受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动规律

山区浅层水流深度极浅且移动缓慢,降雨条件下其泥沙输移现象尚不明确。为探明受到降雨影响下的浅水河流均匀沙起动问题,该研究假设雨滴落入河道后会影响到整个水流区,形成雨滴群与水流混合的流体,从孔隙介质流理论入手,假设当降雨存在时床面泥沙颗粒增加了向上的附加力,进一步分析泥沙颗粒的受力情况,推导出层流水流泥沙颗粒起动关系表达式。从含沙水流流速分布规律得到启发,雨滴落入层流水流的状态类似于含沙水流,当降雨存在时层流水流流速分布仍然满足线性关系。利用无降雨泥沙起动经典试验数据,确定了拖曳力系数以及上举力系数,发现两者都是沙粒雷诺数的函数。利用已有研究的降雨实测数据,求出了8种降雨强度(0.254～152.4mm/h)下的雨滴直径分布概率密度表达式(R~2=0.998),进而求出雨滴的平均直径表达式,并给出受降雨影响的层流水流泥沙颗粒起动切应力计算模型。该研究模型表明降雨的存在使得泥沙起动所需的临界摩阻流速减小。通过与已有研究进行对比分析,该研究建立的受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动计算公式具有最高的精度,平均误差仅为14.8%,能够为山区水沙灾害防治提供理论支撑。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

基于COMSOL软件的绿洲盐渍化土壤中多离子耦合运移模型构建

了解盐分离子在土壤中的迁移规律可以为盐渍土的综合治理以及高效利用提供科学依据,在COMSOL多孔介质和地下水流模块模拟非饱和土壤水流的基础上,自定义偏微分方程组构建盐渍化土壤SO42–、Ca2+、Na+、Cl–、Mg2+耦合运移模型,考虑阳离子交换过程以及硫酸钙的沉淀溶解反应,并通过新疆绿洲膜下滴灌田间试验对模型进行检验,对比不同活度系数估算方法对模拟结果的影响。结果表明,各离子模拟值与实测值吻合较好,平均相对误差介于9.15%~28.57%,决定系数介于0.41~0.88,该模型能够较好地反映土壤中盐分离子的动态变化规律;在膜下滴灌条件下,膜下0~40 cm土层的盐分离子有不同程度的淋洗,Cl–和Na+的淋洗效果好于Ca2+和SO42–;活度系数的估算对模拟结果的准确性有重要影响,尤其是盐分含量较高时,采用通用的函数关系可能会带来较大的模拟误差。     

模拟植被地表覆盖率和粗糙度对坡面流水动力特性的影响

为研究刚性植被覆盖与地表粗糙共同作用下的坡面流水动力特性,在室内开展定床水槽冲刷试验,研究陡坡(15°)条件下10组流量(0.33~1.95m~3/h)、5种覆盖率(0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%)、4种不同地表粗糙度(0.01,0.18,0.25,0.38mm)的坡面流流速、流型流态、阻力系数等变化特性。结果表明:(1)水流流速变动范围为0.06~0.59m/s,流速与植被覆盖率和地表粗糙度呈负相关关系(r-0.90),当植被覆盖率增加,流速随流量增加的增幅降低;流速校正系数与植被覆盖率呈正相关关系(r0.75),而与地表粗糙度呈负相关关系(r-0.84);(2)所有试验条件下雷诺数处于153~910之间,流态主要集中于过渡区和虚拟层流区,流型多数处于急流区,随植被覆盖率和地表粗糙度的增加,弗劳德数逐渐小于1,具有向缓流区延伸的趋势;(3)坡面流总阻力系数与雷诺数呈幂函数关系,与地表粗糙度和植被覆盖率呈正相关关系(r0.81);(4)阻力影响指数结果显示,当流量小于1.05m~3/h时,地表粗糙度在影响总阻力过程中占主导地位,反之,植被覆盖率占主导地位;通过t检验,坡面流总阻力与颗粒阻力和形态阻力线性叠加结果差异性显著(p0.05),表明当存在颗粒阻力及形态阻力时,坡面流总阻力并不能使用线性叠加原理。     

