伊犁河流域坡面径流侵蚀试验研究

通过野外径流小区实地放水冲刷试验,研究伊犁河流域大豆坡地与裸地在不同放水条件下土壤水分变化及大豆减流减沙效应,并运用水力学理论分析坡面径流水力学参数特征。结果表明:大豆与裸地土壤入渗率随放水流量的增加呈现递增的趋势,与裸地相比,大豆坡面入渗率增加20%,产沙时间晚于裸地8 min左右;大豆坡面较裸地具有显著的减流减沙效应,输沙率减少93.6%,径流系数减少63.5%左右,其削减径流作用明显弱于减沙效应;随着放水流量的增加,大豆与裸地输沙率均呈递增趋势;坡面径流平均流速、径流深、雷诺数、Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,弗劳德数逐渐减小,流速与流量呈幂函数关系,水流为层流、急流状态。     

砒砂岩地区坡面径流水动力学特性研究

【目的】研究砒砂岩地区坡面径流的侵蚀规律,为该地区坡面水蚀预报模型的建立提供理论依据。【方法】在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的西召沟内,选取典型的砒砂岩沟坡,采用野外实地放水冲刷试验,对不同冲刷流量(100,150,200,250,300 L/h)和坡度(5°,15°,25°,35°)下砒砂岩坡面径流的水动力学特性进行研究。【结果】在试验的冲刷流量和坡度范围内,砒砂岩地区坡面径流流速均随冲刷流量和坡度的增加而增大,它们之间呈幂函数关系。坡面径流雷诺数(Re)为58.55~442.85,且Re随冲刷时间的延长有增大的趋势。坡面径流弗罗德数(Fr)为0.738~2.281,且Fr随着冲刷流量和坡度的增加而增大。当冲刷流量和坡度较小时,径流流态为层流和缓流;当流量和坡度较大时,径流流态为层流和急流。坡面径流Darcy-Weisbach阻力系数(f)与冲刷流量和产沙量呈反比关系。【结论】相对于其他地区,砒砂岩地区坡面径流水动力学特性有其独特的特征,研究结果可以进一步揭示该地区坡面侵蚀产流产沙机理及侵蚀动力学机制。     

地表坡度对坡面溶质随薄层水流迁移特征的影响

通过上方来水模拟薄层水流冲刷试验,研究了地表坡度对红壤坡面产流、产沙及非吸附性离子(Br-)迁移过程的影响.结果表明:起始产流时间随地表坡度增大呈递减趋势;坡度对产流规律和产流总量影响并不显著.坡面径流泥沙含量随产流时间呈半正弦波衰减趋势;坡度越大,周期越短,波幅越大;泥沙流失总量与坡度呈幂函数递增关系.薄层水流冲刷作用下坡度对土壤溴迁移特性影响显著;随着坡度增大,径流澳浓度随之增大,澳的流失方式由淋溶损失为主逐步转变为径流流失为主.     

草地坡面径流侵蚀产沙过程模拟试验研究

[目的]研究草地坡面径流侵蚀产沙过程模拟试验。[方法]通过放水冲刷模拟试验对内蒙古自治区达茂旗草原土壤侵蚀特性进行系列分析,研究土壤侵蚀产沙过程和机理。[结果]变坡径流平均流速随径流量和坡度的增大呈波动趋势增加;坡面径流平均输沙率和平均剪切力均随流量的增加波动增加,随坡度的增加而呈抛物线形式变化,临界坡度值出现在25°左右,流量对输沙率的影响大于坡度因素的作用;坡面径流平均输沙率与平均剪切力之间有良好的线性关系。[结论]该研究为建立我国草原区土壤侵蚀预报提供理论依据。     

土壤剥蚀率与水流剪切力关系室内模拟试验

为了验证土壤剥蚀率模拟公式,系统地研究土壤剥蚀率与坡度和流量、水流剪切力之间的关系,在较大坡度(3°～30)°和流量(2.5～6.5L·min-1)范围内进行了径流冲刷试验。结果表明:土壤剥蚀率是坡度和流量的幂函数,随着坡度和流量的增大而增加;坡度和流量与土壤剥蚀率之间呈显著相关关系,流量对土壤剥蚀率的影响明显大于坡度;土壤剥蚀率随着水流剪切力的增大而增加,两者呈幂函数关系,利用水流剪切力可以更准确的预测土壤剥蚀率。     

