柔性植被与刚性植被覆盖下坡面流阻力特性研究

主要讨论植被覆盖下的坡面流水力学特征,特别是阻力特征,并比较柔性植被和刚性植被对阻力影响的不同之处,系统地研究了坡面流阻力系数与单宽流量、雷诺数、覆盖度、坡度的关系。研究结果表明:柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量变化不显著,但随着坡度的增大,阻力系数是减小的,大坡度小覆盖度下的坡面流阻力系数和雷诺数呈现负相关关系,同时植被覆盖度越大坡面流阻力系数也越大。而刚性植被覆盖下的坡面流阻力系数和坡面单宽流量呈现良好的正向幂函数关系,同雷诺数、植被覆盖度也都有明显的正比关系,同坡度的变化关系和柔性植被覆盖相似,并且刚性植被覆盖下的阻力系数在同等其他条件下明显大于柔性植被覆盖下的阻力系数。     

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。     

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。     

不同覆盖度下坡面流植被阻力特性研究

为深入研究植被覆盖下坡面流阻力规律,以植被覆盖下明渠水流植被阻力公式为基础,通过5个覆盖度、6个坡度和7个流量组合条件下的室内放水试验,结合理论分析,建立适应于坡面流的植被阻力模型。结果表明,植被阻力随等效覆盖度和等效水力半径的增加而增大,等效覆盖度对植被阻力的贡献率(0.106)小于明渠水流(0.167),而等效水力半径(0.5)和拖曳力系数(0.5)的贡献率与明渠水流(均为0.48)基本一致。植被阻力模型的NSE值高达0.84,为坡面流植被阻力计算奠定了一定的理论基础,可促进明渠水力学理论在坡面水流方面的扩展。     

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。     

降雨和坡度对坡面水流阻力规律影响研究

为探明降雨条件下坡面薄层水流阻力特性,分析雨强对坡面流阻力的综合作用,以流体力学和水力学基本理论为依据,通过5个坡度和8个流量、4个雨强组合条件下的模拟降雨试验,系统研究了降雨条件下坡面薄层水流阻力规律。结果表明:相同雨强条件下,阻力系数随着坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,随着流量、水深的增大而逐渐减小,最终稳定在0.025左右;相同坡度下,坡面薄层水流的阻力系数随着降雨强度、放水流量的增大而减小;降雨强度在一定程度上影响阻力系数与弗汝德数幂函数关系的离散性。在本试验条件下,薄层水流都处于"层流"和"过渡流"的流区,并且随着坡度的增大,薄层水流向"层流"转捩。在考虑雨强的情况下,给出了计入雨强影响的裸坡条件下坡面流阻力的计算公式。     

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。     

砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面土壤可蚀性影响试验研究

通过人工模拟降雨试验,选取2种坡度(15°,30°),2种降雨强度(92,119 mm/h)和6种砾石覆盖度(0,10%,20%,40%,60%,80%),探究砾石覆盖对海涂围垦区粉砂土坡面侵蚀及土壤可蚀性的影响.结果表明:随累积降雨量增加,土壤可蚀性参数先增大后减小,并趋于稳定.坡度对土壤可蚀性影响显著,坡度越陡,坡面土壤可蚀性越大.砾石覆盖度与土壤可蚀性参数并非呈单调关系.坡度较陡且低覆盖度时,砾石覆盖增加坡面侵蚀;而当高覆盖度时,砾石覆盖可降低坡面径流速率,增加入渗率,减小土壤侵蚀率.适当盖度砾石覆盖能够改变边坡表面粗糙程度,降低坡面土壤可蚀性.砾石覆盖坡面径流雷诺数与土壤可蚀性参数呈显著线性负相关关系.通过径流雷诺数与土壤可蚀性参数线性关系定量分析能够较好反映坡面高钠盐土颗粒输移水动力学过程,对于构建盐碱土边坡泥沙输移预测模型具有重要意义.     

含沙量对坡面流水动力学特性的影响研究

基于系列室内水槽冲刷试验,定量研究了在9°坡度、不同流量条件下含沙量对坡面流水动力学参数的影响。结果表明:随含沙量增加,水流雷诺数Re减小,水流紊动强度减弱。弗劳德数、水流流速及流速修正系数α随含沙量增加先呈减小趋势,当含沙量S>300 kg/m3时,各值均突然增大,并随含沙量的进一步增加趋于稳定,表明此时水流型态发生变化,α均值为0.554。含沙水流和清水水流能量损失比较标准不同,得到的结论也不相同。当S<300 kg/m3时,以相同Re或相同单宽流量作为比较标准,含沙水流阻力系数均大于清水对应值;当S>300 kg/m3时,以相同的Re作为比较标准,则含沙水流阻力系数小于清水对应值,以相同的单宽流量作为比较标准,则含沙水流阻力系数大于清水对应值。     

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。     

不同黑麦草种植密度对坡面流的阻力特性影响研究

为探究植被覆盖下坡面流的阻力特性,采用理论分析与室内放水冲刷试验相结合的方法,分析了3种不同种植密度、2组坡度下黑麦草对坡面流阻力的影响,并初步探讨了一定条件下柔性植被的形态与坡面水流的相互作用。结果表明,当有植被覆盖时,糙率系数随雷诺数的增加基本呈先增加后减少再增加的趋势;糙率系数并非随密度增大而增大;坡度为5°时糙率系数与弗汝德数之间呈良好的幂函数关系,而坡度为10°时拟合度并不高;在弗汝德数相同时,糙率系数随着坡度的增加而减少。     

