[发明专利]一种淤地坝布设对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法

说明书

本发明属于水土保持技术领域，涉及一种淤地坝布设对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法。该方法包括a、建立小流域模型；b、用三维激光地形扫描仪对小流域模型进行扫描，获得初始地形的点云数据；c、模拟降雨；在模型出口接取泥沙样本；d、降雨结束后，用三维激光地形扫描仪对小流域模型再次进行扫描，获得山洪过后的地形点云数据；e、计算得到小流域土壤侵蚀‑沉积的空间分布数据；分析小流域各个断面山洪的水动力、侵蚀动力特征；f、改变淤地坝布设方式，重复上述步骤，得到不同淤地坝布设下小流域土壤侵蚀‑沉积的空间分布数据，分析各个断面山洪的水动力、侵蚀动力特征。该方法为定量分析淤地坝对暴雨山洪的影响提供了一种有效方法。

技术领域

本发明属于水土保持技术领域，具体涉及一种淤地坝布设对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法。

背景技术

近年来全球气候变暖导致极端降水事件增加，暴雨频次的增高和强度的增大，致使流域暴雨山洪发生频次和风险大大增加，不仅严重影响山区群众的正常生产和生活，阻碍社会经济的发展，还会造成流域、河流和土壤结构的改变。

山洪的形成和发展受多种因素复合影响，涉及降水、地形、土壤类型和人类活动等，它们相互作用、相互影响，对山洪的爆发起到推动或抑制作用。淤地坝作为一种重要的水土保持工程措施，对于改变小流域地形和蓄水拦泥起了很大作用，同时在山洪演进过程中，受淤地坝的阻挡，部分动能被损耗，还有一部分动能会转化为势能，造成洪泛区淹没深度的增加，因此淤地坝的布设对小流域山洪的发展及演进过程具有重要影响。

受试验方法和技术手段的限制，目前对于暴雨山洪过程的研究多是基于水文模型的数值模拟，而对小流域暴雨山洪过程对淤地坝配置的响应机制识别尚缺乏科学的方法加以指导。因此，有必要专门针对不同淤地坝布设情景下的山洪形成演进过程提出实体模拟及对比量化方法，为揭示流域暴雨山洪孕灾环境及成灾机理提供科学、可靠的指导，为科学评价淤地坝措施调控山洪过程的效应提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种实用、有效，既能够获取无淤地坝条件下的山洪过程，又能够获取单坝、多坝等不同淤地坝配置情景下暴雨山洪过程的模拟试验方法。本发明方法综合利用人工模拟降雨系统、小流域实体模型系统和淤地坝实体模型系统，不仅能够定量分析淤地坝影响下的山洪动力分布和产流产沙的时序变化过程，而且能够量化山洪作用下小流域的地形冲淤变化。

本发明提供一种淤地坝布设对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤：

a、建立小流域模型：

按照比尺制作满足相似性要求的小流域模型；

按照从野外小流域模型的原型地取土，置于混凝土板和砖垛围成的试验槽内分层装填、压实，控制土壤容重与原型流域土壤容重一致；

制作模型小流域地形，根据模型原型小流域尺寸、形状、地形和沟道分布，按照比尺对模型进行挖沟、削坡、平整、表层压实等处理；

根据试验需要在小流域模型沟道中的适宜建淤地坝位置(一般在沟道口建坝，以控制整条沟道的来沙，如果多条沟道级联，通常在级联的交汇处下游也会布置坝)布设淤地坝模型，淤地坝模型按照大型淤地坝的实际结构，由坝体、溢洪道、竖井和消力池四部分组成。坝体采用与小流域模型相同的土壤制作，分层压实，达到设计高程后，坝坡进行削坡处理。在坝体地势较好一侧开挖溢洪道，用土将结合部位填实，并用混凝土修筑溢洪道。竖井采用pvc管拼接而成，沿井壁垂直方向每隔2.5cm设置一组4个放水孔，放水孔直径为4cm，相对交错排列。在每处淤地坝上方设置支架；

在小流域模型出口处设置2～3米的明渠并连接一蓄水池，蓄水池的尺寸根据需承接的降雨量设计，一般其体积应为其承接最大降雨量的1.2～1.5倍；

在小流域模型的上方安装人工模拟降雨系统，通过计算机控制系统调节降雨的强度和时间，以模拟不同情况下的暴雨过程；在小流域模型的四周放置定位球，在模型正上方的人工模拟降雨系统上架设三维激光地形扫描仪，用以定量观测地形变化；通常情况下定位球设置3个即可，定位球数量越多，定位越精准。