急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性

通过人工模拟降雨试验对黄河中游多沙粗沙区沙黄土坡面薄层水流水动力学特性进行了试验研究,取得了以下结果:(1)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流流速随降雨历时的增加而增大,可用对数方程很好地描述,薄层水流流速与雨强和坡度呈正相关关系;(2)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流的平均水深随降雨强度的增加整体警平稳增长趋势,其变化过程均可用幂函数方程描述,而平均水深与坡度呈负相关关系;(3)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流雷诺数随降雨历时的持续整体呈递增趋势,雨强对雷诺数的影响较坡度更为显著,薄层水流不属于传统意义上的层流,而是处于层流失稳状态;佛汝得数随降雨历时的变化范围基本上都大于1,且随着降雨历时的延长而稳步递增,坡度对佛汝得数的影响比雨强更为显著,试验中薄层水流基本处于急流状态;(4)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流阻力系数随降雨历时的持续皆呈递减趋势.     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

表面张力对坡面薄层水流临界雷诺数的影响

[目的]探究坡面薄层水流流态判别时表面张力的作用。[方法]采用比较作用力大小的理论方法。在比较表面张力(未降雨条件下)在运动方向上的所体现的表面波阻力与黏滞力大小的基础上,基于相关文献试验及数值模拟结果,分析波长、波高与水深的定量关系。[结果](1)层紊流判别临界雷诺数与弗劳德数、滚波波长、波高有关。(2)滚波发生条件(Fr≥2),坡面薄层水流临界雷诺数大于明渠水流临界雷诺数。[结论]滚波发生后坡面薄层水流临界雷诺数最大值为明渠水流的1.187 5倍。     

基于边缘检测算法的坡面薄层水流深度测量系统研制

为了准确高效地测定坡面薄层水流断面位置上的水深，该研究利用"一"字线激光器、高分辨率工业摄像机获取激光线边缘像素点坐标数据，基于Python语言与OpenCV计算机视觉库进行边缘检测算法编程，通过分析、计算薄层水流表面激光线偏移量与水深间的函数关系，构建坡面薄层水流深度测量系统，并利用人工测量方法（测针法与染色法）对该系统测定结果的精确性与稳定性进行验证。结果表明，坡面薄层水流深度测量系统对标准水深进行标定的变异系数均值为6.64%，具有较高的稳定性；在光滑床面上的测定结果与人工测量方法相比，相对均方差误差、平均相对误差与平均绝对误差均不超过0.2，水深测量系统与测针法、染色法对比所得纳什效率系数分别达到了0.922与0.972，说明水深测量系统与人工测量方法具有较好的一致性与相关性，能够满足定床测量坡面薄层水流深度的需求，在坡面水动力学研究中具有较好的应用前景。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

黄土坡面土壤侵蚀动力过程试验研究

通过玻璃水槽试验和径流冲刷试验 ,初步研究了陡坡坡面水流的流速分布和坡面薄层水流冲刷剥离土壤的过程。研究表明 :陡坡薄层水流流速在坡面上并非是呈直线分布 ,而是呈波浪式分布的 ;坡面水流的剥蚀率(Dr)与坡面径流通过坡面的能量损耗 (ΔE)的关系比其与坡面水流的平均切应力 (τ) 的关系密切 ,建立了黄土坡面土壤剥蚀率估算模型 ,利用这个关系可以直接得到土壤抗蚀性参数和细沟发生的临界能耗条件     

缙云山典型植物群落次生演替中土壤抗冲性研究

通过原状土冲刷试验,研究了缙云山10种存在次生演替序列的典型植物群落坡面薄层水流的水力学参数特征及侵蚀产沙量的变化。研究结果表明：（1）在1,1．5,2L／min放水流量下,植物群落间坡面薄层水流的侵蚀产沙量大多存在极显著的差异;（2）坡面薄层水流的雷诺数和弗汝德数有随放水流量增大而增大的趋势,但其流型和流态保持不变;（3）由坡面产沙量与径流切应力的概念模型并结合产沙量和径流切应力的试验数据,确定10种植物群落土壤的临界切应力以评价植物群落土壤的抗冲性强弱（抗冲性由强到弱的顺序为：白茅〉栲树〉四川大头茶〉香樟〉润楠〉慈竹〉杉木十香樟〉毛竹〉马尾松十香樟〉马尾松）;随着植物群落由低级向高级的演替进程,土壤抗冲性总体呈增强趋势;（4）通过土壤抗剪强度预测临界切应力的模型,在野外可快速、较准确地判断土壤抗冲性的强弱。     

