坡度对降雨径流挟沙能力影响的模拟试验

高陡边坡降雨径流侵蚀输移能力是一个重要的科学问题。通过室内模拟降雨试验研究相同雨强不同坡度和坡长条件下的降雨径流侵蚀输移规律。结果表明：(1)试验条件下,水深与水力坡度的1/3次方呈负相关,与坡长的3/5次方呈正相关,流速与水力坡度和水深呈幂函数增加;(2)相同雨强裸坡条件下,径流含沙量与水力坡度的1/2次方呈正相关,与坡长的4/5次方呈正相关。水流挟沙能力约与水力坡度的1/2次方呈正相关。(3)降雨径流的水流紊动扩散作用与重力作用的比值较明渠水流偏大,表明雨滴打击的紊动作用较明显,给出挟沙能力公式。与常用的河流泥沙挟沙能力公式比较,系数偏大,指数偏小。研究成果对深入分析降雨径流侵蚀输移的机制具有重要意义。     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

引黄畦灌田间水沙分布规律

为探究引黄地面灌溉条件下水沙在田间的分布规律,该文于尊村引黄灌区开展田间试验,研究灌溉水流推进过程,灌溉水含沙量沿畦长方向的变化及灌水后泥沙在田面的沉积状况。结果表明,引黄灌溉水在沿畦长方向推进的过程中,随着水分下渗和水力损失,其流量减小,挟沙能力沿畦长方向逐渐减弱;挟沙水流中的较大粒径颗粒逐渐沉积,水流中携带泥沙的中值粒径逐渐减小;灌水结束后,田面沉积泥沙粉粒质量分数占70%左右,田面沉积泥沙质量沿畦长方向逐渐减小,在畦尾有增大趋势,且畦田首端和畦田尾端的沉积泥沙粒径大小及其颗粒组成却相差不大。研究结果为开发和利用畦灌蓄沙、放淤改土等黄河水沙利用技术提供一定的科学依据和理论支持。     

泾惠渠灌区浑水泥沙输移特征

通过对泾惠渠灌区2013年夏秋灌期干支斗渠浑水资料的实时取样分析,探究渠灌区渠系挟沙水流含沙量及泥沙级配的时空变化规律,量化描述不同粒径悬移质泥沙颗粒的输移特征,旨在获得灌渠渠系内挟沙水流历经冲淤过程不同粒径悬沙沿程的垂向分布与输移规律,为渠灌区的运行及泥沙问题的处理提供理论基础。灌区内进行的原型取样测流工作在选定的具有代表性的干-支-斗渠线路上进行,观测分析了灌区渠系含沙量及不同粒径泥沙颗粒沿垂线分布的特征,验证分析了挟沙水流历经淤积过程含沙量分布的变化规律。通过对典型渠系线路不同粒径悬移质泥沙的沿程调整计算分析,表明不同粒径泥沙沿程的输移特征不同,各分组沙的冲淤特征并不都和全沙平均计算结果一致,其中级配曲线左端一定粒径范围（约＞0.015 mm）的粗沙与全沙具有同冲同淤的规律。该研究可为泾惠渠灌区泥沙处理利用以及渠灌区浑水调控理论与技术的进一步研究提供依据。     

流量对河水滴灌重力沉沙过滤池内流速分布的影响

为研究流量对河水滴灌重力沉沙过滤池流速分布规律的影响,该文对5种不同流量下的水沙两相流流场进行了数值模拟。通过对不同流量下流速沿程分布规律、流速沿水深方向分布规律及水沙分离效率的对比与分析,可知河水滴灌重力沉沙过滤池的适宜流量范围为0.05~0.2 m3/s,进水流量越小,流速变化幅度也就越小,越有利于泥沙沉降,水沙分离效率不小于72.5%。不同流量下沉淀池中流速沿程变化规律可分成3个阶段:流速迅速增加阶段、流速缓慢减小阶段和流速迅速减小阶段。清水池中流速方向与沉淀池的相反,流速沿程减小。受进水口、出水口和固体边界,以及侧向溢流堰的影响,不同流量下河水滴灌重力沉沙过滤池中的流速沿水深方向分布规律有差别。当流量为0.05和0.1 m3/s时,远离进水口、出水口及侧向溢流堰的位置,流速沿水深方向的分布规律包含流速迅速增加、流速缓慢减小和流速恒定3个阶段,而清水池则只包括流速迅速增加和流速恒定阶段。研究可对大首部的应用提供参考。     