神府东胜煤田开发建设中扰动地面产流产沙试验研究

采用野外放水冲刷实验的方法,对扰动地面产流产沙规律进行了研究。结果表明:(1)平均产流时间和平均产流量均与坡度不相关,平均产流时间与放水流量呈幂函数关系,平均产流量与放水流量呈二次函数关系。(2)当放水流量为10 L.min-1时,产沙量与坡度呈线性关系,其它放水流量下,产沙量与坡度均呈对数关系;坡度为5°时,产沙量与放水流量呈幂函数关系,坡度为10°和18°时,呈线性关系,产沙量与径流量呈对数函数关系,放水流量是影响产沙量的主要因素。(3)产沙率随放水时间呈减小趋势,大约在前6 min内,产沙率呈增大趋势,达到一个峰值后迅速减小(6~15 min内)。     

喀斯特地区坡耕地径流水动力学特征研究

为研究喀斯特地区坡耕地在不同条件下的水动力学特征,通过野外径流模拟试验分析在不同坡度和不同流量下的细沟径流侵蚀过程,深入研究细沟径流侵蚀过程中的径流水动力学特征。研究结果表明：流速随坡度的增大而上升,但两者相关性不明显;雷诺数(Re)随坡度的增大而减小,弗劳德数(Fr)和阻力系数(f)均随坡度的增大而增加;南明区、青岩和修文的雷诺数(Re)与弗劳德数(Fr)呈显著负相关关系(P<0.01)。研究结果对于认识不同坡度与不同流量下细沟径流侵蚀过程中的径流水动力学特征有重要意义,为喀斯特地区坡耕地土壤侵蚀与防治提供一定参考依据。     

黄土丘陵区坡面薄层水流动力学特性及其对土壤侵蚀的影响

为奠定基于运动力学参数构建土壤侵蚀模型的理论基础,通过不同降雨强度(25、50和75 mm/h)、不同坡长(1、5、10、15和20 m)下径流小区内人工模拟降雨试验,对不同处理下坡面薄层水动力学特性进行分析,并对水动力学参数与土壤侵蚀之间的关系进行初步探讨。结果表明:当坡度一定时,坡面平均流速主要受坡长及单宽流量影响,降雨强度通过影响单宽流量的大小间接影响坡面平均流速;在试验设计范围内,当坡长1 m时,整体上呈"层流-急流态",当坡长为1 m时,整体上呈"层流-缓流态";当降雨强度一定时,雷诺数随着坡长的增加线性增加,佛汝德数随着坡长的增加以幂函数形式增加;降雨强度对坡面流有明显的"增阻"效应;坡面阻力系数随着坡长的增加呈幂函数减小趋势;坡面平均土壤侵蚀率与单宽流量间呈一元线性趋势增加,与水流平均流速间呈指数函数增加,与雷诺数间呈二次函数增加。     

模拟降雨条件下黑麦草覆盖度对褐土坡面径流流速的影响

为研究褐土坡面径流流速受坡面黑麦草覆盖度的影响,在2 个雨强(0.5、1.0 mm/ min)和2 个坡度(10?、20?) 条件下人工模拟降雨,分析研究了5 个不同黑麦草覆盖度(0、20%、40%、60%、80%)对坡面径流流速的影响。结 果表明:坡面径流流速随降雨历时延长而增加,最后达到稳定流速。坡面流的稳定流速与雨强和坡度呈正相关,与 黑麦草覆盖度呈负相关。60%的坡面草覆盖度是一个拐点,高于此拐点时,坡面径流的流速差异较小,且坡度对流 速的影响不十分显著。以黑麦草覆盖度拐点为界,分2 段拟合了坡面流的稳定流速(V)与草覆盖度(C)、雨强(R)、 坡度()的方程:在草覆盖度臆60% 时,V = 47.75(1 - C)0.27 (sin)0.13 R0.56 (R2 = 0.97);在草覆盖度 60% 时,V = 24.15(1 - C)0.13 (sin) -0.01 R0.49 (R2 =0.98),2 段统计关系相关性十分显著。      

