41-42 3.1.3.1 原生地面流速随降雨强度和坡度的变化 41-42 3.1.3.2 原生地面水深随降雨强度和坡度的变化 42 3.1.4 原生地面侵蚀水动力学参数变化特征 42-43 3.1.4.1 原生地面雷诺数随降雨强度和坡度的变化 42 3.1.4.2 原生地面水流剪切力随降雨强度和坡度的变化 42-43 3.1.4.3 原生地面水流功率随降雨强度和坡度的变化 43 3.1.5 原生地面侵蚀产沙与各个参数的关系 43-45 3.2 扰动地面径流产沙及水动力学参数特征 45-53 3.2.1 扰动地面的产流特征 45-48 3.2.1.1 扰动地面径流率随时间的变化过程 45-46 3.2.1.2 扰动地面径流率和雨强和坡度的关系 46-47 3.2.1.3 扰动地面的初始产流时间 47 3.2.1.4 扰动地面土壤水分变化 47-48 3.2.2 扰动地面的产沙特征 48-49 3.2.2.1 扰动地面径流含沙量随时间的变化 48 3.2.2.2 扰动地面输沙速率与雨强和坡度的关系 48-49 3.2.2.3 扰动地面径流对输沙速率的影响 49 3.2.3 扰动地面水力因素变化特征 49-50 3.2.3.1 扰动地面流速随降雨强度和坡度的变化 49-50 3.2.3.2 扰动地面水深随降雨强度和坡度的变化 50 3.2.4 扰动地面侵蚀水动力学参数特征 50-51 3.2.4.1 扰动地面雷诺数随降雨强度和坡度的变化 50-51 3.2.4.2 扰动地面水流剪切力随降雨强度和坡度的变化 51 3.2.4.3 扰动地面水流功率随降雨强度和坡度的变化 51 3.2.5 扰动地面侵蚀产沙与各个参数的关系 51-53 3.3 非硬化路面径流产沙及水动力学参数特征 53-62 3.3.1 非硬化路面的产流特征 53-56 3.3.1.1 非硬化路面径流率随时间的变化过程 53-54 3.3.1.2 非硬化路面径流率与雨强和坡度的关系 54-55 3.3.1.3 非硬化路面的初始产流时间 55 3.3.1.4 非硬化路面土壤水分变化 55-56 3.3.2 非硬化路面的产沙特征 56-58 3.3.2.1 非硬化路面径流含沙量随时间的变化 56-57 3.3.2.2 非硬化路面输沙速率与雨强和坡度的关系 57-58 3.3.2.3 非硬化路面径流对输沙速率的影响 58 3.3.3 非硬化路面水力因素变化特征 58-59 3.3.3.1 非硬化路面流速随降雨强度和坡度的变化 58-59 3.3.3.2 非硬化路面水深随降雨强度和坡度的变化 59 3.3.4 非硬化路面侵蚀水动力学参数特征 59-60 3.3.4.1 非硬化路面雷诺数随降雨强度和坡度的变化 59 3.3.4.2 非硬化路面水流剪切力随降雨强度和坡度的变化 59-60 3.3.4.3 非硬化路面水流功率随降雨强度和坡度的变化 60 3.3.5 非硬化路面侵蚀产沙与各个参数的关系 60-62 3.4 弃土体径流产沙及水动力学参数特征 62-69 3.4.1 弃土体的产流特征 62-63 3.4.1.1 弃土体径流率随时间的变化过程 62-63 3.4.1.2 弃土体径流率和降雨强度的关系 63 3.4.1.3 弃土体的初始产流时间 63 3.4.2 弃土体的产沙特征 63-65 3.4.2.1 弃土体径流含沙量随时间的变化 64 3.4.2.2 弃土体输沙速率与雨强的关系 64-65 3.4.2.3 弃土体径流对输沙速率的影响 65 3.4.3 弃土体水力因素变化特征 65-66 3.4.3.1 弃土体流速随降雨强度的变化 65 3.4.3.2 弃土体水深随降雨强度的变化 65-66 3.4.4 弃土体侵蚀水动力学参数特征 66-67 3.4.4.1 弃土体雷诺数随降雨强度的变化 66 3.4.4.2 弃土体水流剪切力随降雨强度的变化 66-67 3.4.4.3 弃土体水流功率随降雨强度的变化 67 3.4.5 弃土体侵蚀产沙与各个参数的关系 67-69 3.5 弃渣体产流产沙及水动力学参数特征 69-84 3.5.1 沙多石少弃渣体产流产沙及水动力学参数特征 69-75 3.5.1.1 沙多石少弃渣体的产流特征 69-70 3.5.1.2 沙多石少弃渣体的产沙特征 70-72 3.5.1.3 沙多石少弃渣体水力因素特征 72 3.5.1.4 沙多石少弃渣体侵蚀水动力学参数特征 72-74 3.5.1.5 沙多石少弃渣体侵蚀产沙与各个参数的关系 74-75 3.5.2 沙少石多弃渣体产流产沙及水动力学特征 75-82 3.5.2.1 沙少石多弃渣体产流特征 75-77 3.5.2.2 沙少石多弃渣体的产沙特征 77-78 3.5.2.3 沙少石多弃渣体水力因子特征 78-79 3.5.2.4 沙少石多弃渣体侵蚀水动力学参数特征 79-80 3.5.2.5 沙少石多弃渣体侵蚀产沙与各个参数的关系 80-82 3.5.3 煤矸石径流产沙特征 82-84 3.5.3.1 煤矸石的产流特征 82-83 3.5.3.2 煤矸石的产沙特征 83-84 3.6 小结 84-87第四章不同下垫面径流产沙和水动力学特征对比分析 87-96 4.1 不同下垫面产流特征对比 87-88 4.1.1 不同下垫面径流率对比分析 87-88 4.1.2 不同下垫面初始产流时间对比分析 88 4.2 不同下垫面产沙特征对比 88-90 4.2.1 原生与扰动地面的输沙速率对比 88-89 4.2.2 弃土弃渣体的输沙速率对比 89 4.2.3 现实条件中不同下垫面整体产沙趋势大小比较 89-90 4.3 不同下垫面水力因素特征对比 90-91 4.3.1 原生与扰动地面的水力因素对比 90-91 4.3.2 弃土弃渣体的水力因素对比 91 4.4 不同下垫面侵蚀水动力学参数对比 91-94 4.4.1 原生与扰动地面侵蚀水动力学参数对比 91-92 4.4.2 弃土弃渣体水动力学参数对比 92-93 4.4.3 不同下垫面水流剪切力趋势大小比较 93-94 4.5 不同下垫面侵蚀比例 94 4.6 小结 94-96第五章弃渣体防护效应 96-101 5.1 弃渣体防护条件下产流随降雨时间的变化 96 5.2 弃渣体防护条件下含沙量随降雨时间的变化 96 5.3 泥石流现象分析 96-97 5.4 防护措施对产流的影响 97-98 5.5 防护措施对产沙的影响 98-99 5.6 小结 99-101第六章结果与讨论 101-103 6.1 主要结论 101-102 6.2 主要问题和需进一步研究内容 102-103参考文献 103-111作者简介 111-113致谢 113

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