土壤冻结对黄土细沟水流流速的影响

细沟水流流速是冻土和未冻土坡面水文过程的重要参数,与冻融坡面土壤侵蚀和泥沙输移密切相关。试验在长8 m、宽0.1 m、深0.12 m的土槽内填装深度为0.05 m的陕西安塞黄绵土坡面进行。设定坡度为5°、10°、15°、20°,流量为1、2、4、8 L/min,通过测量冻土与未冻土坡面细沟水流前锋流经整个土槽所用时间,计算水流的前沿流速,对比2种坡面上水流前沿流速的关系,研究冻结对水流流速的影响,同时采用电解质示踪法计算水流的优势流速,分析优势流速与前沿流速的关系。不同工况下,冻土坡面前沿流速在0.260~0.843 m/s之间,未冻土坡面水流前沿流速在0.175~0.552 m/s之间;冻土和未冻土坡面上,随坡度、流量的增大,前沿流速增大,增大率在缓坡(5°~10°、10°~15°)时逐渐减小,流量较小(1、2、4 L/min)时,流量增大,坡度对前沿流速增大率的影响也逐渐减小;坡度和流量对冻土坡面水流前沿流速的影响大于对未冻土坡面水流前沿流速的影响;冻土和未冻土坡面前沿流速均随坡度和流量的增大近似呈幂函数增大;在试验条件下,冻土坡面前沿流速和优势流速比未冻土坡面大43%和40%;冻土和未冻土坡面上优势流速和前沿流速的比值分别为0.61和0.63,表明该系数可以用于标定前沿流速。试验结果可为冻土坡面与未冻土坡面水流动力过程研究提供参考。     

集中水流冲刷条件下浅沟径流流速特征研究

在室内不同坡度和径流流量条件下,用电解质示踪法和染色剂示踪法进行浅沟径流流速测量的对比研究.用采自北京的粉壤土在室内试验模拟浅沟侵蚀,测量并计算浅沟径流流速.在坡度5°、10°、20°,流量64、128、256 L/min条件下,进行浅沟水流流速的测定试验.测量结果表明,浅沟径流流速随坡长增加略有减小,随流量和坡度增大而增大.电解质示踪法测量得到的流速在0.55 ～ 1.60m/s之间,而染色剂示踪法测量得到的流速为0.71～1.45 m/s,染色剂示踪法测量得到的流速略小于电解质示踪法测量结果.考虑到浅沟水流对示踪剂稀释及紊流对水流的扰动造成的视觉影响,电解质示踪法测量的流速具有其合理性.     

脉冲边界模型测量冻土坡面径流流速与距离优选

在室内不同坡度和流量条件下,用电解质脉冲边界模型以及染色剂示踪法进行冻土坡面和未冻土壤坡面径流流速测量的对比研究。采用长3.8 m、宽0.2 m和深0.08 m的试验土槽,用新疆阿克苏温宿县科其喀尔冰川流域草甸土,装土容重为1.0 g/cm3、厚度5 cm,将土样饱和后冻结,制备用于试验的冻土坡面。为提高试验效率,采用在砂纸上粘贴土壤颗粒的方法模拟未冻土壤坡面。在坡度5°、10°和15°,流量12、24和48 L/min条件下,采用电解质脉冲边界模型方法和染色剂示踪方法测量冻土和未冻土壤坡面径流流速,并确定电解质脉冲边界模型方法的最优测量距离。结果表明:电解质脉冲边界模型测量流速随着测量距离增加呈指数增加,并逐渐趋于恒定。通过流速随沟长的变化关系,计算得到冻土坡面条件下,电解质脉冲边界模型测量流速与实际流速相差5%和10%,所需测量距离分别为1.7~2.7 m以及1.4~2.1 m。电解质脉冲边界模型法测得的冻土坡面径流流速随坡度、流量增大而增大,为0.45~0.98 m/s,是未冻土壤坡面径流流速的1.43倍。冻土坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大3%~20%;未冻土壤坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大6%~35%。     

