人工模拟降雨条件下紫色土坡面流水动力学参数特征

采用人工模拟降雨法,在3.0m长、1.0m宽的可变坡土槽上,通过4个不同坡度(5°,10°,15°,20°)、5个不同雨强(0.6mm/min,1.1mm/min,1.6mm/min,2.12mm/min,2.54mm/min)的组合实验,对降雨条件下紫色土坡面流水动力参数特征进行了研究。结果表明,在实验的坡度和雨强范围内,紫色土坡面流平均雷诺数Re变化于104.9～1571.7之间,在一定雨强和坡度条件下,坡面流雷诺数Re随实验时间延长而逐渐增大,这主要与坡面形态受降雨侵蚀发生改变后坡面流流态由层流向紊流转变有关;坡面流弗罗德数Fr在各种雨强和坡度条件下都小于1,属缓流状态;坡面流阻力系数f与雷诺数Re无明显关系,但其与佛罗德数Fr之间呈显著的指数关系;曼宁糙率系数n与雷诺数Re之间为幂函数关系,但其与佛罗德数Fr无明显关系。     

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。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。     

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.     

地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟

为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用,通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表,在室内模拟降雨条件下,对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明,雨前雨后各措施坡面的地表糙度为:等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。相同雨强和降雨历时下,不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面,径流越容易稳定在层流状态;反之,径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说,在相同雨强和降雨历时下,初始糙度越大的坡面,其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大,径流阻力系数也越大,但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小,径流对地表糙度具有减小作用,雷诺数和水流剪切力越大,径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之间的相互作用提供参考。     

降雨过程对地表糙度的影响

通过野外模拟降雨试验,研究降雨过程中,不同坡度、雨强以及不同地表覆盖度下地表糙度的变化情况.利用测点法测量每次降雨前后的地表糙度值,确定坡度、雨强以及地表覆盖度变化对地表糙度的影响.结果表明,相同雨强下,地表裸露、土壤一定时,坡度越大,地表糙度变化越大;同一地表,土壤一定且坡度相同的情况下,雨强越大,地表糙度变化越大;在同一坡面,雨强一定的条件下,植被覆盖度越小,地表糙度变化越大.研究结果为地表糙度影响因子的研究和揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施.     

不同长度小麦秸秆覆盖下黄土耕地坡面流水动力学特性

为了系统研究秸秆长度对坡面流水动力学特性的影响,利用室内人工模拟冲刷定床阻力试验,在4个坡度、5个流量条件下分别对3~5、8~10和13~15 cm长度秸秆覆盖坡面流水动力学参数变化特征进行分析,阐明不同长度秸秆覆盖坡面水流阻力与雷诺数的关系。结果表明,秸秆长度对坡面流水动力学参数影响显著。不同长度秸秆覆盖条件下,坡面流雷诺数变化范围为166~558,当流量≤7.5 L/min时,坡面流态为层缓流;流量为9.0 L/min时,坡面流态为过渡缓流。秸秆覆盖条件下,坡面流具有较小的流速和较大的水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数。随着秸秆长度增加,坡面流流速随之增加,而水深、Darcy-Weisbach阻力系数及曼宁糙率系数随之降低。随着秸秆长度和水力坡度增加,流态指数值总体呈现降低趋势。当秸秆长度由3~5 cm增加至13~15 cm时,流态指数平均由0.716降至0.501。研究可为秸秆覆盖条件下水土流失阻控机理研究提供科学依据。     

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。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

玉米苗期横垄坡面地表糙度的变化及其对细沟侵蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,研究玉米苗期紫色土坡耕地地表糙度的变化特征,并分析地表糙度对细沟侵蚀过程中产流及侵蚀产沙的影响。结果表明,细沟侵蚀阶段,与降雨前相比,降雨后地表糙度整体呈减小的变化趋势。不同坡度下,地表糙度变幅(Rr)均随雨强的增大而增大,其中15°坡面变化较为明显,1.0,1.5,2.0mm/min雨强下地表糙度变幅(Rr)分别为0.50,5.82,12.96。地表径流随雨强的增大而增大,壤中流变化不明显。15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的地表径流显著高于1.0mm/min;20°坡面,各雨强间地表径流量差异显著。坡面侵蚀产沙量随雨强的增大而增大,15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量均显著高于1.0mm/min,其侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高9.74倍和16.91倍;20°坡面,各雨强间侵蚀产沙量差异显著,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高5.38倍和8.96倍。地表糙度变幅(Rr)、雨强与地表径流量和细沟侵蚀产沙量均呈极显著相关,可较好地实现坡面径流和侵蚀产沙的预测。     

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。     

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。     

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。     

不同人工糙率床面水力学特性的试验研究

采用变坡试验水槽,研究了不同流量,不同坡度以及不同糙率条件下坡面流水力学参数(雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数)变化规律。研究结果表明,在糙率、坡度相同情况下,坡面流的雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数均随流量的增大而增大;在坡度、流量相同条件下,随着糙率的增大,坡面流的雷诺数,弗劳德数和平均流速在减小,阻力系数和水深在增大;平均流速、水深和阻力系数与流量和坡度的关系可用简单幂函数表示,而且主要由流量控制。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。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的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,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)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

斑块状植被覆盖下坡面流水动力学特性

为阐明斑块状植被随机覆盖下坡面流水动力学特性,通过5个覆盖度、6个坡度和7个流量组合条件下的室内放水冲刷试验,系统研究了斑块状植被覆盖下坡面流的流型流态及阻力机制。研究结果表明:1)该试验工况下,坡面水流位于虚拟层流区和过渡流区,水流流态发育受覆盖度和坡度相互制约。2)在虚拟层流区,综合阻力系数与雷诺数呈负相关,而在过渡流区,二者关系在临界覆盖度处发生转捩,随覆盖度的增加,二者关系逐步由负相关变为正相关。3)综合阻力系数与覆盖度呈幂指函数相关,而随淹没度变化趋势则受制于覆盖度。低于临界覆盖度时,二者整体上为负相关;高于临界覆盖度时,综合阻力系数随着淹没度增大先减后增。此外,基于水流阻力等效原则,综合考虑水力坡度、覆盖度、雷诺数、淹没度的影响,建立了坡面流阻力计算模型。