川中丘陵区紫色土坡耕地土壤侵蚀特征

通过径流小区定位观测,研究了川中丘陵区坡耕地土壤侵蚀特征。结果表明,坡面径流量和土壤侵蚀量年际间存在差异;随着坡度的增加,坡面径流量和土壤侵蚀量呈增加的趋势。多元回归分析表明,降雨量与坡面径流深、土壤侵蚀量之间存在显著的线性关系;而降雨强度、降雨历时与土壤侵蚀量分别存在着显著的幂函数和二次函数关系。主成分分析表明,降雨量和降雨强度为坡耕地主要的土壤侵蚀因子,降雨历时对土壤侵蚀的贡献率随坡度的增加逐渐加强。     

降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性

为研究降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性,在重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站开展陡坡定床冲刷及人工模拟降雨试验,实测5种流量(0.486×10-3~1.736×10-3 m3/(s·m))和3个典型降雨强度及无降雨条件下(0、30、60、100 mm/h),受4种不同粗糙度影响(0.009、0.180、0.250、0.425 mm)下的坡面流的水深和流速,计算并研究不同工况下的平均流速、流速修正系数、流态指数、流态及坡面流阻力等水动力参数特征,结果表明:1)水流的平均流速随着单宽流量的增大呈幂函数增加,随粗糙度的增加而减小,无降雨时的流速修正系数为0.04~0.37,降雨时为0.42~0.98,降雨对坡面流起到扰动作用。2)流态指数范围为0.291~0.538,无降雨时,流态指数随着粗糙度的增加而明显减小,其减小程度分别为21%、28%和39%;中小雨强时,流态指数无明显规律,雨强为30 mm/h时,变化程度分别为18%、-29%和12%,雨强为60 mm/h时,变化程度分别为12%、-17%和-16%;大雨强时,流态指数呈现出较为明显下降的趋势,其变化程度分别为-6%、1%和-11%。3)水流雷诺数为500~2 000,所有实验工况下水流流型均属于层紊流过渡区;水流流态整体趋于急流状态;无雨时,粗糙度与流态关系明显,其值越小水流越趋近急流,而降雨时,由于降雨的扰动作用二者不再具有相关关系。4)坡面流达西阻力系数与粗糙度呈正相关关系,与单宽流量呈负相关关系,考虑雨强影响的坡面流阻力计算公式与剔除雨强的公式相比,相关系数下降0.01%,降雨对阻力系数无显著影响。      

黄土高原小流域出口断面水力几何模型

流域出口断面水力几何关系能够为流域水文模型参数获取、洪水过程演变及灾害预警提供辅助工具。以黄土高原丘陵沟壑区桥子西沟和桥子东沟2水土流失对比流域为研究对象,首先采用幂函数、自然对数函数和二阶对数函数模型分别拟合桥子西沟流域1987—2006年出口断面水文观测数据,应用模型决定系数(R2)和模拟残差平方和(RSS)评价3种模型拟合结果,优选平均流速-流量、水面宽-流量与平均水深-流量的水力几何模型。然后将桥子西沟流域观测数据随机分为2部分:1987—2002年共594组数据用于率定优选模型,2003—2006年共362组数据用于验证。采用均方根误差(RMSE)、模型效率系数(E)以及图形拟合等手段评价各优选模型的有效性。桥子西沟流域模型率定及验证结果表明:平均流速-流量和平均水深-流量关系适用于自然对数函数表达(RMSE值为19.89%和30.70%,E值为0.59和0.84),而水面宽-流量关系则适用于二阶对数函数表达(RMSE=3.84%,E=0.87)。进一步应用桥子东沟流域1987—2006年出口断面共1 006组观测数据验证各优选水力几何模型在相似流域的适用性,结果表明:平均水深-流量关系拟合效果优于桥子西沟流域,而平均流速-流量和水面宽-流量关系拟合优度稍逊于桥子西沟流域。该研究为黄土高原地区小流域洪水监测与预报提供基础。      