薄层水流水力特性试验研究

对粘砂床面的薄层水流进行定床试验,研究了不同流量、坡度下薄层水流的水力学参数(流态、水深、流速及阻力系数)随坡度和流量的变化规律。结果表明:水流雷诺数Re随着坡度和流量的增大而增大,但Re主要是由流量决定的,坡度对Re的影响不大,水流流态基本上在过渡流区和紊流区;平均水深-单宽流量,流速-单宽流量,水流阻力系数-单宽流量均成很好的幂函数形式,平均水深和流速均随单宽流量的增大而增大,阻力系数随着单宽流量的增大而减小。     

细沟水流动力学特性分析

采用室内放水冲刷试验,在不同坡度黄土坡面形成细沟,测定细沟不同位置断面水流流速及横断面形态,分析坡面细沟水流动力学特性变化规律。结果表明,随细沟侵蚀的延续,坡面细沟水流流速降低;流速随坡长的延长、坡度的增大而增大,弗汝德数随坡长的延长而减小,雷诺数和Darcy-Weisbach阻力系数随坡长的延长而增大;流速、弗汝德数、雷诺数和Darcy-Weisbach阻力系数均随坡度的增大而增大。     

沟灌侵蚀过程的水动力学特性模拟研究

通过室内沟灌侵蚀模拟实验,研究了沟灌侵蚀过程中不同流量、坡度下垄沟水流的流态、流速及阻力系数的变化规律。结果表明,坡度和流量对水流流速的影响显著,流速随着坡度和流量的增大呈逐渐增大的趋势;流速与坡度、流量的相关性显著。垄沟水流的雷诺数变化范围为923～4 623,属于紊流;并且随着流量的增大呈现出逐渐增大的规律。弗汝德数在实验过程中变化范围为0.41～1.34,大部分都处在急流状态;坡度的增大使弗汝德数也随之增大。阻力系数变化范围为0.14～0.53。     

台阶式溢洪道流速水头沿程变化研究

水流的流速水头是重要的水力参数,可一定程度上反映水流的能量。为研究台阶溢洪道过流断面流速水头的沿程变化规律,将其与同体型的光滑溢洪道流速水头进行对比,引入相对流速水头的概念。通过对26.6°、33.7°、38.7°、48.0°四组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道,在单宽流量17.25~62.18 m2/s之间进行模型试验研究。结果表明台阶的流速水头沿程呈现曲线规律,关系复杂不便应用;而非均匀流段上相对流速水头与流程长度呈现良好的线性递增关系,相关系数R2为0.994 8~0.998 8。台阶部分对水流的阻碍效果随单宽流量的减小增大,而与台阶高度、坡度呈递增关系,其中坡度的影响最显著。试验证实了引入相对流速水头的必要性,为台阶溢洪道水力特性的研究提供了依据。     

有植被突扩明渠水流特性试验

通过水槽试验分别研究在沉水植物水蕨和挺水植物富贵竹两种植被作用下的突扩式明渠水流特性,采用声学多普勒测速仪,测量突扩前后不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算得出时均流速分布,分析其变化特征,探讨突扩明渠中植物对水流内部结构的影响．试验发现：在种植植被前,中垂线上突扩前后流速均呈半对数分布,而种植植被后,水流受两种不同植物的影响而产生不同的变化趋势,有沉水植物的情况流速分布可分为3层,即植被冠层内、植被层之上和过渡层,且过渡层有随流逐渐增大的趋势,有挺水植物情况由于植物不同部位阻水效应的差异,使得流速呈现“3”型分布．位于扩散段回流区内的左垂线流速分布更加复杂,不服从半对数关系．种植植被后,同一垂线不同流量下水流的流速分布有很大变化,并且流速分布的变化率随流量的增大而增大．     

