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。     

现浇砼U型渠道施工技术

现浇砼U型衬砌渠道以其防渗效果好、使用寿命长、施工质量便于控制、外型美观等优点深受欢迎。在施工时一定要把握好土方施工的密实度和渠道纵坡、渠道的整形、现浇砼振捣的密实度等关键环节。     

模拟降雨下土壤剥蚀率和水流含沙量的关系

为了确定坡面土壤剥蚀率与水流含沙量的关系,利用变坡土槽模拟降雨试验,对剥蚀率和含沙量关系及其影响因子进行系统分析。结果表明,土壤剥蚀率和水流含沙量与雨强的关系较为密切,土壤剥蚀率和水流含沙量随雨强的增加而增加;坡度对土壤剥蚀率有一定影响,在试验的坡度和流量范围内剥蚀率、含沙量随坡度增加呈先增加后减小趋势,24°为临界坡度;土壤剥蚀率与水流含沙量之间呈幂函数关系,两者相关性显著(Dr=aSbc,其中0.01a0.05,0.9b1.4)。     

U形渠道正常水深的直接水力计算公式

针对水力性能优良的U形渠道,依据明渠均匀流基本原理,以过水断面水深恰好等于U形底弧弓高时断面过流量作为分界流量Qb,引入断面特征参数和无量纲相对正常水深,采用麦考特优化法,以离差平方和最小为目标,利用SAS软件编程,通过最优化拟合建立了U形渠道正常水深直接水力计算公式。通过误差分析表明,所建公式在渠道过流量Q小于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均小于0.44%;渠道过流量Q大于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均不超过1%,可见公式具有较高的精度,且物理概念清晰、计算方便快捷;该公式不仅可用于解决宽浅式渠道正常水深水力计算,也适用于窄深式渠道正常水深的水力计算,具有较强的通用性,可为渠道工程设计和运行管理提供理论依据和有益参考。     

坡面土壤剥蚀率及其与水流含沙量的关系研究

为研究天然降雨条件下坡面土壤剥蚀率及其与水流含沙量的关系,通过在野外15°径流小区分多层多区段同时布设不同稀土元素进行连续天然降雨试验.结果表明:距坡顶4 m坡段内的土壤剥蚀率在首次产流初期相对较大;随着坡面下部细沟的出现,距坡脚2 m的坡段内,水流剥蚀逐渐以细沟流剥蚀为主,土壤剥蚀率在整个坡面内最大;坡面各段土壤剥蚀率的变化过程同降雨强度的变化趋势基本一致;在次降雨过程及全年的降雨中坡面各段土壤剥蚀率随水流含沙量的增加呈幂函数递增.     

盐热联合示踪表征薄层水流剖面流速分布

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一,研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法,对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量,探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种坡度(5°、10°和20°)下,以下垫面条件(有机玻璃、80目即0.16 mm砂纸和24目即0.53 mm砂纸)、流量(2、5和8 L/min)和示踪剂类型(盐和热)为试验因素,以每个坡长(2、3和4 m)处的水流流速为试验指标进行多因素间的完全试验。结果表明,当下垫面一定,水深为粗糙高度的2～4倍,且水流为层流流态时,盐与热联合示踪的方法可用于表征薄层水流的剖面流速分布;下垫面粗糙高度和水深对薄层水流剖面流速分布具有显著影响(P<0.05)。3种垫面下,2种示踪剂测得流速具有显著的线性相关关系,其线性拟合直线斜率分别为1.015、1.094和1.078,决定系数R²分别为0.892、0.824和0.760。随下垫面粗糙度增加,2种示踪剂测得流速差异呈增大的趋势;床面粗糙高度的增加,加大了对水流的扰动作用,增加了水流的紊动程度,进而影响盐与热...     

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。     

U形渠道圆头量水柱测流影响因素试验及模拟

为研究U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素,基于绕流理论和RNG k-?湍流模型,对18种体型圆头量水柱5种工况下的水力性能进行全流场数值计算,获得了时均流场、断面流速分布及柱后水流流态,并与实测值进行对比。同时,通过模型试验与数值仿真研究了V形尾翼对测流的影响。结果表明：水力参数的实测值与模拟值具有较好的一致性,渠道底坡为1/1 000,流量为45.01 L/s,收缩比及长宽比分别为0.50和2时,驻点处横断面最大流速模拟值与实测值相对误差为1.51%,水深15 cm位置剖面最大流速模拟值与实测值相对误差为0.45%。适宜长宽比的V形尾翼可以有效改善过槽水流：当收缩比为0.50～0.75时,建议长宽比为3/2～2;当收缩比＜0.50时,长宽比应相应增大,但不宜＞5/2。通过回归分析得到的圆头量水柱流量计算公式,在收缩比为0.63时最大测流误差为4.95%,平均误差仅为0.10%,该研究为圆头量水柱在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

