坡面薄层水流分离土壤的动力学机理

为探讨土壤分离过程的水动力机理及植被根系对土壤分离的抑制作用,采用变坡实验水槽,系统研究坡度、流量及根系对土壤分离速率的定量影响。结果表明,土壤分离速率是坡度、流量及根系密度的函数;植被根系能显著降低土壤分离速率,草地土壤分离速率均值仅为休闲对照地的30.6%;随根系密度增加,土壤分离速率呈指数关系下降;0～4 kg/m^3为根系减少土壤分离的有效密度区间,在此范围内,根系密度的增加能引起土壤分离速率的急剧降低,超过4 kg/m^3,随根系密度增加,土壤分离速率的降幅并不明显。     

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。     

坡面薄层水流优势流速研究

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一.为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8 °、12°,流量12、24、48 L/min条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.Sm处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速.结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ～0.568 m/s之间.随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大.流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响.不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态.结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据.     

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。     

黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性

通过人工模拟降雨试验对黄河中游多沙粗沙区沙黄土坡面薄层水流水动力学特性进行了试验研究,取得了以下结果:(1)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流流速随降雨历时的增加而增大,可用对数方程很好地描述,薄层水流流速与雨强和坡度呈正相关关系;(2)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流的平均水深随降雨强度的增加整体警平稳增长趋势,其变化过程均可用幂函数方程描述,而平均水深与坡度呈负相关关系;(3)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流雷诺数随降雨历时的持续整体呈递增趋势,雨强对雷诺数的影响较坡度更为显著,薄层水流不属于传统意义上的层流,而是处于层流失稳状态;佛汝得数随降雨历时的变化范围基本上都大于1,且随着降雨历时的延长而稳步递增,坡度对佛汝得数的影响比雨强更为显著,试验中薄层水流基本处于急流状态;(4)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流阻力系数随降雨历时的持续皆呈递减趋势.     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

试论初生侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性

从水力学与泥沙运动力学观点，对初生态侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性，如流产；充态、临界水深、阻力系数等几个基本问题，作了半理论性探讨。     

急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

测量坡面薄层水流流速的电解质示踪真实边界条件法与系统

坡面薄层水流流速的测量对研究地表水文过程具有重要意义。电解质脉冲法将边界条件用脉冲函数近似得到解析解,进而估算流速,引起误差。本研究在脉冲法的基础上改进,在测量系统中增加一组探针用于测量实际的边界函数。利用测得的边界条件数据,计算出模型边界条件的参数,进而将系统的真实边界条件的解与实测数据拟合,用最小二乘法计算流速。结果表明:两种真实边界条件法估算的流速没有显著差别,与流量法测量结果也一致,在短距离时真实边界条件法比脉冲法有较高的精度。由此说明,采用真实边界条件法和系统测量流速是可行的。     

台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征

通过野外径流小区放水试验,研究2种台田类型(土坎,石坎)、3种台田级数(1,2,3级)、1种坡度(10°)、3种放水流量(0.5,1,1.5m~3/h)下坡面流土壤侵蚀过程,分析台田措施下坡面流土壤侵蚀水动力学特征。结果表明,台田级数对坡面流流态影响较大,增加台田级数可使坡面流波动性降低,台田类型对雷诺数影响相对较小。土壤分离速率总体随流量增大而增大,相同流量条件下,呈波动性增加后减少且逐渐趋于平稳的特征,两者相关关系用指数函数回归方程拟合(R20.840)。同类台田且田面宽度和相同条件下,土壤分离速率与台田级数呈负相关关系,阻力系数与流量呈负相关关系,坡面流土壤分离速率与阻力系数呈负相关关系。研究结果对认识坡面流土壤侵蚀的过程和规律具有重要意义,也为坡面侵蚀物理模型的建立提供参考。     

坡面流水动力学参数对土壤分离能力的定量影响（简报）

利用变坡试验水槽,在较大流量（0.5～2.0 L/s）和坡度（0～50%）范围内,详细研究了水深、平均流速、雷诺数、佛汝德数和阻力系数对土壤分离能力的定量影响,旨在得到估算土壤分离能力最简单的方法。研究结果表明：坡面流土壤分离能力与水深、平均流速间均呈显著的幂函数关系;土壤分离能力与水流流态密切相关,与水流佛汝德数相比,水流雷诺数与土壤分离能力的关系更密切;土壤分离能力与水流阻力间呈良好的幂函数关系。研究结果表明,平均流速是预测土壤分离能力的最佳参数。研究结果对于理解土壤侵蚀机理,建立土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法,从水力学与泥沙动力学观点出发,在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究,并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较,研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