基于立体摄影技术的细沟与细沟水流参数测量

细沟和细沟水流参数的准确测量可为深化坡面土壤侵蚀过程研究提供重要理论依据。基于立体摄影测量技术,以坡度为15°和20°的黄土坡面为研究对象,采用人工模拟径流冲刷的方法,对比不同时刻坡面的高精度数字高程模型DEM,提出了动床条件下坡面细沟宽度、深度以及细沟水流宽度、深度的测量和计算方法,分析了2个坡度处理下坡面细沟形态、细沟水流特征及其变化规律,探讨了立体摄影测量技术与其他测量技术在细沟形态及径流特征参数测量方面的异同。结果表明:经过比例尺的校正,可以在垂直拍摄的立体摄影照片上直接准确测量细沟宽度和细沟水流宽度;运用内插法,立体摄影测量技术能较准确地测量细沟深度和细沟水流深度的实时动态变化。随坡长的增加,细沟深度逐渐增大,而细沟水流深度则无明显变化趋势;细沟宽度随坡长的增加呈先增大后减小的变化趋势,而细沟水流宽度逐渐减小;20°坡度下细沟宽度和深度的增加速率分别是15°坡度下的1.7倍和1.3倍;同20°坡度相比,15°坡度条件下的细沟水流的宽度增加了1.7%~13.1%,而2个试验坡度下的细沟水流深度无明显差异。     

坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

为探求坡面薄层水流滚波产生机理及其演化规律,采用变坡水槽试验,结合超声波测量技术,研究了5种坡度和21种单宽流量下坡面薄层水流的水力特性及失稳特征。结果表明,试验条件下,坡面水流流态指数平均值为0.536,水流流态以紊流为主,流型为急流;特定粗糙床面条件下,随着流量的增加,水流经历失稳到滚波猝灭再到二次失稳的演变过程;滚波猝灭临界流量随着坡度的增大而逐渐减小,其临界雷诺数在509~602之间,临界弗汝德数在3.29~7.39之间;随着流程长度的增加,滚波的波速变化不大,波长和波高逐渐增大,频率逐渐减小,滚波发生沿程聚合现象;当单宽流量和坡度增大时,波速和频率均随之增大,波长变幅不大,而波高呈现先增大后减小的抛物线型变化趋势。     

不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。     

双吸式离心泵叶片头部形状对泥沙磨损的影响

为了提高离心泵的抗磨蚀能力,采用欧拉-拉格朗日多相流模型模拟了水泵内水沙两相流运动,并利用离散相冲击磨损模型,对4种不同叶片头部形状下的叶片泥沙磨损情况进行了分析.结果表明:叶片上发生严重磨损的区域主要分布在叶片的头部和尾部,其中吸力面的平均磨损强度高于压力面;叶片磨损强度受相对流速分布和冲击角的影响,改变叶片的头部形式可改变叶片的泥沙磨损强度;缩短叶片头部外缘一侧的长度,可以使叶片头部的相对流速分布更均匀,改善叶片头部和尾部的集中磨损,但会降低水泵扬程;缩短叶片头部外缘一侧的长度,同时增大内缘一侧的相对液流角,可以有效改善叶片表面的泥沙磨损,并使水泵扬程略有提高.     

导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性

将导叶片旋流器作为产生螺旋流的装置,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对该旋流器下游断面的螺旋流流速特性进行了研究.研究结果表明:旋流器下游断面流速整体上关于管道圆心呈120°旋转对称分布.从管壁到管道断面中心旋流器下游断面的轴向流速逐渐增大,而周向流速和径向流速则均呈现先增大后减小的变化趋势.最大轴向速度位于管道断面中心处,最大周向流速位于距管壁约1cm处,最大的径向速度位于距管壁约2cm处.旋流器导叶片扭转角越大,在下游断面产生的螺旋流的周向流速、强度就越大,螺旋流的影响距离就越远.在距离旋流器导叶片后缘2m之前,螺旋流衰减较快,且随着旋流器的导叶片扭转角的增大,螺旋流衰减加快.研究成果可为进一步完善螺旋流旋流输送理论提供理论依据.     

