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。     

降雨强度和单宽流量与地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征

为探明降雨和地表颗粒共同影响下的坡面流阻力变化特征及形成机理,在15?定床条件下,分别研究了4个粗糙度(0.009,0.18,0.25,0.425 mm)和4个降雨强度(0,60,90,120 mm/h)在9个单宽流量(0.397~2.049L/(m·s))冲刷下的坡面流流速、流态指数、阻力系数、雷诺数等水动力学参数间的关系及变化特征。结果表明:1)坡面流流速与粗糙度呈反比,与降雨强度呈正比。流态指数m的计算结果显示(m0.5),坡面水流能量主要转化为动能形式;2)试验条件下,雷诺数变化范围为300~2 300,达西阻力系数变化范围为0~3.0,颗粒阻力和降雨阻力皆随着雷诺数的增加而减少,随着水深的增加,降雨对坡面流施加的影响逐渐减小。坡面总阻力系数与粗糙度成正比,与雷诺数和雨强成反比,降雨具有"减阻"效果;3)计算降雨阻力与颗粒阻力线性叠加值与坡面流总阻力的差异,结果表明坡面流总阻力大于线性叠加的结果,t检验结果显示差异显著(sig.0.0030.05),表明将坡面流阻力分量线性叠加计算坡面流总阻力的方法具有一定局限性;进一步构建降雨及地表颗粒影响下的坡面流阻力通式,具有良好的模拟效果。研究成果为深入探明坡面流阻力形成机理和构建坡面侵蚀模型提供科学依据。     

地表粗糙度及植被盖度对坡面流曼宁阻力系数的影响

为探明地表颗粒和植被共同影响下的坡面流曼宁阻力系数变化规律,在5°缓坡定床条件下,以曼宁阻力系数表征坡面流阻力,利用等效水力半径计算等效曼宁阻力系数,等效水力半径考虑了水流与植被的接触面,分别研究了4个地表粗糙度(0.009,0.12,0.18,0.38 mm)和4个植被盖度(0,4.0%,6.6%,12.2%)在9个单宽流量(0.2×10^-3~0.5×10^-3m^3/(m·s))冲刷下的坡面综合等效曼宁阻力系数、颗粒等效曼宁阻力系数及植被等效曼宁阻力系数的变化特征及相互之间的关系。结果表明:1)在坡面没有植被时,坡面综合等效曼宁阻力系数与流量呈负相关,当坡面有模拟植被时,两者间呈正相关。坡面综合等效曼宁阻力系数随着地表粗糙度和植被盖度的增加而增加;2)当地表粗糙度和模拟植被存在的坡面,线性叠加原理不适用于坡面综合阻力的计算,在水深较小时,会出现附加阻力。附加等效曼宁阻力系数与粗糙度和盖度呈正相关,而与水深负相关;3)通过多元回归分析得到坡面综合等效曼宁阻力系数的计算式,模拟效果较好(相关系数R=0.98),并分析得到各阻力分项等效曼宁阻力系数的计算式。分别剔除各阻力分项后将相关系数比较,植被阻力对坡面流综合阻力的影响最大,颗粒阻力次之,而附加阻力最小。研究成果将为构建坡面侵蚀模型和防治坡面侵蚀提供科学依据。     

缙云山典型树种树干液流径向变化及单株日蒸腾量估算

为分析树干液流速率径向变化,准确估算单木蒸腾量,运用Granier热扩散探针方法于2015年7-9月对重庆缙云山自然保护区内2个典型树种(杉木、四川山矾)树干木质部3个深度(10mm,30mm,50mm)的液流速率(V)进行测定。结果表明:杉木树干液流速率径向分布规律为:V_(30~50mm)V_(10~30mm)V_(0~10mm),V_(30~50mm)是V_(0~10mm)的1.65倍,V_(10~30mm)是V_(0~10mm)的1.12倍。四川山矾树干液流速率径向分布规律为:V_(10~30mm)V_(0~10mm)≈V_(30~50mm),V_(10~30mm)约为V_(0~10mm)和V_(30~50mm)的2.6倍;各深度处的液流速率之间呈显著线性相关关系;树干木质部不同深度处液流速率日变化规律呈单峰或双峰走势;7月份液流速率值最大,树木蒸腾出现"午休"现象;液流启动及到达峰值的时间在时间和空间上都存在差异。7月份液流启动时间和到达峰值时间早于8,9月份。径向上液流速率最大的位置,液流启动时间最早,到达峰值时间最晚;运用3个深度的液流速率分区域计算得到的杉木日蒸腾量为7 274.815g,四川山矾日蒸腾量为12 481.494g;忽略树干液流径向差异,以单一深度处液流速率估算日蒸腾量,对杉木产生的误差为10.29%~22.60%,变异系数CV为37%~60%,对四川山矾产生的误差为42.41%~66.88%,变异系数CV为19%~26%。     

