草被覆盖对坡面流流速影响的人工模拟试验研究

草被覆盖是影响坡面流流速变化过程及特征的重要因素之一。研究草被覆盖下坡面流流速时空分布特征，对揭示草被减蚀作用机理有重要作用。该文通过室内放水冲刷试验研究了黄土丘陵区坡沟系统坡面不同草被覆盖对坡面流流速变化过程及特征的影响。试验中共涉及坡沟系统坡面5种草被覆盖度、3种空间配置和2种放水冲刷流量。研究结果表明：放水流量为3.2 L/min时，坡面草被覆盖对坡面流流速的延缓作用较大；流量为5.2 L/min时作用相对减弱；坡面及沟坡平均流速随坡面草被覆盖度的增加呈指数下降趋势。坡面流流速在坡面的发展有一个坡长范围，试验中，在距坡顶3～4 m处，坡面流流速达到最大；坡面、沟坡各断面流速基本上都随着放水冲刷时间的延长而呈下降趋势。     

植被覆盖下坡面流阻力变化规律

通过野外径流小区放水试验,研究3种植株密度(0,20,30株/m~2)、2种植株布设方式(行紧密,随机)、2种坡度(5°和10°)、3种放水流量(1,2,3m~3/h)下坡面流阻力系数变化规律。结果表明:坡面流阻力系数平均状态随植株密度的增加而增加,植株行排列方式较随机排列增阻作用更明显。冲刷过程中,坡面流阻力系数随时间呈幂函数增长,其中,裸坡阻力系数动态变化过程较有植被覆盖坡面幅度大,且随植株密度的增加,坡面流阻力系数动态变化过程趋于平缓;同植株密度下,植株随机排列方式较行紧密排列更能有效抑制阻力系数增加;随放水流量增加,阻力系数增加趋势减缓,随植株密度减小,放水流量对阻力系数变化过程的影响降低。对阻力系数进行逐步回归:有植被覆盖坡面阻力系数f=0.000284T~(0.692)Q_1~(-0.426)c~(0.745);裸坡阻力系数f=0.004335T~(1.180)Q_2~(-0.476)。阻力系数动态变化过程与流量和植株密度关系密切,其中有植被坡面的阻力系数与出口断面流量关系密切,裸坡的阻力系数与供流量关系密切。逐步回归结果表明,阻力系数变化过程由下渗过程和坡面侵蚀过程共同决定,其中裸坡的侵蚀过程对阻力系数的影响较大,有植被坡面下渗过程对阻力系数的影响较大。     

黄土坡面水力学特征参数与土壤侵蚀量间关系研究

 通过室内人工降雨模拟试验,研究黄土坡面水流的水力学特征参数与土壤侵蚀量间的关系。结果表明:随着放水流量的增加,出口断面平均流速、雷诺数在逐渐增大,弗劳德数在逐渐减小,坡面流流态也从层流状态逐渐过渡到紊流状态,当放水流量在10.1～19.9L/min范围内时,坡面水流的流态为层流与紊流之间的混和状态;出口断面的平均流速随着放水流量的增加而增大,二者之间呈良好的幂函数关系;黄土坡面的累计泥沙侵蚀总量随着雷诺数的增加而增大,二者呈幂函数关系;单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间拟合关系的好坏受雷诺数取值的影响,当雷诺数的值在临界雷诺数（取500）附近时,单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间的负相关性良好。研究结果不仅可以揭示土壤侵蚀水动力过程的内在机制,而且对黄土高原地区生态环境建设具有重要的现实意义。     

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。     

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。     

强降雨条件下坡面流的水动力学特性研究

为了研究坡面水流的运动规律及水力特性,基于人工降雨系统试验装置通过系列恒定强降雨过程,研究了不同坡度条件下坡面流水动力学变化过程.结果表明:不同坡长处,流速随坡度的变化存在明显差异.但随着雨强的增大.坡长对流速的影响逐渐减小;相同雨强条件下不同坡度间的流量变化较小,流量随着雨强的增大而增大;相同坡度条件下,坡面流水深及单宽流量与雨强具有较好的函数关系.     

基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法

坡面水流输沙能力是土壤侵蚀模型的重要参数之一,也是土壤侵蚀精确预报的基础。该文选用多沙粗沙区典型黄土(中值粒径d50=0.095 mm,d50′=0.04 mm)进行了坡度范围为7%~38.4%,单宽流量范围为0.000 14~0.005 26 m2/s的水槽模拟输沙试验,经无量纲化处理后分析了坡面水流输沙能力与坡度和单宽流量以及输沙能力与各水流强度指标间的耦合关系。结果表明:坡面水流输沙能力与坡度、单宽流量呈幂函数关系(R2=0.955),且单宽流量较坡度而言对输沙能力的影响更为显著;含沙水流平均流速与坡度、流量呈幂函数关系;剪切力可以通过幂函数关系式预测坡面水流输沙能力(R2=0.900,NSE=0.756 1);水流功率、有效水流功率是比剪切力更好的预测因子,其中考虑临界水流功率W0=36.5,水流功率与输沙能力幂函数关系(R2=0.950,NSE=0.978)最佳;单位水流功率并不能作为预测输沙能力的水流强度指标。该文关于黄土丘陵沟壑区坡面水流输沙能力的研究为土壤侵蚀预测模型提供了新的方法。     