U形渠道量水槽的筛选研究

U形渠道抛物线形无喉段量水槽、直壁式量水槽、圆底形量水槽具有与U形渠道自然衔接,不抬高底坎,过泥沙能力较强,工程量较小,量水精度较高的优点,是U形渠道量水的优化选择,对这3种量水槽在不同尺寸、底坡和糙率条件下的U形渠道的适应性、壅水高度、工程量及其量水精度等技术性能进行系统分析,表明抛物线形无喉段量水槽的适用面广、工程量小、壅水高度较低,量水精度与其它两种量水槽的量水精度相当,是一种高性能的多泥沙U形渠道量水装置。     

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。     

坡面水流速度与坡面含砂量的关系

通过组合不同坡度（10°、15°、20°、25°）、不同坡长（5、10 m）、不同雨强（1.5、2 mm/min）的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流速的沿坡变化进行了研究,并讨论了流速与坡面含沙量的关系。试验结果显示：从坡顶至坡脚,坡面细沟流的速度逐渐增加;坡面流速主要受雨强和其流动距离影响,与坡度无关,并得到流速与雨强和距坡顶距离的关系式。坡面含沙量与坡度、雨强和坡面流速相关,而10 m坡长所测的含沙量与5 m坡长相近。将坡面流的能量分配为自身流动所需能量、剥蚀土壤消耗能量以及携带搬运土壤所需能量,在一定坡长内,径流的能量足以剥蚀并携带搬运坡面土壤,但超过此范围,虽然流动速度在增加,但是径流消耗于携带搬运泥沙的能量也增加,从而使坡面流的能量不足以支撑剥蚀土壤耗能,而坡面含沙量不会有显著的增加。     

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.     

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。     

含砾石土壤坡面流速及产流产沙过程研究

 在模拟降雨条件下对5种土壤(砾石质量分数分别为0、10%、20%、30%、40%)的坡面流速及产流产沙过程进行研究,以期深入了解含砾石土壤的水土流失过程。结果表明:含砾石土壤的坡面流速和径流量大于不含砾石的土壤;在降雨初期0～10min内,含砾石土壤的产沙量随时间呈显著增加趋势,峰值出现在10 min左右,随后产沙量逐渐降低;降雨后期30～60min内,含砾石土壤的产沙量又呈增加趋势,尤其是砾石含量为30%和40%的土壤产沙量显著增加,且随时间有一定波动。试验中,5种土壤的总产沙量与砾石含量正相关,径流含沙率与产沙量则呈显著线性正相关。     

肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响

为研究浑水水肥一体化灌溉过程中,不同肥料对滴头输沙能力的影响,合理配置滴灌系统首部的过滤设备和设施,降低过滤设施的成本,提高滴灌系统工作效率,选取了常用的3种肥料(尿素、硫酸钾和水溶性复合肥)及其3种肥料质量分数(1%、2%和3%),在含沙量为1 g/L的浑水条件下进行间歇灌水堵塞试验,分析了滴头累积泥沙输出量、出流含沙量和泥沙输出率。结果表明:浑水施肥可以增强滴头的输沙能力,肥料类型和浓度不同,对滴头输沙能力的影响也不同。滴头输沙能力随着尿素浓度的增大而增大,当尿素质量分数为3%时,滴头输沙能力比未施肥处理增加了11%(P0.05)。滴头输沙能力随硫酸钾和复合肥浓度的增大而减小,当硫酸钾质量分数为1%时,滴头输沙能力大于未施肥处理,增大了25%;当复合肥质量分数2%时,滴头输沙能力小于未施肥处理。标准化的累积泥沙输出量与标准化的累积灌水量的拟合直线斜率也可作为滴头输沙能力的判断依据,肥料质量浓度是影响滴头输沙能力的重要因素,应根据不同的肥料类型,确定适宜的施肥浓度。研究结果对确定滴头防堵塞策略提供一定的参考。     

极端降雨条件下秸秆覆盖坡面水流流速空间分布

坡面流流速是地表水文和水土保持研究的重要参数。极端降雨条件下,秸秆覆盖坡面水动力过程复杂,探明其流速分布规律对坡耕地土壤侵蚀预报具有重要意义。该研究的模拟降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅内进行。试验土槽宽0.25 m,长8 m,深0.3 m,底部填装黏壤土（31.8%黏粒,43.3%粉粒,24.8%砂粒）,土壤表面均匀铺设长5～7 cm小麦秸秆。试验雨强为160 mm/h2,共设置3种坡度（5°、10°和20°）和3种秸秆覆盖率（0、2和8 t/hm2）,分别在沿着坡长方向距坡顶1.15、3.15、4.15和5.15 m处设置采集点;采用电解质示踪法测量坡面水流流速,分析秸秆覆盖率对坡面流流速及其空间分布规律的影响。结果表明,极端降雨条件下质心法适用于秸秆覆盖坡面流速测量,秸秆覆盖下测量流速为0.017～0.117 m/s;秸秆覆盖可削弱雨滴对坡面流的扰动,增大下垫面的粗糙度,流速随覆盖率的增大而减小。流速随坡度与坡长的增加而增大;沿坡长方向流速变化率逐渐减小,流速最终趋于稳定;由于秸秆对水流的阻碍作用,高秸秆覆盖率坡面达到最大稳定流速的距离减小。秸秆覆盖坡面与裸坡面的水流流速存在显著的线性关系。秸秆覆盖影响坡面流流态,层流的临界雷诺数取值应小于500。研究结果对理解极端降雨条件下覆盖坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。     

