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。     

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。     

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。     

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)。     

模拟植被类型及空间配置对坡面流水动力学特性的影响

通过室内水槽模拟冲刷试验,研究缓坡坡降1.4%、流量0.6~1.8L/s、非淹没条件下,植被类型(柔性植被、刚性植被)和植被配置格局(棋盘状格局、长条状格局、带状格局)对坡面流水深、流速、流态、达西阻力系数等水动力学特性的影响,探究其规律。结果表明:(1)与裸坡相比,植被具有雍水缓流作用,水深雍高1.4~2.8倍,流速延缓31%~65%,植被格局较植被类型作用更为明显,其中柔性植被、带状格局雍水效果最好。(2)坡面流态指数m显示刚性植被、棋盘状格局条件下水流紊动性最强,而坡面综合指数k显示柔性植被、带状格局对水流作用更强。(3)各试验条件下,水流流型以过渡流为主,主要受单宽流量影响而与植被条件无关;裸坡条件下水流流态为急流,植被覆盖下为缓流,受单宽流量和植被类型影响较小,棋盘状和带状格局影响较大。(4)植被使坡面平均阻力系数较裸坡增加约2.9~20.5倍,缓流条件下阻流效果更好;植被类型较植被格局对阻力系数的影响更大,其中柔性植被和带状、棋盘状格局阻水效果更好,而沿程阻力系数变化显示带状具有明显的波动特性,棋盘状格局较为稳定,即水动力学条件更佳。     

小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性影响

为系统研究小麦秸秆覆盖量对坡面流水动力学特性的影响,采用室内定床模拟试验,探究在不同流量(3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 L/min)和坡度(3°、5°、10°、15°)下,坡面流水动力参数随秸秆覆盖量(0、1.5、2.5、3.5、4.5 t/hm²)的变化特征。结果表明：1)秸秆覆盖显著影响坡面流流型,在不同流量和坡度下,无秸秆覆盖时坡面流型均为急流,而在秸秆覆盖条件下,坡面流型均变为缓流。当流量≤7.5 L/min时,流态均为层流,当流量>7.5 L/min时,流态均为过渡流。2)随着秸秆覆盖量的增加,坡面流流速分别较裸坡降低了47.85%、53.86%、57.69%、60.11%。3)不同覆盖量下,坡面流流态指数随坡度的变化规律不一致。覆盖量≤2.5t/hm²时,随坡度的增加,流态指数呈先增后减的变化趋势,覆盖量>2.5 t/hm²时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小。4)不同覆盖量下,坡面流阻力系数随坡度的变化规律不一致。秸秆覆盖坡面阻力系数是裸坡的9.36～19.68倍。低覆盖量下(≤2.5t...     

模拟氮沉降对白羊草地群落特征及其坡面流水动力特性的影响

大气氮沉降的增加可能会通过草地群落进而影响坡面流水动力特性。选取黄土高原典型地带性草本白羊草为研究对象,通过设置不同施氮处理（0,2.5,5,10 g/(m2·a),以N计,下同）模拟氮沉降,采用人工模拟降雨,探究土壤有效氮升高对白羊草群落季节变化及坡面流水动力特征的影响。结果表明,一定程度的施氮可有效增加白羊草盖度,促进藻结皮的生长,但会抑制苔藓结皮的发育。施氮使Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别降低了68.6%～71.5%和44.7%～47.4%;平均流速加快了32.0%～44.0%,径流深减小了25.1%～28.7%,同时,使径流剪切力和水流功率显著增加,过水断面单位能减少。随着季节变化,9月白羊草群落坡面Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别较6-8月显著增加了220.2%～496.9%和79.5%～139.4%,平均流速减缓了23.5%～29.7%,径流深增加了36.4%～66.9%,径流剪切力和水流功率均显著降低,过水断面单位能增加。降雨强度对坡面流特征也存在显著影响。随着降雨强度的增大,坡面流阻力减小,进而导致流速、径流深及水流功率增加。草地具有良好的调控坡面流的作用,然而大气氮沉降的增加可能会加剧草地群落坡面土壤侵蚀。     