汶川震区滑坡堆积体坡面侵蚀量测算方法

在汶川县选取典型滑坡堆积体,采用三维激光扫描仪实地测量滑坡堆积体形态,用图像分析方法鉴别沟道,用于估算堆积体形成后的土壤侵蚀量。根据滑坡堆积体坡面实测点云数据,采用最小二乘法拟合二次曲线,近似为堆积体坡面沟道各横截面发生侵蚀前的坡面线。结合堆积体发生侵蚀后的坡面沟道实测数据,测算各段沟道侵蚀量后估算出滑坡堆积体坡面侵蚀总量。典型滑坡堆积体坡面侵蚀总量为355 m3。采用传统断面法对计算结果进行验证的结果表明,拟合断面法计算的各分段侵蚀沟体积略大于传统断面法计算结果,相对误差为15.6%。5条分段沟道中最大相对误差为27.1%,最小相对误差为7.9%,拟合断面法计算侵蚀沟体积的精度较好。     

颗粒直径对渣浆泵冲蚀磨损性能的影响

为探究渣浆泵在输送固液两相流介质时颗粒直径对冲蚀磨损的影响,采用k-ε湍流模型(液相)、离散相零方程模型(固相)和Finnie塑性冲蚀磨损模型,通过拉格朗日法计算出不同颗粒直径下颗粒的运动轨迹.对颗粒与过流零件表面撞击的冲击速度、冲击角度等参数进行了数值模拟,进而探讨固液两相流中浆体对渣浆泵的磨损规律.结果表明:小直径颗粒在流道中分布相对均匀,与过流部件发生撞击概率很小,对叶片的冲蚀磨损相对较弱.大直径颗粒的运动轨迹易向叶片工作面靠拢,且易与叶片头部发生碰撞.直径较大时,颗粒冲击叶片和蜗壳圆周壁面的角度和速率更大,且存在多次撞击过程,对叶片和蜗壳壁面的冲蚀磨损程度相对较大,造成严重的冲蚀磨损.     

基于多指标评价和分形维数的坡耕地优先流定量分析

以重庆紫色砂岩区坡耕地田间染色示踪试验为基础,采用形态学和统计学方法,对3种坡耕地土壤剖面染色图像进行指标提取,运用多指标评价法确定了优先流指数PFI,并结合几何学中的分形理论,定量评价了土壤优先流的发育程度。结果表明:6个优先流特征指标(优先流区染色面积比、基质入渗深度、优先流分数、长度指数、峰值指数和变异系数)均表现出南瓜地和柑橘地的优先流程度高于玉米地;优先流指数PFI由大到小为南瓜地(0.88)、柑橘地(0.77)、玉米地(0);通过Fractal Fox 2.0软件计算得到的优先流湿润峰迹线分形维数由大到小为南瓜地、柑橘地、玉米地。与土壤优先流指数PFI进行比较,所得结果基本一致,说明利用分形维数来评价土壤优先流发育程度是准确可行的。     

基于沙里寨水文站水面流速系数分析研究

在实测河道流量时,往往因为洪水涨落急剧、洪峰历时短无法采用多点法施测流速;或在采用浮标法及缆道流速仪法施测流量时,多采用水面一点法施测流速,而在计算垂线平均流速时涉及水面流速系数的问题.通过对大洋河沙里寨水文站实测的垂线五点流速,建立水面与垂线平均流速相关关系,确定该站水面流速系数.     

明渠水流测线平均流速横向分布及其应用

基于室内与田间试验,分析了明渠水流流速分布特性,提出了水流测线平均流速横向分布抛物线规律和明渠测流方法。结果表明,抛物线规律表达测线平均流速横向分布具有较高的计算精度,在(1-2x/B)>0.1的范围,实测与拟合计算流速的相对误差在±5%之间;利用测线均速抛物线规律对不同渠形测流具有良好的适用性,相对误差在±5%之间,且减轻了田间施测工作量和便于灌区测流自动化。