基于突变理论的沟谷型沙漠泥流堆积体起动特性研究

作     者：周兆书 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王之君;杨赟

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：黄河宁蒙段 沟谷型沙漠泥流 风水复合侵蚀 突变理论 起动模式 

摘      要：黄河上游宁蒙河段流经四大沙漠,风蚀水蚀严重。每逢冬春两季,强烈的风力侵蚀将大量沙漠粗沙、黄土等物质搬运至沿黄河两岸大量分布的山洪沟道内堆存。当雨季来临时,突发的暴雨在流域内形成季节性山洪,沿途裹挟堆存在山洪沟道内的堆积体,形成高含沙洪水乃至泥流灾害汇入黄河,对黄河的生态稳定以及健康发展造成严重影响。本文选取宁蒙黄河中卫河段的典型季节性山洪沟为研究对象,通过野外科学考察、模型试验,结合突变理论对沟谷型沙漠泥流堆积体的起动特性进行分析,探索沟道中堆积体被裹挟起动的力学机制。通过试验与突变理论的结合建立堆积体起动模型,寻找起动判据,将理论模型与试验进行对比验证,初步取得主要研究成果如下:(1)基于野外科学考察与相关资料的调研,结合水沙运动理论、渗流理论以及极限平衡理论等相关知识对沟谷型沙漠泥流堆积体的起动影响因素进行分析。从微观、介观与宏观三个角度建立泥流堆积体的起动模型。研究结果表明,泥流堆积体的颗粒级配、所处沟道的坡度、洪水强度与堆积体的密实度等因素是影响泥流堆积体起动的重要因素;泥流堆积体的起动过程具有突跳性与滞后性;拟合试验数据得出了上游来水渗流过程中堆积体内孔隙水压力与渗流量的经验模型。(2)以时间t为控制变量,孔隙水压力P为状态变量,通过对试验数据拟合建立了折叠突变模式下的泥流堆积体起动平衡方程,推导了折叠突变模式下的泥流堆积体起动模型;给出了由时间t为控制变量的泥流堆积体起动平衡判据;起动平衡判据与试验数据结果定量吻合。(3)以反映地形地貌因素与堆积体颗粒组的无量纲数为控制变量,以孔隙水压力为状态变量,通过坐标变换与拓扑变换推导建立了泥流堆积体起动的尖点突变模型。利用孔隙水压力的实测值与尖点突变模型的孔隙水压力计算值进行对比,计算结果定量吻合程度较好。根据所得模型推导出泥流堆积体在尖点突变模式下的起动判据,经试验数据验证,危险性判定结果与试验结果虽存在一定误差,但在允许范围内。本文运用突变理论研究沟谷型沙漠泥流的起动机制,成果可为黄河宁蒙河段防灾减灾、减少泥沙入黄提供理论依据;为沙漠泥流灾害的防治和预警预报提供了一种新思路和新方法,对优化区域内的泥沙灾害治理措施具有实践指导意义,对丰富干旱、半干旱区土壤侵蚀理论体系具有重要的研究价值,对丰富突变理论的应用领域具有积极意义。