臂坡对堰槽组合设施测流影响分析

针对堰槽组合设施在遭遇洪水、水位较高时引发的坡脚掏蚀、岸坡冲刷崩塌等问题，将设施两侧堰顶设置一定坡度，形成向槽内倾斜的臂坡，使水流向设施中部集中，减少对两岸边坡的冲蚀。采用水力性能试验的方法，对3种臂坡(0，1/16和1/8)在12种流量(6~61 L/s)条件下的中垂面水深、弗汝德数沿程变化规律、臂坡对设施泄流能力的影响及流量公式进行研究。结果表明:1)3种臂坡下的堰槽组合设施水深沿程变化相似，随着臂坡的增大，中垂线上游水位壅高增大，两侧堰靠近岸坡一侧的堰上水深减小，明显减少了水流对两岸边坡的冲蚀；2)臂坡对临界流断面位置影响较小，集中出现在排淤量水槽梯形窄段的后半段；同一流量下，堰槽组合设施的流量系数随臂坡的增大而减小；同一臂坡下，堰槽组合设施的流量系数随着流量的增大而减小；3)相对水头较小时，流量系数变化明显，相对水头较大时，流量系数相对稳定，将流量系数分为变动流量系数和稳定流量系数2个区，并分别拟合出不同臂坡条件下的流量计算公式，与实测流量相比，臂坡为0、1/16和1/8时，相对误差绝对值的最大值分别为2.22%、2.37%和2.21%，平均相对误差分别为0.88%、0.95%和1.15%。此外，在流量为11 和21 L/s时，臂坡的增大使得流量公式计算值的相对误差由-2.22%降至-0.44%和由2.35%降至-0.24%。综上，臂坡的存在能够减少水流对两岸边坡的冲蚀，对临界流断面的影响较小，增大臂坡还可有效提高堰槽组合设施在小流量情况下的测量精度。     

节制闸开度对分水口流速分布的影响

研究节制闸在调节分水口水位和流量时,闸门开度对分水口附近流速和泥沙分布的影响.采用梯形渠道分水口水力特性试验和数值模拟相结合的方法,对不同闸门开度下闸前主渠道沿程水深的变化规律及闸门开度对分水口附近流速的影响进行研究.结果表明:1)主渠道水深模拟值和实测值的决定系数R2、纳什系数NSE和均方根误差RMSE分别为0.89...     

草被覆盖下坡面流土壤侵蚀水动力学特征

坡面侵蚀为水流和土壤互作过程,描述坡面流基本水力学特征,阐明土壤分离情况与坡面流侵蚀水动力学间关系,对了解坡面流侵蚀过程及治理坡面水土流失具有重要意义。以北京市山区野外径流小区不同植被密度、植物布设方式坡面为研究对象,以5°坡为例,在不同流量(1.0、2.0和3.0 m~3·h~(-1))下作放水冲刷试验,描述各坡面水力学及侵蚀水动力学特征,分析坡面土体土壤分离速率与水动力学参数关系。结果表明,径流雷诺数随径流冲刷流量增加而增加,植被密度对坡面流流态作用明显,植株布设方式对雷诺数影响较小;弗劳德数对其过程表征作用不显著;各坡面土壤分离速率为流量增函数(R~20.916),总体随冲刷时间延长波动性先增后减,土壤分离速率动态变化随植株布设密度增加而增加,行排列坡面抗蚀性差;径流剪切力和水流功率可与坡面土壤分离速率线性拟合,均呈线性正相关。研究结果为探究坡面流土壤侵蚀机理及治理方法提供依据。     

标准坡面人工草地减流减沙效应及其坡面流水力学机理研究

通过放水冲刷实验,研究草地与裸地坡面土壤水分入渗及产流产沙过程,分析草地减流减沙效益,并从水力学特性剖析草地调控水沙的机理.结果表明:①裸地与草地坡面土壤水分入渗过程均符合Horton入渗公式i=ic＋(i0－ic)e－kt;与裸地相比,草地入渗率增加40％,产流时间推迟2.5 min,径流系数减少28.3％,输沙率减少78.4％.②裸地坡面输沙过程呈高—低—高变化趋势,而草地呈现先增后减趋势.③草地坡面流属于层流中的缓流流态,裸地则属于过渡流的急流流态,说明草地坡面抵抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地;草地可明显降低径流流速,增加阻力系数和曼宁糙率系数,但对径流深度影响不明显.      