不同床沙下的坡面流水力学特性试验研究

利用人工模拟降雨试验方法模拟原状土、邙山黄土、粉煤灰等不同土质坡面土壤降雨径流冲刷过程,对不同床沙下的坡面流水力学特性进行了研究。结果表明,不同床沙下坡面径流剪切力随降雨历时的变化规律是一致的,均表现出雨强越大,剪切力越大;在试验雨强范围内,邙山黄土、粉煤灰的剪切力较原状土为大;水流功率的变化规律与径流切应力的变化规律基本一致。该研究可为土壤侵蚀实体模型的建立提供理论基础。     

流速仪比较与林边溪流量量测

该研究于屏东县来义乡林边溪上游,采用电磁式流速仪、旋杯式流速仪及超声波数位流速仪,进行河川流速量测,并比较三种仪器所实际量测获得数据差别及其实用性,在枯水期进行河川流量量测时水位较低,可利用一点法或两点法量测其流速,并以平均断面法计算出流量,在低水位时,旋杯式流速仪会因为水流速度太小使旋杯无法转动,因此在低水位时,可以电磁式流速仪或超声波数位流速仪进行流量量测。量测结果显示林边溪α值(R/D)约在0.911～1之间,而流量Q<10cm/s时,α值非常趋近于1,当流量Q>10cm/s时,α值大约在0.91～0.96,流量Q>10cm/s时,水面宽度T及水力深度D的改变量较大。     

坡面流超声波水深测量系统研究

坡面流水深是常用的水动力学参数,是计算坡面流流速、水流剪切力、水流功率的基础,因而对其准确测量至关重要。室内侵蚀静床实验中水深直接测量法耗时长、误差大,而间接测量法一般是通过染色法测定流速进而反推出坡面流水深,测量精度受水流流态、测流区长度和含沙量等因素影响。鉴此,对超声波距离传感器应用于侵蚀静床坡面流水深测量进行系统研究,通过参数调试和测量系统检验,表明超声波水深测量系统测量不同厚度玻璃的平均相对误差为1.73%,对不同坡度、不同流量组合下坡面流测距的变异系数在0.061%～0.096%之间,其精度能够满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的研究需求,可用于侵蚀静床条件下坡面流水动力学特性、坡面流挟沙力、输沙及模拟覆盖对坡面流水动力学特性潜在影响的研究。     

Effects of Vegetation Stems on Hydraulics of Overland Flow Under Varying Water Discharges

Vegetation plays an important role in soil erosion control, but few studies have been performed to quantify the effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow. Laboratory flume experiments were conducted to investigate the potential effects of vegetation stems on Reynolds number, Froude number, flow velocity and hydraulic resistance of silt‐laden overland flow. Cylinders with diameter D of 2·0, 3·2 and 4·0 × 10⁻² m were glued onto the flume bed to simulate the vegetation stems, and a bare slope was used as control. The flow discharge varied from 0·5 to 1·5 × 10⁻³ m³ s⁻¹ and slope gradient was 9°. Results showed that Reynolds number on vegetated slope was significantly higher than that on bare slope because of the effect of vegetation stems on effective flow width. All the flows were supercritical flow, but Froude number decreased as D increased, implying a decrease in runoff ability to carry sediment. The mean flow velocity also decreased with D, while the velocity profile became steeper, and no significant differences were found in surface flow velocities among longitudinal sections on all slopes. Darcy–Weisbach friction coefficient increased with D, implying that the energy consumption of overland flow on hydraulic resistance increased. Reynolds number was not a unique predictor of hydraulic roughness on vegetated slopes. The total resistance on vegetated slopes was partitioned into grain resistance and vegetation resistance, and vegetation resistance accounted for almost 80% of the total resistance and was the dominant roughness element. Further studies are needed to extend and apply the insights obtained under controlled conditions to actual overland flow conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响