黄土坡面细沟横断面形态及其水流动力学与挟沙特性

为了探究影响细沟横断面形态特征的因素及细沟水流侵蚀挟沙能力的变化,通过室内水槽试验,研究不同坡度下细沟断面形态发育规律及水流动力学与挟沙特性。结果表明:放水流量为1 000L/h,坡面细沟水流流速随坡度增大而增大,弗如德数在0.918~2.126之间变化,且绝大多数值1.0,雷诺数在1 500~4 900之间变化;随坡度增大,细沟水流侵蚀能力加大,细沟发育速度加快;细沟流量一定条件下,伴随细沟发育,断面形态由宽浅形向窄深式发育,细沟水流流速减小;细沟断面形态系数变化于0.40~0.80之间,主要集中在0.50~0.65的范围内;细沟断面形态指标随细沟潜在挟沙量的增大而降低。     

泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀的影响

中国多沙河流居多,水流中泥沙是由不同矿物成分（石英,长石,白云石等）组成,含沙高速水流中泥沙矿物成分对泄洪建筑物混凝土材料磨蚀有何影响令人关注。该研究在自主研发的小型循环式水洞中,对不同含沙量的泥沙矿物成分进行试验研究,以揭示泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀破坏影响的机理。首先在循环式水洞内配制不同矿物成分（石英、长石、白云石、云母、辉石）、不同含沙量（S=2.5,12.0,20.0 kg/m³）的挟沙水流,利用压力数据采集系统（YE6263）实时采集空化区和磨蚀区压力;其次,试验采用强度相同的混凝土试件,在相同粒径、不同含沙量、不同矿物成分工况下,进行历时4 h的磨蚀试验,通过试件每小时的质量损失来表征磨蚀量。试验结果表明：在中值粒径为 0.150 mm,喉部流速为 38.6 m/s的条件下,随着矿物含沙量（2.5～20.0 kg/m³）的增加,空化区压力降低,磨蚀区压力升高,压力降、升幅度随矿物成分而异,空化磨蚀现象严重,试件累积磨蚀量与矿物含沙量呈线性相关。含沙量相同时,空化区测点压力随矿物摩氏（Mohs）硬度（2.5～7.0）的增大而降低,磨蚀区测点压力则随矿物硬度的增大而升高;混凝土试件配合比、龄期不变时,混凝土试件的磨蚀程度随矿物含沙量的增加而加剧,其磨蚀量增加一倍多,与矿物成分有关;当矿物硬度增加时,磨蚀程度也随之加剧,磨蚀量成倍增长。由此得出,泥沙矿物成分随其含沙量的增加和硬度的增大,对水流空化和混凝土磨蚀具有促进作用。该研究可为农业水利工程中泄洪建筑物（溢洪道、泄洪洞、消力池等）及渠系建筑物的设计和维护提供参考。     

云南省东川蒋家沟泥石流对小江悬移质输移的影响

以2009年8月4日云南省东川蒋家沟暴发的一场泥石流汇入小江的过程为例,观测分析了泥石流汇入后小江泥沙悬移质输移特征变化。通过与2009年雨季测量的小江相关观测数据比较,发现泥石流汇入前、后,小江的悬移质含沙量由4.00kg/m3增大到25.78kg/m3。采用粒度特征分析的图解法分析了蒋家沟泥石流浆体、小江桥处小江悬移质泥沙和新田坝处小江悬移质泥沙的粒度特征参数,及泥石流汇入小江后的变化和粒度特征参数之间的关系。发现结果表明,新田坝处的小江悬移质泥沙大部分来自于泥石流,造成了粒度平均值变小（最大值由7.460μm减小到7.097μm）,但分选性有所提高,属于中等分选性。借助这些关系可以明显区分出挟沙水流和泥石流的浆体。     

近红外反射高含量泥沙传感器研制

水流含沙量测量是水土流失监测体系的重要内容,开展含沙量测量传感器的研究对于实时监测具有重要意义。为了实现对水流高含沙量的测量,该文根据含沙水对不同光谱的吸收和反射特性,采用1 800 nm（强水分反射波长）和1 940 nm（强水分吸收波长）近红外光源开发了泥沙测量传感器和测量装置,并对新型传感器进行了标定试验,分别建立了取自黄河、渭河和天水的泥沙与传感器输出信号之间响应关系。结果表明,当含沙量小于300 kg/m3时,测量得到的反射光强度随含沙量的增加而增加,传感器输出信号与含沙量之间具有很好的线性相关性,并建立了线性模型,决定系数均大于0.9。为了验证模型的精度,将实际含沙量与模型计算含沙量进行比较,结果表明,二者回归系数接近于1,相对误差小于10%,可以使用模型计算值代替实际含沙量。2种波长的传感器对含沙量的测量范围均为1～300 kg/m3,当含沙量大于10 kg/m3时测量精度大于90%,同时传感器精度受到泥沙种类、吸光物质和气泡等其他因素的影响。设计的传感器可以满足对高含沙量水流的测量要求,适用于土壤侵蚀严重的地区。研究结果在水土流失自动监测中具有良好的应用前景。     