低佛氏数水跃紊流数值模拟研究

【目的】研究低佛氏数(Fr₁)水跃紊流的水力特性。【方法】采用VOF方法处理闸门上、下游表面,用二维RNG型k-ε紊流数学模型,对低佛氏数（Fr₁=2.0～4.5）水跃紊流进行数值模拟,研究了不同低佛氏数水跃的跃后水深、水跃长度及流速分布,分析了水跃区及其下游明渠流区压强、紊动能、耗散率和水跃消能率的特性。【结果】淹没系数大于1.2时,水跃长度均大于其他经验公式计算的水跃长度,且水跃长度增幅随佛氏数的增加而增大。水跃区断面各点时均流速最大值沿程减小;跃后明渠流区,断面各点平均流速沿程无明显变化。水跃区主流与漩滚交界处附近,特别是泄水闸门附近的紊动能及耗散率均最大。随着佛氏数的增加,理论和实际消能率均增大,且理论消能率大于考虑了跃后紊动能的实际消能率。【结论】低水头水利枢纽泄洪功率较大,应充分考虑低佛氏数水跃实际消能率低的水力特性,设计合理的消能设施以解决其消能防冲问题。     

Effects of sediment load on the abrasion of soil aggregate and hydraulic parameters in experimental overland flow

The breakdown of soil aggregates under rainfall and their abrasion in overland flow are important processes in water erosion due to the production of more fine and transportable particles and, the subsequent significant effect on the erosion intensity. Currently, little is known about the effects of sediment load on the soil aggregate abrasion and the relationship of this abrasion with some related hydraulic parameters. Here, the potential effects of sediment load on soil aggregate abrasion and hydraulic parameters in overland flow were investigated through a series of experiments in a 3.8-m-long hydraulic flume at the slope gradients of 8.7 and 26.8%, unit flow discharges from 2×10~(–3) to 6×10~(–3) m~2 s~(-1), and the sediment concentration from 0 to 110 kg m~(–3). All the aggregates from Ultisols developed Quaternary red clay, Central China. The results indicated that discharge had the most significant(P0.01) effect on the aggregates abrasion with the contributions of 58.76 and 60.34%, followed by sediment feed rate, with contributions of 39.66 and 34.12% at the slope gradients of 8.7 and 26.8%, respectively. The abrasion degree of aggregates was found to increase as a power function of the sediment concentration. Meanwhile, the flow depth, friction factor, and shear stress increased as a power function along with the increase of sediment concentration at different slope gradients and discharges. Reynolds number was obviously affected by sediment concentration and it decreased as sediment concentration increased. The ratio of the residual weight to the initial weight of soil aggregates(Wr/Wi) was found to increase as the linear function with an increasing flow depth(P=0.008) or Reynolds number(P=0.002) in the sediment-laden flow. The Wr/Wi values followed a power function decrease with increasing friction factor or shear stress in the sediment-laden flow, indicating that friction factor is the best hydraulic parameter for prediction of soil aggregate abrasion under different sediment load conditions. The information regarding the soil aggregate abrasion under various sediment load conditions can facilitate soil process-based erosion modeling.     

柔性衬护阶梯式溢洪道过水试验与水力特性分析

对用土工膜做成的柔性阶梯式底板溢洪道模型进行了泄水试验研究,初步分析了这种特殊结构形式溢洪道泄槽中水深、流速、消能率的特点和规律。与常规平底泄槽相比,土工膜柔性阶梯式底面泄槽的消能效果明显,降低了泄槽下游的流速,但消能率随着流量的增大而减小,反映出在流量较大时,阶梯对水流流态的影响减小;与混凝土阶梯式溢流面相比,由于土工膜柔性阶梯式溢流面的底坡较缓,台阶的水平长度明显大于其台阶高度,其溢流坝面下游最大流速以及泄槽内沿程水深的变化规律与已有的混凝土阶梯式溢流面试验结果有所不同。据此,提出了泄槽中沿程水深的修正估算方法。