基于高维Copula函数的逐日潜在蒸散量及气象干旱预测

尝试引入高维Copula函数对影响参考作物蒸散量ET_0的气象因素进行联合分布构建,揭示不同变量间的相关结构,建立多元气象因素对ET_0的联合分布模型,对逐日ET_0及短期干旱等级进行预测,并将枯季1—4月份的多维Copula联合分布预测模型的系统性偏差构造成修正函数,代回ET_0预报模型以改善预报效果,利用洱海流域内大理站1954—2018年逐日气象观测数据,以FAO Penman-Monteith方程为标准值对比分析。结果表明:1)平均气温(T)和最高气温(T_(max))2个气象因子组合时,二维Normal Copula模型对逐日ET_0预测的精度最高,叠加上修正函数项之后,相对误差小于10%、15%、20%、25%的样本比例分别提高到71.6%、84.4%、91.4%、96.5%,全年符合指数IA变化范围为0.98～0.99,平均偏差ME为0.17～0.30,均方根误差RMSE为0.54～0.64,Nash-Sutcliffe效率系数为0.90～0.98;2)将逐日ET_0预测方法应用于逐日气象干旱预测评估(以逐日SPEI指数为例),逐日SPEI指数预测值与标准值的相关系数为0.95～0.99,平均偏差ME为-0.10～0.35,均方根误差RMSE为0.20～0.30,符合指数IA为0.97～0.98,Nash-Sutcliffe效率系数NSE为0.91～0.97,在降水量多的季节,Copula函数模型预测ET_0的精度更高一些,且逐日SPEI预测的误差参数都优于逐日ET_0的预测结果。     

大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响

通过室内定床冲刷试验,选用砂布床面模拟土壤下垫面,选用砂布+塑料半球体(直径为40mm)床面模拟大粗糙单元下垫面,在较大流量(2.81~84.43L/min)、坡度(2°~10°)范围内,系统研究了大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:(1)大粗糙单元床面的平均流速、平均水深和弗劳德数与流量之间均呈幂函数正相关关系;平均流速和弗劳德数与坡度之间均呈幂函数正相关关系,而平均水深与坡度之间呈幂函数负相关关系;阻力系数随雷诺数的增大而逐渐减小。(2)大粗糙单元增加了坡面流阻力,延缓了坡面流流速,雍高了坡面流水深,并使得水流流型由急流趋向缓流发展。(3)坡面流绕流现象明显,大粗糙单元周围水深的大小为迎水深(h_1)侧水深(h_2)背水深(h_3),在较小坡度下(2°和4°),h_1-h_3随流量的增大先增大后趋于稳定,在较大坡度下(6°,8°和10°),h_1-h_3随流量的增大先增大后减小。(4)坡面流阻力由颗粒阻力和绕流阻力组成,绕流阻力占总阻力的29%~77%,绕流阻力随流量的增加而减小。研究结果可为坡面土壤侵蚀物理模型的构建提供一定理论依据。     

基于动态规划理论的棉花根长生长模拟方法

作物根系生长不仅取决于生理因素,还取决于生态环境因素,而土壤水分环境与作物根系生长之间的关系则是局部灌溉技术设计的理论依据之一。为了进一步探索影响棉花根系生长的主要因素,本文在根?冠水量平衡的基础上,结合作物系数与叶面积的关系模型、根长密度分布函数以及根系吸水效率函数,应用动态规划理论,建立了棉花根系生长模型,并以桶栽棉花试验结果进行验证。结果表明,该模型纳入了土壤水分环境、大气蒸腾力和叶面积等影响根系生长的因子,具有揭示根系生长耗水机理的作用。该模型模拟出的棉花总根长变化趋势与实测结果基本一致,当以多年月平均参考蒸散量(ET0)作为输入条件时,模拟结果总体误差为15.41%,可以用于工程设计。对模型敏感性分析结果表明,所建模型能够反映棉花根?叶生长的同步性,以及进入生殖生长期以后根—叶之间的水量平衡关系。棉花根系生长对土壤水分环境变化的敏感性高于对叶面积变化的敏感性,体现了棉花根系生长的机理,建模方法可行。本文研究成果对完善局部灌溉技术中灌溉制度的设计理论具有重要意义。     