通过室内定床冲刷试验,选用砂布床面模拟土壤下垫面,选用砂布+塑料半球体(直径为40mm)床面模拟大粗糙单元下垫面,在较大流量(2.81~84.43L/min)、坡度(2°~10°)范围内,系统研究了大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:(1)大粗糙单元床面的平均流速、平均水深和弗劳德数与流量之间均呈幂函数正相关关系;平均流速和弗劳德数与坡度之间均呈幂函数正相关关系,而平均水深与坡度之间呈幂函数负相关关系;阻力系数随雷诺数的增大而逐渐减小。(2)大粗糙单元增加了坡面流阻力,延缓了坡面流流速,雍高了坡面流水深,并使得水流流型由急流趋向缓流发展。(3)坡面流绕流现象明显,大粗糙单元周围水深的大小为迎水深(h_1)侧水深(h_2)背水深(h_3),在较小坡度下(2°和4°),h_1-h_3随流量的增大先增大后趋于稳定,在较大坡度下(6°,8°和10°),h_1-h_3随流量的增大先增大后减小。(4)坡面流阻力由颗粒阻力和绕流阻力组成,绕流阻力占总阻力的29%~77%,绕流阻力随流量的增加而减小。研究结果可为坡面土壤侵蚀物理模型的构建提供一定理论依据。     

植被类型对河岸带坡面流水动力特性的影响

为了研究河岸带植被类型对坡面流水动力学特性的影响,通过野外简易径流小区放水冲刷试验,在3种流量(4,6,8 L/min)和6种不同坡面类型条件下对河岸带坡面流水动力学参数变化进行了分析。结果表明：(1)坡面植被的存在具有明显降低径流流速的作用,裸坡坡面平均流速(0.276±0.065 m/s)显著高于其他植被类型(p<0.05),坡面平均径流流速随着来水流量的增加而增加;(2)雷诺数随着放水流量和放水时间的增加而增加,所有河岸带边坡流型都属于层流;弗劳德数随着放水时间先减小后趋于稳定,各坡面流均属于急流状态(弗劳德数大于1);(3)植被覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数和弗雷德数,裸坡的雷诺数(128.53)和弗雷德数(4.0)显著高于其他坡面类型(p<0.05)。狗牙根坡面的Darcy-weisbach阻力系数(3.71)以及曼宁糙率系数(0.062)均最大,表现出对坡面流流速最好的阻滞效果。     

3种坡面流水深测量方法比较

[目的]为坡面流水深的快速、准确测量提供技术支撑。[方法]采用超声波系统测量变坡试验水槽不同坡度和流量条件下坡面流水深,同时用测针法和染色法对其进行平行测量,利用平均绝对误差(MAE),平均相对误差(MRE),相对均方差误差(RRMSE)和Nash—Sultcliffe系数(NSE)4个指标比较超声波法和染色法或测针法测量数据的接近程度。[结果]通过对3种方法测量结果的比较分析发现,不管以测针法还是以染色法的测量值为参照,超声波法测量的水深值与参照值更接近且相关程度更高。[结论]超声波法能快速有效地测量坡面流水深,用于侵蚀静床坡面流水动力学、土壤侵蚀机理等相关的研究工作。     

坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法

针对坡面径流水深浅(1～5mm)和水动力学参数(流速、水深等)提取困难,给坡面侵蚀径流水流结构、能量耗散及泥沙输移等的深入研究带来困难的问题,基于水动力学原理和相似性理论,通过非常规比尺模型将径流水深进行放大,来研究坡面薄层含沙水流的水流相似过程。结果表明:(1)当薄层含沙水流水深放大2.5倍,含沙量在10～320kg/m~3时,薄层含沙水流原型和模型的水面线(阻力)、流速、侵蚀地形的误差分别为0～0.1%,0.1%～5.3%,0.9%～4.9%,误差均在允许范围之内,原型和模型满足几何、运动等相似比尺转换关系;(2)水深在0.5～1.25cm时,薄层含沙水流为紊流,原型和模型的流速垂向分布满足对数分布,可以用同一方程进行表达;(3)非常规比尺模型可以作为一种方法应用到薄层含沙水流的水动力学参数提取、水流结构、能量耗散、泥沙输移等的深入研究过程中。     

坡面流水动力学特性研究

采用变坡水槽研究了坡面流水动力学参数 (流态、流速、水深及阻力系数 )随流量和坡度的变化规律。结果表明 ,坡面流流态与水深密切相关 ,当水流深度小于 0 .316 cm时 ,坡面流呈过渡流 ,水深大于 0 .316 cm时呈紊流流态 ;当坡度为 5～ 2 5°、单宽流量为 0 .6 2 5～ 12 .5× 10 - 3m3/(s· m)时 ,坡面流平均流速和平均水深主要受流量控制 ,坡度的影响并不显著 ,可用简单的线性函数来模拟平均流速、水深与流量和坡度间的关系 (r2分别为 0 .89,0 .78) ;当流量小于 0 .0 0 2 m3/s时 ,坡度对阻力系数的影响较为显著 ,当流量大于 0 .0 0 2 m3/s时 ,阻力系数基本受流量控制 ,随着流量增大 ,阻力系数呈幂函数形式下降。这说明坡面流的水动力学特性与明渠水流存在较大差异 ,在坡面水蚀机理分析、土壤侵蚀物理模型的构造过程中应予以充分考虑。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。