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

考虑颗粒动态尺度影响的泥沙扩散系数模型建立及应用

在欧拉两相流数值算法中,多采用类比水流涡黏性系数的半经验泥沙扩散系数模型来计算固相体积浓度分布。而在将这一模型用于悬移质固液两相流时,因忽略了颗粒动态尺度对流体湍流强度的影响导致计算精度较低。为了体现这一影响,该文针对悬移质固液两相流,基于类比水流涡黏性系数的半经验模型,以颗粒与含能涡相互作用理论判断颗粒动态尺度和固相体积浓度对流体湍流强度的作用,根据流体湍流平衡流动理论和变量间多元回归分析方法,结合现有试验数据,建立了流体湍流强度变化率与颗粒动态尺度、固相体积浓度的关系式,进而得到了新的泥沙扩散系数的计算模型。通过对圆管中悬移质固液两相流的计算表明,相比于现有泥沙扩散系数模型,该文提出的模型能够体现颗粒动态尺度对泥沙扩散系数的影响,在不同含沙工况下计算得到的固相体积浓度分布与试验结果吻合更好,计算值与试验值的最大相对误差在10%以下,远远小于现有泥沙扩散系数计算模型的最大误差。该文新发展的泥沙扩散系数模型得到的悬移质固液两相流流场的计算精度明显提高,可以用于准确预测悬移质固液两相流流场特性。     

旋风集尘器外旋流区与内旋流区的流场分布

研究了内旋流加速旋风集尘器外旋流区和内旋流区的流场分布,测量出各旋流区的速度,推导出流场分布的空间向量。实验表明,流场切向速度的分布形式为沿半径方向递减的准自由涡,准自由涡指数为０．５,外旋流区的最小切向速度１５ｍ／ｓ,内旋流区的最小切向速度３２ｍ／ｓ,外旋流区和内旋流区上端轴向速度的分布形式为指数分布,最大轴向速度分别为４．９２ｍ／ｓ和５．５７ｍ／ｓ;内旋流区下端的轴向速度在与中心旋流的交汇处为０,并沿径向以指数递增;各旋流区的径向速度较小,方向向心。     

坡面流速的试验研究

本文首先对于现有各种坡面流速公式作一简单概述,进而简介坡面流速的试验布置。根据不稳定流计算理论,对试验资料进行了整理分析,得到下列的坡面流速公式:V=kq^0.5I^0.35式中:q——单宽流量（立方厘米/秒·米）;I——坡面的坡度比值;V——相应于q和I的坡面流速（厘米/秒）;k——系数。是随坡面的表面特征而异,在本试验裸地条件下k为2.0。然后,在试验给定的流态和公式的基础上,结合应用现有坡面流速公式,反求k值。按地表特征分类归纳,取其平均值为采用值。     

黄绵土细沟水流输沙能力对地表冲刷流量的响应

为明确黄绵土在径流冲刷下的细沟侵蚀特征和产流产沙规律,通过细沟模拟,设计3个流量(2,4,8 L/min)和4个坡度(5°,10°,15°,20°),在变坡土槽中进行室内冲刷试验,实测不同坡度和流量下黄绵土在坡面细沟发育过程中产生的最大径流含沙量,并得到其相应的输沙能力(A)。结果表明,当坡度一定时,输沙能力随流量增大呈线性增大,且坡度越大增幅越明显;当流量较小时,输沙能力随坡度增加而缓慢增加,当流量达到8 L/min时,输沙能力随坡度增加的幅度更为明显,但坡度上升到15°以后几乎不再变化,说明流量对输沙能力的影响更为显著。含沙量(c)随沟长(x)的变化规律符合数学模型c=A(1-e-Bx),控制所有流量坡度组合在不同沟长(1,2 m)条件下进行冲刷试验,将冲刷测量得到的径流含沙量与各组合下的输沙能力(A)代入关系式,利用待定系数法计算出不同试验条件下含沙量随沟长变化的衰减系数(B)。研究结果可为黄绵土水土保持研究与实践提供理论基础与科学依据。     

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。     

坡面径流含沙量随雨强和坡长的动态过程

坡面径流的含沙特征是研究坡面侵蚀产沙的重要内容。为了研究坡面径流含沙特征及动态过程,揭示坡面径流含沙量随雨强和坡长的复合关系。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析思路,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)坡长不同,含沙量与雨强的相关性不同,以2,3,4m坡长含沙量随雨强增加的规律性最明显,5m坡长的相关性最差,1m坡长的直线相关性较好,但增长斜率很小,由此可推得,研究坡面径流含沙量随雨强变化时,以2~4m坡长的试验槽较为适宜;(2)含沙量随产流历时总体上呈现出波动递减的趋势。含沙量波动特征值在2~4m坡长范围内波动性小而波动频率大,在1,5m坡长的波动性大但频率小。坡面径流含沙量变化的频率远大于河川径流含沙量的变化频率,即稳定性较差;(3)含沙量与主要水文要素和水力学特征参数的拟合都呈现出极显著相关性,流速、流量和剪切力是影响含沙量波动的重要因素。