河蟹养殖船载自动均匀投饵系统设计及效果试验

针对目前河蟹养殖投饵喂料劳动强度大、自动化程度低、投饲饵料分布不均匀等问题,该文提出了一种空气螺旋桨风力驱动船载自动投饵系统及均匀投饵方法。该系统由空气螺旋桨风力驱动船、自动投饵装置、ARM(advanced RISC machine)主控制器、GPRS(general packet radio service)通信模块和GPS(global positioning system)导航装置等组成。采用空气螺旋桨风力驱动,可解决常规作业船水下螺旋桨吸卷缠绕水草影响行驶问题;利用喂料器落料流速可控、抛料器抛幅可调、料仓内剩余饵料量可测的自动投饵装置,可解决投饵喂料分布不均匀问题。该系统以S3C2440为主控制器,通过GPRS通信模块M590接收作业指令。该文对投饵装置抛料器、饲料颗粒斜抛运动、饵料在水面上的累积密度分布进行建模,建立投饵均匀度目标函数,采用遗传算法GA进行最优运行参数求解,确定船载自动投饵系统最优运行参数:当饵料分布密度期望值为9 g/m2时,2个相邻投饵行程宽度的最优值为8.21 m,自动投饵装置投饵扇角的最优值为80°,喂料器单位时间内落料量的最优值为32.01 g/s,下方投饵行程船速的最优值为0.43 m/s,上方投饵行程船速的最优值为0.43 m/s,抛盘转速的最优值为1 480 r/min;并通过GPS导航装置BD982实现路径跟踪,完成自动均匀投饵作业。对饲料颗粒斜抛运动、饵料平均累积密度和分布密度均方差等进行仿真,在水平地面上与人工抛洒饵料进行对比试验,并在池塘内进行投饵试验,结果表明,该系统可使投饲饵料分布均匀度较人工投饵提高3倍以上,投饲饵料分布密度均值与设定值的相对误差为5.11%,为适应河蟹昼伏夜出的生活习性,可在夜晚进行投饲,使用1套该船载自动投饵系统能够精细管理6.67 hm2左右河蟹养殖池塘,相当于5个农村劳动力投饵喂料,节省人力提高效率,提高饲料的利用率15%以上,能使饲料节约15%以上,产量提高20%以上;同时,该船载自动投饵系统可以定时定量均匀投饲,保证养殖的河蟹个头大小均等,提高产值,大幅提高养殖面积增加效益。该文可为河蟹养殖全池自动均匀投饵喂料和其他水产养殖中需要沿池或全池自动均匀投饲研究提供重要参考。     

黄土区坡耕地耕作对浅沟径流产沙及其形态发育特征的影响

为研究耕作对浅沟径流产沙及形态发育特征的影响,在野外调查的基础上,设计坡度(15°、20°、25°)、雨强(1.0、1.5、2.0 mm/min)及放水流量(7.53~23.45 L/min)3个处理,采用室内模拟降雨和放水冲刷的方法,测定了不同处理下浅沟径流量、产沙量。结果表明:1)2种浅沟水流均为紊流,耕作使浅沟水流雷诺数和弗劳德数分别减小0.95%~30.77%、2.64%~39.14%,阻力系数和糙率系数分别增加4.01%~58.82%、0.88%~27.87%;2)试验条件下,耕作使浅沟土壤剥蚀率增大9.48%~37.87%,未耕作与耕作浅沟土壤剥蚀率分别与坡度—流量交互作用、雨强—坡度交互作用呈极显著线性关系,土壤剥蚀率与径流剪切力、径流功率及单位径流功率均呈显著的线性关系,未耕作浅沟发生剥蚀的临界剪切力、临界功率及临界单位径流功率分别为17.576 N/m2、5.036 W/(m2·s)、0.0381 m/s,耕作浅沟为10.585 N/m2、3.544 W/(m2·s)、0.0277 m/s;3)耕作使浅沟宽度增加1.98%~31.79%,浅沟面积增大0.84%~32.03%,下切深度降低2.82%~26.67%;4)耕作使浅沟土壤侵蚀量增加0.91%~22.80%,未耕作和耕作浅沟土壤侵蚀量分别占坡面土壤侵蚀总量的44.09%~74.16%和42.44%~56.44%,与雨强—流量交互作用均呈极显著的线性函数关系。结果可为该区浅沟侵蚀预测模型的建立及农业生态环境安全与保护提供科学依据。     

台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征

通过野外径流小区放水试验,研究2种台田类型(土坎,石坎)、3种台田级数(1,2,3级)、1种坡度(10°)、3种放水流量(0.5,1,1.5m~3/h)下坡面流土壤侵蚀过程,分析台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征。结果表明,台田级数对坡面流流态影响较大,增加台田级数可使坡面流波动性降低,台田类型对雷诺数影响相对较小。土壤分离速率总体随流量增大而增大,相同流量条件下,呈波动性增加后减少且逐渐趋于平稳的特征,两者相关关系用指数函数回归方程拟合(R20.840)。同类台田且田面宽度和相同条件下,土壤分离速率与台田级数呈负相关关系,阻力系数与流量呈负相关关系,坡面流土壤分离速率与阻力系数呈负相关关系。研究结果对认识坡面流土壤侵蚀的过程和规律具有重要意义,也为坡面侵蚀物理模型的建立提供参考。     

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。     

矩形微通道热沉内变物性工质的流动与换热特性

为了研究不同雷诺数下,工质的热物理性质对矩形微通道热沉内工质流动与换热的影响,该文建立了三维共轭传热模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明：当雷诺数为16时,与常物性工质相比,变物性工质具有较佳的换热性能以及更低的摩阻系数,此时基于工质常物性的数值假设会与实际情况偏离,而当雷诺数增加至333时,常物性工质与变物性工质的流动和换热性能具有较好的吻合,这在一定程度上解释了现有研究成果中矩形微通道热沉内工质流动与换热特性方面的试验结果与数值模拟之间存在偏差的现象。该研究为进一步改进数值模型精度提供了参考。     