不同土壤前期含水量对土壤分离临界水动力学特性及其抗剪强度的影响

通过实测不同土壤前期含水量(5%~23%)和坡度(1°~10°)条件下黄壤坡面土壤分离临界水动力参数,并结合不同土壤含水量(3%~23%)对土壤抗剪强度的影响,综合分析及探讨不同土壤前期含水量、坡度和土壤抗剪强度与临界水动力特性的关系。结果表明:临界流量与不同土壤前期含水量和坡度呈幂函数减小关系,并提出一种能够体现土壤前期含水量和坡度共同作用对临界水动力参数影响的预测方程。在坡度小于5°时,土壤前期含水量对临界水动力学参数影响较小,可直接采用简化的幂函数关系进行计算。土壤黏聚力随土壤含水量的增加先出现峰值后逐渐减小至稳定;与土壤黏聚力的变化趋势不同,土壤分离临界水动力参数则逐渐减小。     

集中流作用下黄土坡面剥蚀率对侵蚀动力学参数的响应

集中流引起的细沟侵蚀是黄土高原坡耕地主要侵蚀方式之一,对坡面集中水流动力学特性研究有利于掌握坡面集中流剥蚀产沙的根本原因,但目前哪种集中流水动力学参数最能准确揭示侵蚀动力过程机理尚不明确。该文采用室内集中流放水冲刷试验,以黄土高原典型黄绵土为研究对象,研究坡面平均和瞬时剥蚀率与相应水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量之间的关系。结果表明,除了瞬时过水断面单位能量拟合效果较差外,其他平均和瞬时水力学参数均能够较好地与坡面剥蚀率建立不同的拟合关系。所有参数中平均水流功率是描述本试验条件下的最优水力学参数。由于细沟发育过程中大量坍塌的出现,导致整个径流剪切力和水流功率与剥蚀率之间的关系曲线整体上升,出现了临界剪切力和临界水流功率为负值的情况。通过与仅考虑水流对坡面直接作用参数所得结果对比,表明坍塌等作用在细沟发育过程中具有重要影响,对剥蚀率的贡献可达90.93%。研究可为控制和预防集中流侵蚀发生提供科学依据。     

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。     

紫色土坡面细沟流的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、流量的组合放水冲刷试验,对紫色土坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面细沟流水动力学特征进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,紫色土细沟流流速随放水量的增加而增大,而在相同放水量下紫色土坡面细沟流流速随坡度增加变化趋势不明显。紫色土细沟流的雷诺数变化于500~4 600之间,流态基本属于紊流,在同一坡度下,雷诺数随放水量的增大而迅速增大。紫色土细沟流弗汝德数在整个试验过程中均大于1,属于急流范畴。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关,但其变化趋势受坡度和流量的影响。在坡度较缓时阻力系数随雷诺数的增大而减小,在坡度较大时阻力系数随雷诺数的增大而增大,但起伏较大。     

紫色土坡面细沟流的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、流量的组合放水冲刷试验,对紫色土坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面细沟流水动力学特征进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,紫色土细沟流流速随放水量的增加而增大,而在相同放水量下紫色土坡面细沟流流速随坡度增加变化趋势不明显。紫色土细沟流的雷诺数变化于500～4600之间,流态基本属于紊流,在同一坡度下,雷诺数随放水量的增大而迅速增大。紫色土细沟流弗汝德数在整个试验过程中均大于1,属于急流范畴。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关,但其变化趋势受坡度和流量的影响。在坡度较缓时阻力系数随雷诺数的增大而减小,在坡度较大时阻力系数随雷诺数的增大而增大,但起伏较大。     

集中水流内红壤分离速率与团聚体特征及抗剪强度定量关系

为明确红壤结构特征与抗剪强度对坡面土壤分离能力的影响,选取8种典型红壤为研究对象,通过团聚体稳定性分析,饱和抗剪强度测定,和室内模拟冲刷试验,就各参数间定量关系进行了初步探讨。研究结果表明:团聚体稳定性特征参数As集合了红壤团聚体破碎的主要机制,与不同水流剪切力中红壤分离速率有较好的相关性;红壤饱和抗剪强度(σs)与集中水流内临界水流剪切力(τc)呈较好的线性关系。基于WEPP细沟侵蚀模型,将团聚体稳定性特征参数As代替可蚀性因子Kc,饱和抗剪强度(σs)代替临界水流剪切力(τc),得出新的预测方程。结果显示预测方程能准确的预测坡面集中水流内红壤分离速率(R2=0.887 1)。该结果为深入研究红壤侵蚀机理提供了新思路,对完善侵蚀物理过程模型具有重要的意义。