坡面土壤剥蚀率及其与水流含沙量的关系研究

为研究天然降雨条件下坡面土壤剥蚀率及其与水流含沙量的关系,通过在野外15°径流小区分多层多区段同时布设不同稀土元素进行连续天然降雨试验.结果表明:距坡顶4 m坡段内的土壤剥蚀率在首次产流初期相对较大;随着坡面下部细沟的出现,距坡脚2 m的坡段内,水流剥蚀逐渐以细沟流剥蚀为主,土壤剥蚀率在整个坡面内最大;坡面各段土壤剥蚀率的变化过程同降雨强度的变化趋势基本一致;在次降雨过程及全年的降雨中坡面各段土壤剥蚀率随水流含沙量的增加呈幂函数递增.     

黄土坡面薄层流侵蚀过程试验研究

研究黄土坡面薄层流侵蚀过程对于深化黄土坡面土壤侵蚀过程有重要意义.采用人工模拟降雨试 验方法,对黄土坡面薄层流侵蚀过程进行了研究.(1)不同雨强条件下,薄层流侵蚀随降雨过程的变化相似,都随降雨历时的增长呈递增趋势,可用幂函数方程进行描述;(2)不同坡度条件下,薄层流侵蚀模数皆随雨强的增大而增大,可用线性相关方程进行描述;(3)不同雨强条件下,薄层流侵蚀模数随坡度的增加总体呈先增大后减小的趋势,侵蚀模数随坡度变化的关系可以用对数线性相关方程进行描述;(4)不同雨强条件下,薄层流侵蚀随坡长的增加可用对数线性方程进行描述;(5)不同雨强、坡度、坡长条件下,坡面薄层流侵蚀变化可用三元线性经验方程表述.其中降雨强度对侵蚀的影响最大,其次是坡度,坡长对其的影响最小.     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

模拟自然条件下黄土区坡地的大气、土表及土壤水交互作用的动力学模型及其应用

The mechanism of atmospheric,surface and soil water interactions( water transformation) in hillslope under natural conditions was analyzed,and a dynamic model was developed to simulate infiltration,overland flow and soil water movement during natural rainfall in hillslope,by bringing froward concepts such as rainfall intensity on slope and a correction coefficient of saturated soil water content for soil surface seal.Some factors,including slope angle,slope orientation and raindrop inclination,which affect the rainfall amount on slope, were taken into account while developing the dynamic model.The effect of surface seal on infiltration and water balance under a boundary condition of the second kind was aslo considered. Application of the model in a field experiment showed that the model simulated precisely the infiltration,overland flow and sol water monvement in hillsope under natural rainfall conditions.     

经济林地坡长对侵蚀产流动态过程影响的模拟试验研究

经济林经营是低丘缓坡土地利用的主要方式之一,对经济林坡地水土流失问题的研究已是南方水土保持工作的重中之重.为了研究低丘缓坡经济林地坡长对坡面侵蚀产流过程的影响规律.本研究以浙江省常山县胡柚林地为例,通过野外人工模拟降雨试验法,分析探讨了该经济林地的侵蚀产流情况.得结论如下:(1)相同坡长下,当雨强大于或等于1.8 mm/min时,累积径流量增幅较大;降雨12 min后,各雨强累积径流量增幅均较明显;随着坡长的延长其对坡面累积径流量的影响逐渐明显.(2)该经济林地坡面径流量随坡长呈每隔4m有规律的起伏变化,该结果启示我们,在坡面栽植经济林时.沿坡长按每隔4 m的规律进行布局.能有效减缓坡面径流的产生.(3)相同坡长坡面产流量随雨强增大总体上呈增加趋势,雨强1.45 mm/min大约是该地区经济林地侵蚀性降雨的分界点.(4)土壤初始含水率、雨强以及坡长对产流量的综合影响可以用线性相关方程描述,其中降雨强度对产流量的影响最大.愿此研究结论能为经济林坡地水土流失的防治提供借鉴.     