针盘式粉碎机圆柱齿钉二维绕流数值模拟

为了分析针盘式粉碎机静圆柱齿钉的气动力学特性,利用计算流体力学(diesel engine emission experiments,CFD)方法,对粉碎机中二维单圆柱齿钉的绕流问题进行研究。在进行计算之前,采用均匀来流中的圆柱绕流问题对计算模型进行验证,并且对数值计算中的网格和时间步长独立性均进行了算例考核。结果表明:在雷诺数小于200的范围内,流动出现3种不同的流态;在稳定分离区中圆柱齿钉上的附着涡最大长度约等于齿钉直径,且附着涡随雷诺数增加出现了消亡的现象;在不稳定泄涡区流动只在较小的雷诺下呈现出周期性,圆柱齿钉上受到流体周期性的升力和阻力均很小,在较大雷诺数下,流动的无量纲频率增加,且不再由单个频率主导,出现了一个频带;在不稳定泄涡区的无量纲频率比均匀来流中的圆柱绕流情况小一个数量级。该文为研究粉碎机圆柱齿钉在高雷诺数下的受力情况提供了参考。     

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。     

籽棉团悬浮速度的理论算法与试验验证

针对常规悬浮速度理论值与测试值间的偏差大问题,该研究将以常规悬浮速度理论为基础,通过量纲分析法和力平衡原理,建立籽棉团物理属性与阻力系数之间的关系,提出一种轻软可压缩颗粒悬浮速度理论模型。然后,在棉田测试单颗棉桃完全开裂时所含籽棉团直径,确定气力输棉管道最小直径,并通过管流雷诺数和绕流雷诺数计算确定阻力系数。用体积法测试籽棉团密度并用等密变径法制备6种不同密度、18种不同直径的球形籽棉团试样并进行悬浮速度试验测试。结果表明,单颗棉桃全开裂时直径变化范围在38～54 mm之间,在这范围内管流和绕流雷诺数都大于500,阻力系数确定为0.44;籽棉团松散密度范围在21.2～35.3 kg/m3之间,半压实密度范围在101～137.4 kg/m3之间;籽棉团悬浮速度测试值从直径比大于0.6开始与常规悬浮速度理论值偏离,直径比等于1时籽棉团悬浮速度测试值不等于零。采用该研究提出的理论模型和计算方法时,所得到的籽棉团悬浮速度分布特征和大小与测试结果基本吻合,平均相对误差为4.6%,并通过方差分析验证了该研究提出的理论模型和计算方法的有效性。这为籽棉、羊毛和驼绒等轻软可压缩物料的气力输送系统和装置的改进设计提供理论模型和计算方法。     

Impact of stone content on water movement in water-repellent sand

Soils are commonly stony, especially in steep upland or heavily degraded sites. The hydrological effect of large stone contents has been previously investigated in wettable but not in water-repellent soils. For the latter, the focus has instead been on the impact of other soil characteristics (e.g. cracks and macropores) likely to promote water percolation. This paper investigates stone effects on water flow in water-repellent sand under laboratory conditions. Seventy-five experiments were performed on a water-repellent sand mixed with a range of quantities of different-sized wettable and water-repellent stones. The time taken for water to pass through each sand–stone mix, the percolated water volumes and numbers of dry and wet stones following each 60-minute experiment were recorded. At large stone contents (> 55% or > 65% by weight, depending on stone wettability), percolation occurred relatively quickly and in comparatively large quantities. At intermediate stone contents (45–65%) percolation response was variable and at stone contents < 45% for wettable and < 55% for water-repellent soils no water percolation occurred. We argue that with large stone contents flow pathways develop along sand–stone interfaces and a continuous preferential flow path can form provided there are sufficient stone-to-stone connections. The distribution and alignment of the stones, especially at intermediate stone contents, are important for promoting water movement. Water repellency determinations based only on the fine sediment component in stony soils could therefore be misleading as regards determining their hydrological response: the influence of the clastic component must also be considered.     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型

利用需水系数、蒸腾系数和潜水蒸发经验公式,引入水分迁移系数和盐分迁移系数,建立了蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型。提出作物根系吸水比例系数,用以区分计算土层下边界的根系吸水项和土壤毛管水上升项。引入盐分影响下的作物蒸散发修正系数,并与水盐生产函数相反馈进行土壤水盐动态的修正。该模型简单适用,可用于蒸散发期间田间水盐状况的调控管理。