砒砂岩坡面薄层水流水力冲刷特性试验研究

试验利用室内变坡度水槽,选取5种(5°,10°,15°,25°,35°)坡度和5种(280,420,550,650,900 L/h)流量进行25组叠加组合模拟室内薄层水流冲刷试验.结果表明:坡度一定时,冲蚀率随流量递增,增长幅度受坡度影响,在15°～35°存在着临界坡度值;无降雨条件下小于临界坡度时,冲蚀率与能坡之间满足多项式关系;冲蚀过程中坡面薄层水流流态属于层流中的急流,冲蚀细沟的产生与水流弗罗德数和雷诺数有关;小于10°时,水流剪切应力和水流功率不受流量的影响,小于420 L/h时,坡度的影响也并不是特别明显,坡度对流速的影响大于流量的影响,这导致了坡度对单位水流功率的影响更大;单宽流量与能坡对冲蚀率的影响较大,并建立了冲蚀率的拟合模型,此模型可以满足砒砂岩大角度的冲刷.     

地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

通过不同粗糙度床面薄层水流的定床试验,研究了坡面流平均流速、径流深、雷诺数、弗劳德数和阻力系数随粗糙度和流量的变化规律。结果表明,地表粗糙度延缓了坡面流流速,并增大径流深,且粗糙度越大,其作用越明显;地表粗糙度的增加明显降低了坡面流的紊动性,水流流态由过渡流转变为层流,流型由急流变为缓流;随粗糙度的增加,阻力系数增大,径流沿程损失增大,从而削弱径流侵蚀力。     

植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构的影响

【目的】分析植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构流态的影响,充分发挥河道水生植被功能以减缓河堤的侵蚀和水土流失的速率。【方法】建立明渠植被水流结构模型将水流液层在空间高度上分为植被层和自由层,在茎秆不同的变形状态下及流量范围内开展试验。【结果】(1)在同一茎秆倾伏角下,植被层Vv随水深h增加呈增加减少再增加最终趋于稳定的变化规律,自由层平均速度Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs随水深h的增大迅速减小后趋于稳定。(2)不同茎秆倾伏角下,植被层水力参数Vv、Rev、Frv在空间上表现出各向异性,自由层Vs、Res、Frs随植被倾伏角θ增大而减小,植被淹没临界水深h存在"滞后"现象。【结论】自由层的水流流速Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs均大于植被层;植被层水流流态为缓紊流,自由层水流流态从急紊流迅速过渡到缓紊流。     

花岗岩人工节理渗透特性实验研究

采用岩石剪切渗流实验系统对人工劈裂花岗岩节理展开了剪切渗流实验,主要研究在压剪作用下花岗岩节理的流态特性和临界雷诺数的变化。通过在剪切过程中不同剪切位移下对节理施加不同水头,测量通过节理的稳定渗流量并计算临界雷诺数。结果表明:(1)当渗透水压梯度大于0.05 MPa/m时,节理渗流偏离线性流的现象越来越明显,惯性阻力相对于黏性力不可忽视。(2)节理的线性流态与非线性流态受剪切过程中节理张开度和接触状态的影响:节理剪缩阶段,其内部水流呈现线性流状态;随着剪切位移的增加,节理进入剪胀后,节理内渗流由线性流逐步转化为非线性流。(3)剪切过程中节理进入剪胀后,随着节理张开度的增大,非线性渗流的临界雷诺数略有增加,但基本保持稳定。     

不同流态区盘卷软管阻力损失研究

针对不同水流流态下的卷盘式喷灌机盘卷软管阻力损失计算问题,构建了软管阻力损失试验装置。在一系列的管道流速条件下,对卷盘式喷灌机(卷盘轴径为1.28m)几种常用内径(27.2、34.0、42.6和53.6mm)的软管进行了盘卷软管阻力损失试验。结果表明:软管管内流速相同时,盘卷软管阻力损失均大于直铺软管的阻力损失;随着管内流速的增加,两者之间的阻力损失差值增大;当雷诺数介于29 630和159 208之间,水流形态属于湍流Ⅰ区和湍流Ⅱ区时,盘卷软管阻力损失与管道内水流流态有关,并得到了软管阻力损失系数和软管阻力损失计算公式,为卷盘式喷灌机进水口压力计算提供参考。     

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。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响，本文通过室外人工模拟降雨试验，对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大，且差异极显著，但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数，均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的，存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前，稳定入渗率的增加速率很快，之后，迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小；相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项，建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型，通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

不同流态条件下低压滴灌灌水器工作水头与灌水均匀度关系的研究

依据滴灌灌水器的水力特性，基于水力学基本原理，分析研究了水平铺设的低压滴灌毛管在不同流态条件下灌水均匀度Cu与灌水器工作水头hd的关系，并通过实验验证了理论分析的结论；结果表明：在试验条件下滴灌毛管内不同水流流态、灌水器流态指数x时，Cu与hd的变化关系不尽相同，层流时不论x为何值， Cu随hd的增大而增大。层紊流共存时 当0相似文献   

黑麦草密度对坡面水流阻力影响的试验研究

【目的】提高生态工程的水土保持效益,合理利用坡面植被挡蓄径流,减轻坡面工程土壤侵蚀。【方法】通过室内试验,模拟水流在不同密度植被覆盖下的坡面流动时水深及阻力的变化规律,详细描述坡面沿程水深规律并建立水深方程,研究阻力在整个坡面的分布及变化过程。【结果】①由坡面水深方程推求得出了水流所受坡面总阻力方程。②刚性植被与柔性植被在坡面阻流中对水流的阻碍作用不同,植被对坡面水流的阻力不随植被密度增大而增大,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。【结论】在治理低山丘陵区的水力侵蚀时,植被种植密度不宜过疏或过密,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。