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。     

降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性

为研究降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性,在重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站开展陡坡定床冲刷及人工模拟降雨试验,实测5种流量(0.486×10-3~1.736×10-3 m3/(s·m))和3个典型降雨强度及无降雨条件下(0、30、60、100 mm/h),受4种不同粗糙度影响(0.009、0.180、0.250、0.425 mm)下的坡面流的水深和流速,计算并研究不同工况下的平均流速、流速修正系数、流态指数、流态及坡面流阻力等水动力参数特征,结果表明:1)水流的平均流速随着单宽流量的增大呈幂函数增加,随粗糙度的增加而减小,无降雨时的流速修正系数为0.04~0.37,降雨时为0.42~0.98,降雨对坡面流起到扰动作用。2)流态指数范围为0.291~0.538,无降雨时,流态指数随着粗糙度的增加而明显减小,其减小程度分别为21%、28%和39%;中小雨强时,流态指数无明显规律,雨强为30 mm/h时,变化程度分别为18%、-29%和12%,雨强为60 mm/h时,变化程度分别为12%、-17%和-16%;大雨强时,流态指数呈现出较为明显下降的趋势,其变化程度分别为-6%、1%和-11%。3)水流雷诺数为500~2 000,所有实验工况下水流流型均属于层紊流过渡区;水流流态整体趋于急流状态;无雨时,粗糙度与流态关系明显,其值越小水流越趋近急流,而降雨时,由于降雨的扰动作用二者不再具有相关关系。4)坡面流达西阻力系数与粗糙度呈正相关关系,与单宽流量呈负相关关系,考虑雨强影响的坡面流阻力计算公式与剔除雨强的公式相比,相关系数下降0.01%,降雨对阻力系数无显著影响。      

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。     

植被覆盖度与空间格局对坡面流水动力学特性的影响

为研究植被覆盖度与空间格局对坡面流水动力学参数的影响,采用室内定床冲刷试验,以圆柱体模拟树木定量研究了4种覆盖度、3种空间格局的植被在5个坡度、6个流量下坡面薄层流水力要素及阻力的变化特征,探讨了植被覆盖度、空间格局对坡面流水动力参数的影响,并分析了植被覆盖度和空间格局对流速和阻力的影响指数。结果表明,在5种坡度下流速的变化范围在0.2~1.4m/s之间,流速最小的是覆盖度为6.1%角尺度为0的坡面条件,最大的是裸坡(对照)。各坡面条件的流态指数变化在0.7~0.8,表明水流以克服阻力做功为主。覆盖度对流速的影响在各流量下皆大于空间格局对流速的影响,且空间格局的影响效果只有覆盖度的50%。坡面阻力系数随着覆盖度的增加而增加,在各坡度下,达西阻力系数在0~0.16间变化,角尺度为0时的阻力系数大于其它角尺度下的。覆盖度对坡面流阻力系数的影响大于空间格局对阻力系数的影响。在缓坡(10°以下),空间格局对坡面流阻力的影响是覆盖度对坡面流阻力影响的50%以上,而在陡坡(15°以上)空间格局对坡面流阻力的影响仅仅是覆盖度对坡面流阻力影响的20%左右。     

刚性植被空间配置模式对坡面流水动力学特性的影响

通过室内人工模拟不可入渗光滑下垫面径流冲刷试验,讨论了5种刚性植被空间配置模式(行状、品字状、上部密集型、下部密集型、随机型及裸坡对照)的坡面水动力学特性。试验共在10组流量(0.2,0.3,0.4,…,1.1L/s)下冲刷,结果表明:植被的配置对坡面流水动力学参数影响显著。各刚性植被对坡面流流速抑制最大的是品字状的配置(平均流速0.689m/s),效果最差的是下部密集型的配置(平均流速0.568m/s)。坡面流阻力最大的是品字状配置(f=1.181)。各种配置类型下坡面流流态为过渡流-紊流态,配置模式不同对雷诺数影响远远小于流量对雷诺数影响。各配置模式下水深与流量的关系呈显著线性正相关(R20.99),流速随流量的变化关系为对数增加(R20.9),雷诺数与流量呈线性增加(R20.98),弗汝德数随流量的增加呈对数减少的趋势(R20.88)。     

缙云山典型树种树干液流日际变化特征及与气象因子关系

运用Granier热扩散探针方法,于2012—2015年8—9月对重庆缙云山自然保护区内3个典型优势木(杉木、马尾松、四川山矾)的树干液流进行测定,并运用微型气象站同步监测太阳辐射(ES)、大气温度(T)、大气相对湿度(RH)、风速(W)、饱和水汽压差(VPD)等气象因子及土壤含水量(SWC),分析3个树种的树干液流在日尺度及典型天气条件(晴、阴、雨)下的差异和特征及其与气象因子的关系。结果表明:树种间导水能力差异表现为四川山矾＞马尾松＞杉木,阔叶树种蒸腾速率高于针叶树种;3个树种树干液流日变化规律均呈现“昼高夜低”的单峰走势;液流启动时间和达到峰值时间均为山矾最早,杉木最晚;典型天气条件下3个树种液流量均呈现晴天＞阴天＞雨天,与晴天液流量相比较,阴、雨天液流量减少幅度为41%至86%;白天树干液流贡献率表现为晴天(94.74%~98.04%)＞阴天(93.63%~96.71%)＞雨天(81.43%~85.43%),夜晚树干液流贡献率表现为雨天(14.57%~18.27%)＞晴天(3.29%~6.37%)＞阴天(1.96%~5.26%);导致雨天夜间液流贡献率最大的因子为SWC;影响3个树种树干液流的主要气象因子为ES和VPD;T、RH、W对3个树种的影响程度都很小,且略有不同。气象因子与杉木、马尾松、四川山矾的树干液流多元回归方程决定系数分别为0.873、0.873、0.903。