坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

精确高效的观测手段是深入研究坡面薄层水流特性的基础。基于系统集成理论和自动化测量原理,结合高精度超声波水位传感器,研制坡面水流滚波特征参数测量系统。在光面玻璃床面,5种坡度和5种单宽流量条件下进行实际测量应用,评价测量系统的精确度及稳定性,并与人工测针法和目测法测量结果比较分析。结果表明,测量数据相对误差为0.23%,变异系数为0.66%;测量系统和传统测量方法测得的滚波波峰值最为接近,滚波频率、波速和波长的接近程度依次减弱;相比人工测量方法,超声波测量操作简便,自动化程度高且能够进行持续稳定观测,具有较好地测量精度和可靠性,能够满足坡面水流滚波特性研究需求。研究成果在坡面水流测量手段改进方面具有广阔的运用前景。     

明流条件下圆形隧洞正常水深与临界水深的直接计算

无压流圆形断面水力计算中的正常水深、临界水深求解无解析表达式,传统的试算法或查图法不仅计算过程繁琐复杂,而且计算精度不高。该文通过对圆形断面均匀流方程与临界流方程的数学变换,分别得到其正常水深与临界水深的牛顿迭代公式,同时,通过对正常水深与临界水深对应的中心角与引入参数之间关系的分析及数值计算,利用最优一致逼近原理分别得到了正常水深与临界水深对应中心角的近似计算式,并以此近似计算式为初值,用迭代方程进行一次迭代得到了圆形断面均匀流水深与临界流水深的直接计算公式。实例计算及误差分析表明：在工程实用范围内该法正常水深与临界水深最大相对误差分别为0.32%和0.0049%,如用该近似结果再迭代一次,精度高出103倍和105倍。     

梯形明渠临界水深的模式搜索算法求解

【目的】基于模式搜索算法求解梯形明渠的临界水深。【方法】针对梯形明渠临界水深计算无显函数形式的表达式,及传统计算中的试算法或查图法计算过程繁琐复杂且计算精度不高的现状,引入一个无量纲参数——单位水面宽度,对梯形明渠临界流水深的基本方程进行恒等变形,得到了求解单位水面宽度的超越函数,并证明该方程为单调函数。【结果】将求解临界流水深的问题等价于一非线性优化问题,并用确定性优化方法——模式搜索算法进行求解。【结论】实例计算及误差分析表明,该算法具有收敛速度快和求解精度高的特点,为梯形断面的水力计算提供了一种新思路。     

隔坡集流梯田工程的研究与规划

针对黄土高原丘陵沟壑区坡改梯及退耕还草还林中存在的一些问题,提出建立一个新的"隔坡集流梯田工程".该工程将梯田建设与林草、水利工程相结合,利用隔坡面汇集储存前期降水,用于补充水平田面作物需水关键期的灌溉,隔坡坡面进行退耕还草还林,从而解决黄土丘陵沟壑区干旱缺水、雨水资源利用率低等造成的作物产量低下、波动大等问题.     

数学建模在梯形明渠水力计算中的应用

通过对梯形明渠水力计算公式进行适当变换，建立了2种水力计算的数学模型，并借用Matlab数学软件进行编程计算，计算结果表明，该法不依赖图表，计算便捷且精度很高，可供工程实际参考应用。     

黄土坡面下坡位片蚀过程试验研究

坡面片蚀强度具有沿程空间变化性,阐明坡面不同坡位的片蚀过程对于完善坡面土壤侵蚀理论具有重要意义。采用组合小区模拟降雨试验方法对黄土坡面下坡位片蚀过程进行了研究,结果表明：（1）坡面下坡位片蚀特征与坡面上坡位及全坡面片蚀特征存在差异,下坡位片蚀规律性较差;（2）坡面下坡位片蚀随降雨过程、雨强和坡度的变化均呈现波动性,总体上随降雨过程先增大后稳定,随雨强及坡度的增大而增大;（3）坡面下坡位片蚀随雨强和坡度的变化可用二元线性方程描述,雨强的影响远大于坡度;（4）坡面上坡位汇流和下坡位产流及上坡位输沙对下坡位片蚀的影响可用二元线性方程描述,其中前者贡献率为56.9%,后者贡献率为25.4%,水的作用显著大于沙的作用。采取增加坡面入渗、减少径流的水保措施可有效防治坡面下坡位片蚀。     

黄土坡面细沟流土壤侵蚀机理研究

细沟侵蚀是黄土坡面最主要的侵蚀方式之一,土壤剥离过程是细沟侵蚀中的重要环节。采用6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°)、5种流量(8、16、24、32、40 L/min)组合冲刷试验,系统研究了黄土坡面细沟流土壤剥蚀率与水动力学和床面形态的耦合关系。结果表明:土壤剥蚀率与流量、坡度均呈幂函数增加关系,且坡度对土壤剥蚀率的影响更大;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲流速之间存在分区现象,表明土壤侵蚀受到除泥沙粒径外其他因素的影响;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲切应力双对数函数呈线性增加关系,且不存在分区;不同类型土壤无量纲剥蚀率与无量纲单位水流功率存在分区;土壤剥蚀率随跌坑发育系数的增加呈幂函数增加趋势,而土壤剥蚀率随L/H增加呈幂函数减小趋势,说明床面形态越加复杂、跌坑发育越加成熟,土壤侵蚀就越剧烈。研究结果对细沟水流侵蚀机理的探究具有一定的理论价值,对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。     

利用温度资料和广义回归神经网络模拟参考作物蒸散量

参考作物蒸散量(reference evapotranspiration,ET0)精确模拟对水资源高效利用和灌溉制度制定具有重要意义,该文以四川盆地19个气象站点1961-1990年逐日最高、最低温度和大气顶层辐射作为输入参数,FAO-56 Penman-Monteith(PM)模型计算的ET0为标准值,建立基于广义回归神经网络(generalized regression neural network,GRNN)的ET0模拟模型,基于1991-2014年资料进行模型验证,将GRNN模型同Hargreaves(HS1)和改进Hargreaves(HS2)等简化模型的模拟结果进行比较,分析只有温度资料情况下不同模型模拟ET0误差的时空变异性。结果表明:GRNN、HS1和HS2模型均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为0.41、1.16和0.70 mm/d,模型效率系数(Ens)分别为0.88、0.13和0.67。3种模型RMSE在时空上均呈现HS1HS2GRNN、Ens均呈现GRNNHS2HS1趋势;与PM模型模拟结果相比,GRNN、HS1和HS2模型模拟结果分别偏大0.8%、45.1%和17.3%。在时空尺度上的误差分析均表明利用温度资料建立的GRNN模型能够较为准确地模拟四川盆地ET0,因此可以作为资料缺失情况下ET0模拟的推荐模型。该研究可为四川盆地作物需水精确预测提供科学依据。     

马蹄形过水断面临界水深的直接计算法

马蹄形过水断面是无压隧洞较常采用的断面形式之一,水力计算中临界水深的求解无显函数公式,传统的试算法或查图法不仅计算过程繁琐复杂,而且计算精度不高。该文通过对马蹄形断面临界流方程的数学变换,并对本文引入的无量纲参数与相对临界水深的关系分析及数值计算,应用逐步优化拟合原理,得到标准Ⅰ、Ⅱ型马蹄形断面临界水深的直接计算式。实例计算及误差分析表明：在工程实用范围内该公式最大相对误差仅为0.8%,且该式物理概念清晰明确、公式形式简捷,为工程设计及水工设计手册的编制提供有益的参考。     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。