单颗粒液滴飞溅对颗粒起动的影响

通过室内模拟降雨试验,探究单颗粒液滴飞溅对泥沙颗粒起动的影响。试验共设计4种地表坡度（0,15°,25°,35°）及4种粒径的均匀沙（0.098~0.104,0.104~0.5,0.5~0.78,1~1.4 mm）,选取当量直径为4.5 mm的液滴进行模拟试验,同时利用高吸水树脂材料泡发后的水球作为对照组。结果表明,颗粒直径和坡度的变化对颗粒起动的影响较为显著,飞溅子液滴对液滴溅蚀具有重要意义。随着颗粒直径的增大,颗粒的起动逐渐由液滴冲击和子液滴飞溅裹挟共同作用转变为液滴冲击动能传递为主,飞溅携带为辅。当颗粒直径相同时,坡度的增大导致飞溅沙粒不再均衡,斜坡下方的颗粒飞溅量和位移随坡度的增大而增大。坡度越大,下方颗粒溅蚀深度与上方的差距也越大,导致上方颗粒失去支撑,整体失稳垮塌,发生微小滑坡。同种粒径时,树脂水球溅蚀坑的宽深比明显小于相同直径的液滴溅蚀坑,液滴溅蚀量远大于树脂水球直接撞击作用下起动的颗粒量,子液滴的拖曳对颗粒起动具有重要意义。     

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。     

基于能坡划分原理的大比降山区河流阻力特性

在山区河流水沙灾害河道修复中,河道阻力系数是一个非常重要的参数。普通天然河道的达西阻力系数是水深h与泥沙粒径d比值的函数,而在山区大比降粗糙河道中,其值随着坡降的改变而变化。为探究大比降河道达西阻力变化规律,该研究通过变坡水槽试验设置3种坡度（10°、25°、35°）更大的河道,试验时床面铺设中值粒径为0.5、1和1.85 mm的3种天然沙,流量设定为0.5～2.5 L/s,淹没度范围h/d为0.84～7.27,采取试验数据和经典文献数据共计48组,涵盖河道坡度范围0.97°～35°（对应比降S范围为17‰～573.6‰）,进而建立能够反映滚波影响的适用于山区大比降河流的达西阻力表达式。结果表明：1）大比降河道水流表面会产生滚波,使得达西阻力系数增大;2）大比降河流的能坡可划分为两部分：正常河道无滚波时的能坡以及河道水面滚波产生的额外能坡,前者及其对应的达西阻力系数可以利用传统的对数公式进行求取,后者可以利用总能坡与无滚波时的能坡相减得到;3）将建立的比降达西阻力公式计算结果与实测数据比较,可以发现绝大部分数据落在±20%误差线中,说明该研究提出的公式的计算精度较高。研究建立的大比降河流阻力计算模型可以揭示大比降河道水流能量消耗机理,为后续研究大比降河流问题提供理论基础。     

坡面产沙BP神经网络模型研究

根据四川井研县坡耕地实验点对不同坡度、不同耕作方式情况下水土流失的实测资料 ,引入神经网络建模方法 ,建立了不同坡度下顺坡垄作和横坡垄作的次降雨产沙网络模型 ,得出前次降雨因子即前次降雨量、前次降雨强度及此两次降雨间隔天数对本次降雨产沙影响很大 ,不可忽略。针对复杂的非线性坡面产沙系统 ,BP网络模型比传统的回归模型能更好地刻画其本质特征。这不仅揭示了坡耕地水土流失的内在机理 ,同时为定量研究顺坡垄作改为横坡垄作的水土保持效益提供了科学依据。     

顺坡垄作改横坡垄作的水土保持神经网络模型

根据四川井研县坡耕地实验点对不同坡度、不同耕作方式情况下水土流失的实测资料,引入神经网络建模方法,建立了不同坡度下顺坡垄作和横坡垄作的次降雨产沙网络模型,得出坡耕地水土流失的内在机理,同时为定量研究顺坡垄作改为横坡垄作的水土保持效益提供了科学依据.     

脉冲式液滴对非均匀沙坡面的溅蚀影响

通过模拟雨滴溅蚀试验，探究液滴定点脉冲式打击对非均匀沙的溅蚀影响。试验对4种中值粒径的非均匀沙（1, 2, 3, 3.7 mm）在4种坡度（0°，15°，25°，35°）条件下，采用直径3.65 mm的脉冲式液滴进行试验，对比其溅蚀过程和溅蚀坑型得出结论：相同直径的液滴在同坡度同中值粒径的非均匀沙坡面进行试验，脉冲式液滴对其影响比单液滴更明显，液滴连续打击具有一定的“叠加效应”，下垫面坡度及中值粒径的变化对溅蚀过程及溅蚀坑型也有明显影响。液滴初始打击赋予颗粒不稳定性，随着液滴持续打击，中心颗粒被压实形成塌陷，周围颗粒在侧压力和液滴打击的冲量作用下向四周呈抛物线跃移，形成粗颗粒松散沉积物，进而粗化发展形成溅蚀坑。随着坡度增加坡面稳定性变差，溅蚀坑坑口直径变大、上壁变陡、下壁变缓，下坑唇处颗粒堆积量增加，更易失稳垮塌。同时中值粒径越大细砂受到的遮蔽作用越强，液滴的能量损失越大，用于破坏下垫面原始结构的能量越少，形成溅蚀坑越难。