不同人工糙率床面水力学特性的试验研究

采用变坡试验水槽,研究了不同流量,不同坡度以及不同糙率条件下坡面流水力学参数(雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数)变化规律。研究结果表明,在糙率、坡度相同情况下,坡面流的雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数均随流量的增大而增大;在坡度、流量相同条件下,随着糙率的增大,坡面流的雷诺数,弗劳德数和平均流速在减小,阻力系数和水深在增大;平均流速、水深和阻力系数与流量和坡度的关系可用简单幂函数表示,而且主要由流量控制。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

伊犁河流域裸露缓坡地放水试验研究

 通过野外径流小区实地放水冲刷试验,研究伊犁河流域裸露缓坡地在不同放水条件下土壤水分变化、径流泥沙特征,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:1)土壤入渗率随着放水流量的增加呈现递增的趋势,随着放水量的增加,土壤表层含水量增大,入渗率随之减少,坡下部土壤水分变化量高于坡上;2)随着放水流量的增加,输沙率呈现递增的趋势,含沙量呈先增后减的趋势,含沙量与放水流量存在较好的幂函数关系,随着冲刷时间的延长,含沙量、输沙率均呈现递减的趋势;3)随着放水流量的增加,径流平均流速、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、弗劳德数与雷诺数均呈良好的幂函数关系,水流为层流、急流状态。     

坡面细沟侵蚀过程中的水动力特性变化

为定量揭示坡面细沟水流侵蚀过程中的水动力特征,开展不同流量(2 L/min,4 L/min,8 L/min)、不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的放水冲刷试验,对坡面细沟发育过程中的水动力学参数变化规律进行了研究。结果表明:在试验的流量和坡度范围内,平均流速随冲刷历时的延长和细沟形态的发展呈迅速递减—略有起伏—缓慢减小并最终趋于稳定的变化趋势,径流深随冲刷历时的增大而增大; 坡面细沟水流的雷诺数变化范围为237～1 090,在小流量时,雷诺数随冲刷历时增大而略有增大,在大流量时,雷诺数随冲刷历时增大而减小; 在整个冲刷过程中,弗劳德数始终大于1,表明该试验条件下的坡面流属于急流范畴; 坡面细沟水流的阻力系数随冲刷持续而增大; 弗劳德数随阻力系数的增大而减小,且具有良好的负向幂函数关系。该研究结果初步表明了土坡面的细沟侵蚀特征和水动力学特性,为土侵蚀动力学机制的进一步研究提供理论基础。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

径流量和坡度对复合坡薄层径流水力学特性的影响

为研究复合坡面径流运动过程及其水力学特性,通过实验室土槽模拟试验,测试了7个径流量(10,15,20,25,30,35,40L/(min·m))和25个坡度(5°~25°)组合(5个直面坡、10个凸型坡和10个凹型坡)条件下的径流流速,计算了径流深度、雷诺数和弗劳德数。结果显示,直面坡径流流速随流程增加而增大并趋于稳定,且随流量或坡度增大而增大。凸型坡下坡面的径流流速大于上坡面,而凹型坡下坡面的径流流速小于上坡面。径流深度的变化规律与流速相反。径流雷诺数沿流程为一常数,而径流弗劳德数则随之增大。径流雷诺数和弗劳德数随径流量增加而显著增大。坡度对雷诺数影响较小而对弗劳德数影响显著。试验条件下,径流雷诺数介于200~800之间,弗劳德数小于2.5。当径流量小于25L/(min·m)时坡面径流属于层流状态,反之为紊流。凸型坡上坡面的径流为缓流而下坡面为急流,凹型坡径流大多数情况下属于急流状态。     

地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟

为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用,通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表,在室内模拟降雨条件下,对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明,雨前雨后各措施坡面的地表糙度为:等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。相同雨强和降雨历时下,不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面,径流越容易稳定在层流状态;反之,径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说,在相同雨强和降雨历时下,初始糙度越大的坡面,其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大,径流阻力系数也越大,但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小,径流对地表糙度具有减小作用,雷诺数和水流剪切力越大,径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之间的相互作用提供参考。     

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。     

红壤缓坡水流动力学特性及其对侵蚀影响的试验研究

水动力学特性对阐明红壤坡面侵蚀过程和产沙机理有重要意义。采用动床模拟径流冲刷方法,研究不同坡度(5°、8°、10°、12°)和不同放水流量(5、7.5、10 L/min)下,第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀规律和水动力学特性。结果表明:1)放水冲刷初期坡面流为短时间薄层水流,随后发育为细沟流。薄层水流流态大部分处于"过渡流-缓流区",细沟流大部分处于"过渡流-急流区"。薄层水流单宽流量、水深、流速、雷诺数以及弗劳德数均小于细沟流,而曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数则为薄层水流大于细沟流。2)曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数均与弗劳德数呈幂函数关系(R~2分别为0.49和0.53),过渡流达西-韦斯巴赫阻力系数与雷诺数呈现显著幂函数关系(R~2为0.29)。3)从水动力学角度解析了红壤缓坡面水蚀过程——水力坡度和雷诺数2种因子共同组成的复合水动力参数可作为表征坡面侵蚀产沙的特征参数,建立了薄层水流和细沟流条件下基于水力坡度与雷诺数乘积的土壤侵蚀速率指数函数方程(R~2分别为0.94和0.52)。研究初步表明红壤缓坡的侵蚀规律和水动力学特性,为进一步研究该区域坡面侵蚀动力学机制奠定一定基础。