径向柴油机微粒捕集器流速分布特性数值分析

为了得到径向柴油机微粒捕集器内流速分布特性,该文利用流体计算软件对一种可旋转径向式微粒捕集器内流速分布特性进行了数值研究,考察了排气流速、管道直径比、扩张角及载体长度等参数对微粒捕集器内流速分布的影响规律。在入口气流流速50 m/s条件下,测量了微粒捕集器各计算截面内流速分布情况,并且与计算值进行了比较,最大误差为3.2 m/s,在允许范围之内。结果表明,降低排气流速、减小管道直径比与扩张角、增加载体长度均有利于提高微粒捕集器内流速分布均匀性。该研究对控制微粒捕集器再生过程、提高过滤体利用率及微粒捕集器使用寿命有重要意义。     

不同结构滴灌双向流道灌水器抗堵性能对比试验

该文开展滴灌双向流道抗堵性能研究,以提高灌水器对含沙率较高的地表水源的适应性。试验浑水含沙率为30 g/L,经20次浑水试验,设置3种结构参数不同的双向流道灌水器(1#,2#,3#),并对比迷宫式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。结果表明:1#、2#、3#双向流道浑水流量分别为清水流量的77.44%,83.35%,85.43%,而迷宫式流道在12次试验后完全堵塞。双向流道灌水器与迷宫式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差异显著,且双向流道的水力性能及抗堵性能均优于迷宫式流道;双向流道水力性能越好,抗堵性能越差;流道形式及结构参数是影响灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。试验结束后,观测流道泥沙沉积情况,发现泥沙沉积程度由前段(进口)到后段(出口)逐渐减少;采用电子显微镜分别获取流道前段、中段和后段沉积泥沙样品扫描图像,利用Image Pro Plus 6.0软件分析沉积泥沙样品的粒径组成,发现沿流道方向,粒径(29)0.03 mm的泥沙颗粒质量分数逐渐减小,粒径(27)0.005 mm的泥沙颗粒质量分数呈先减小后增加的趋势;流道沉积泥沙中粒径(27)0.03 mm的颗粒质量分数占92.23%~97.89%,此粒径范围的泥沙颗粒更易在双向流道内沉积,引起堵塞。     

黄土坡面细沟形态变化及其与流速之间的关系

研究细沟的形态变化特征是认识细沟侵蚀的重要基础,细沟发育过程中细沟形态变化与水流动力学特性之间存在相互影响和相互作用的关系,研究细沟发育过程中细沟形态与水动力学之间的关系,有利于更好地了解细沟侵蚀过程和侵蚀机理。该研究通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟发育过程中的细沟形态变化及其与流速的关系进行了研究。结果表明:坡面侵蚀过程呈明显的阶段性,坡面细沟形态变化过程与坡面径流含沙量的变化情况基本一致;坡面跌坎发生的临界流速为0.19~0.21 m/s,当坡面径流流速大于这个临界值的时候,坡面会出现跌坎;细沟发育初期,细沟间的距离一定程度上影响细沟的分布,最早出现的细沟之间不会再出现新的跌坎,这一间距范围在12.5~17.5 cm之间;细沟侵蚀过程主要以下切侵蚀和溯源侵蚀为主,沟壁坍塌的侵蚀作用相对较小;细沟流速随时间的变化大致呈先增后减的趋势,细沟流速随细沟宽度的增加而显著减小,这一趋势在4 m坡段尤为明显,二者之间存在显著负相关关系(r=-0.348,P=0.04)。受试验条件所限没有研究细沟深度和流速等其他水动力学参数,以后需要不断改进试验方法来准确测量流速、水深等指标,进一步研究细沟发育过程。     

黄土丘陵区燕沟流域水土流失治理的水沙效应

黄土高原大规模的生态恢复必将对水土流失区的生态环境产生深刻影响,其流域尺度的水文效应对理解生态环境响应尤其重要。通过对延安燕沟流域1998-2010年的生态系统恢复进程及其流域水沙变化过程耦合分析表明:燕沟流域治理后径流泥沙发生了深刻变化,尽管流域总径流仍随降雨波动,但洪水径流显著减少,径流中泥沙含量迅速减少,总输沙进一步减少。这种变化趋势与流域进行的治理措施、治理阶段吻合;梯田、坝地等工程措施使得流域径流显著减少,林草植被恢复使得径流减少的同时,径流含沙率减少幅度更大。工程措施配以植被措施基本可以做到泥不出沟。因此,黄土丘陵区治理流域应该生物措施与工程措施并重,达到控制水土流失的目的。