模拟玉米茎秆流对土壤侵蚀的影响

玉米茎秆流是降雨过程中经玉米冠层截留后沿茎秆流向根部的水量,是种植坡地地表径流的重要组成部分,对植物根部的土壤侵蚀过程具有重要影响。采用人工模拟降雨方法,研究了成熟期玉米茎秆流对坡地土壤侵蚀的影响。试验土槽长为0.40 m、宽为0.23 m、深为0.14 m;采用直径为2 cm的PVC管模拟成熟期玉米茎秆,高度为1.2 m;模拟茎秆流量为5,10,15 g/s,用相同降雨条件下无茎秆流坡地作为对照措施;降雨强度为60,90,120 mm/h,降雨历时108 min,坡度为10°。结果表明:(1)与对照措施相比,茎秆流具有加快坡地地表产流的作用;(2)模拟茎秆流条件下地表产流量和产沙量均高于对照,相较无茎秆流坡地,3个降雨强度下各茎秆流量的产流贡献率为14.90%~43.10%,产沙贡献率为12.47%~26.75%;(3)茎秆流在茎秆周围地表形成细小股流,促使坡地土壤侵蚀过程由面蚀向细沟侵蚀转变,从而增加了坡地土壤侵蚀量。因此,在坡地水土流失计算与评价中应考虑茎秆流的土壤侵蚀作用。     

黄土区草地坡面片流阻力系数试验研究

阻力系数是坡面流水动力学参数之一,是反映坡面流水力学特性的重要特征值。通过室内人工模拟降雨试验,研究了不同雨强(0.7,1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)和坡度(7°,10°,15°,20°,25°)下,黄土区草地坡面片流阻力系数随雨强和坡度的变化特征。结果表明:(1)不同雨强和坡度下,草地坡面片流阻力系数随降雨历时的变化均呈先波动减小,后逐渐趋于稳定的趋势,且变化过程均可用二次多项式进行描述,相关性显著,决定系数0.5以上。(2)草地坡面片流阻力系数随雨强的增加而逐渐增大,可用指数方程描述,决定系数0.8以上;而片流阻力系数随坡度的增加而减小,可用对数方程描述,决定系数0.6以上。(3)草地坡面次降雨平均片流阻力系数对雨强及坡度的综合响应关系可用二元指数函数描述,决定系数0.923,且雨强对草地坡面片流平均阻力系数的影响大于坡度对阻力系数的影响。研究结果为草地坡面水流动力学特性及草地植被的阻流机制提供参考和理论基础,对于深刻认识黄土区草地坡面侵蚀动力和生态建设具有重要意义。     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

自然及管理因素对伊犁河谷草地土壤水分动态的影响

[目的]研究自然及管理因素下草地土壤水分变化特征,为退化草地的生态恢复提供科学参考。[方法]通过定点监测12个坡面小区,利用TDR水分测定仪及其探头测定灰钙土和棕红土两种退化草地坡面表层0—10 cm的土壤含水量,采用数据对比分析和统计分析相结合的方法,分析降雨、气温、坡位等自然因素和灌溉、土壤管理因素对坡面表层土壤水分动态变化的影响。[结果]降雨和气温对表层土壤含水量的变化有显著性影响,不同降雨量对表层土壤含水量的影响不同;坡位对草地坡面表层土壤含水量没有显著性影响;棕红土持水性强,表层土壤含水量高于灰钙土;各管理措施中,水平沟处理能够在降雨后最大化的增大表层土壤含水量,枯草覆盖处理能显著减缓降雨后表层土壤含水量的下降速率。不同集雨补灌方式下,表层土壤含水量差异不明显,但集雨补灌措施可以在短时内提高表层土壤含水量。[结论]表层土壤水分主要受降雨、管理等因素的控制,能够通过人为管理调控土壤水分,从而达到植被恢复的目的。     

雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响

基于流体力学和水力学基本理论,通过6个糙度、5个流量和5种雨强组合条件下的放水冲刷和模拟降雨试验,研究雨强和糙度对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:在坡面薄层水流中,床面糙度对坡面流阻力有"增阻"效应,但在粗糙尺度为1.77 mm时产生拐点;降雨条件下,坡面流自由表面失稳的动态演化过程显著,其波动临界条件为黏深比0.382 4、0.599 3,在整个动态过程中阻力系数都随着降雨强度增加而减小;结合黏滞阻力、雨强阻力构建层流过渡区阻力计算公式,决定系数为0.92(P0.05),可以较好地为坡面流模型的建立提供参考依据。研究成果有助于从泥沙运动力学的角度揭示坡面流层流失稳的本质,为坡面流理论的发展奠定基础。