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。     

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。     

模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响。根据研究区坡耕地特点,试验共设计5个坡度,分别为9°,12°,15°,20°,25°,设计雨强为1.0mm/min,降雨历时为60min。结果表明:(1)5个坡度下坡面径流总量表现为先增大后减少,在20°与25°坡面表现出显著性差异,地表糙度变异率降幅为12°9°25°15°20°;(2)次降雨产流量与坡度、糙度变异变率呈显著指数函数关系;(3)5个坡度其坡面产沙量表现为先增大后减少,产沙量在坡面梯度为3°的坡面之间以及20°与25°坡面间存在显著性差异,说明坡度对产沙量有显著影响;(4)次降雨产沙量与坡度、糙度变异变率呈极显著线性关系;(5)次降雨量、产沙量与坡度、糙度变异变率的回归关系均优于分别与坡度、糙度变异变率的回归关系。研究成果为揭示水蚀过程中坡度与地表糙度对侵蚀的作用机理提供了参考。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

层流炉反应管内炭粉颗粒运动的PIV试验

为了研究炭粉颗粒在层流炉反应管内的运动规律,按照1∶1比例设计制造了一套透明玻璃试验装置用于PIV流场测量。分别在4种不同的主气流量下,对粒径为100～120目的炭粉颗粒在反应管内的速度场进行了PIV无接触测量。结果表明,在反应管中心处,开始时,炭粉颗粒的轴向速度在下料口附近很小,然后迅速增加到最大值,而后以此速度运动一段距离后,速度开始减小。在约1.8～123.8 mm段,炭粉颗粒的轴向速度在管道中心处为最大。轴向速度沿径向成类似抛物线状分布;通过对测量数据的分析计算,获得了管内气流雷诺数与炭粉颗粒停留时间（无量纲处理后）的关联式。     

喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数变化特征

[目的]探究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角影响下地表集中水流阻力变化特征,为该区土壤侵蚀模型构建提供科学依据。[方法]在3个坡度(10°,15°,20°),3个冲刷流量(5,7.5,10 L/min)和6个岩石与坡面夹角角度(30°,60°,90°,120°,150°,180°)组合条件下开展室内放水冲刷试验,研究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下地表集中水流曼宁系数的变化规律及其影响因素。[结果](1)地表集中水流曼宁系数n随冲刷历时呈迅速增大再缓慢增长或趋于稳定的变化趋势。不同夹角的n值大小顺序为:n_(180°)n_(150°)n_(90°)n_(30°)n_(120°)n_(60°)。(2)当岩石与坡面夹角大于30°时,n与水深h显著相关,夹角为30°时,二者关系不显著;试验条件下,n与雷诺数Re关系不显著,与弗汝德数Fr呈显著幂函数负相关。(3)相对水深曼宁系数n/h随夹角增大呈先增后减的变化趋势。(4)岩石与坡面夹角大于30°时,n/h与Re均呈幂函数负相关,夹角为30°时,二者关系不显著;不同岩石与坡面夹角的n/h与Fr关系均不显著。[结论]喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数n受岩石与坡面夹角的显著影响,随夹角增大总体呈先减后增的趋势。     

黄土高原典型群落近地表特征对坡面流水动力学特征的影响

[目的]阐明植被群落近地表特征对坡面流水动力参数的影响,揭示植被群落近地表特征影响土壤侵蚀过程的作用机制,以期为评估黄土高原草地植被恢复的生态水文效应提供理论指导。[方法]选取黄土高原典型白羊草群落[Bothriochloa ischcemum(Linn.) Keng])和铁杆蒿群落(Artemisia vestita Wall. ex Bess),通过设置不同近地表要素,进行了人工模拟降雨试验(雨强：60 mm/h;降雨历时：60 min)。[结果](1)随植物群落各要素依次减少,流型从缓流变为急流。植被群落覆盖径流流速降低了8.66%～76.79%,径流量减少了-12.45%～49.30%,Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别增加了62.55%～4 346.92%和33.16%～717.25%。(2)生物土壤结皮对流速降低作用最大,分别较地上部分和根系增加了54.44%～199.32%和225.31%～425.95%;地上部分对Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数增加作用最强,分别较生物土壤结皮和根系增加了175.76%～4 676.57%和29.6...