坡面流流速计算的研究

有降雨影响下的坡面流,多为三维非均匀沿程变量水流,其流速的计算是一个比较复杂的问题,也是研究土壤侵蚀力学机理的关键。本文根据室内人工降雨水槽模拟实验对影响坡面流速诸因子的研究结果,首先从理论上将流速表示为含有达西—维斯巴赫(Darcy—Weisbach)阻力系数f的函数,再根据实验资料建立起不同流态的计算式,进而可计算坡面任一处不同流态的径流速度。     

不同坡度及植被覆盖度下的坡面流特性数值模拟

为深入研究坡度与植被对坡面流水力学特性的影响,以Navier—Stokes方程为基础,建立了非淹没刚性植被坡面流模型,并对该模型进行验证。运用该模型,参考西南山区实际情况,设置6个坡度、6个单宽流量和6种覆盖度组合条件下共216种工况,研究了坡面流的水力学特性。结果表明:流速与坡度、流量及植被覆盖度之间呈指数变化,相关系数为0.987。相同流量下,随着坡度的增加,流速增速逐渐减小,植被对坡面流的减缓作用逐渐减弱。阻力系数受到坡度、流量和植被覆盖的影响,存在临界覆盖度,低于临界覆盖度时,阻力系数与流量呈现负相关,高于临界覆盖度时,阻力系数与流量的呈现正相关。且临界覆盖度受到坡度的影响,坡度越大,临界覆盖度越大。研究结果可为山区水土流失的预防以及山洪水沙耦合致灾机制的研究提供理论参考。     

植被覆盖下坡面流阻力变化规律

通过野外径流小区放水试验,研究3种植株密度(0,20,30株/m~2)、2种植株布设方式(行紧密,随机)、2种坡度(5°和10°)、3种放水流量(1,2,3m~3/h)下坡面流阻力系数变化规律。结果表明:坡面流阻力系数平均状态随植株密度的增加而增加,植株行排列方式较随机排列增阻作用更明显。冲刷过程中,坡面流阻力系数随时间呈幂函数增长,其中,裸坡阻力系数动态变化过程较有植被覆盖坡面幅度大,且随植株密度的增加,坡面流阻力系数动态变化过程趋于平缓;同植株密度下,植株随机排列方式较行紧密排列更能有效抑制阻力系数增加;随放水流量增加,阻力系数增加趋势减缓,随植株密度减小,放水流量对阻力系数变化过程的影响降低。对阻力系数进行逐步回归:有植被覆盖坡面阻力系数f=0.000284T~(0.692)Q_1~(-0.426)c~(0.745);裸坡阻力系数f=0.004335T~(1.180)Q_2~(-0.476)。阻力系数动态变化过程与流量和植株密度关系密切,其中有植被坡面的阻力系数与出口断面流量关系密切,裸坡的阻力系数与供流量关系密切。逐步回归结果表明,阻力系数变化过程由下渗过程和坡面侵蚀过程共同决定,其中裸坡的侵蚀过程对阻力系数的影响较大,有植被坡面下渗过程对阻力系数的影响较大。     

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。     

不同植被类型对地表径流影响的灰色关联度分析

影响地表径流的因素有气候、地质、植被等诸多因子,植被因素的影响甚为突出。以重庆缙云山4个不同植被类型小区为研究对象,采用灰色关联度的方法,对影响因子进行了对比分析。分析了降雨状况参数和植被状况参数对地表径流的影响,结果发现降雨量与径流的关联度最大,影响参数中影响程度顺序为:乔木覆盖度>林分高度>枯落物的厚度>坡度>林下木的覆盖度>土壤厚度;在对小区植被类型之间的灰色关联度差异分析中,发现混交林与径流的关联度最大,其次为阔叶林、楠竹林,最小为农地。     

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。     

不同草被格局下的坡面流水力学特性

通过室内放水冲刷试验,研究不同草被格局(随机格局、草方格、带状、斑块状及光滑玻璃对照)下的坡面流水力学特性变化。试验在8种流量(0.15,0.30,0.45,0.60,0.75,0.90,1.05,1.20 L/s)和3种坡度(3°,6°,9°)下进行。结果表明:(1)与光滑玻璃面相比,草被覆盖坡面可以雍高水位1.02～1.38倍,减缓流速6.52%～36.73%;随着流量和坡度的增大,流速呈幂函数递增(R~20.95)。(2)雷诺数与流量间存在显著的线性正相关关系(R~20.99),与坡度和草被格局无明显相关关系;草被覆盖可以有效降低坡面弗劳德数。(3)随流量和坡度的增大,草被覆盖下的坡面流型态从层流—缓流或急流过渡到紊流—急流。(4)随着流量的增大,坡面流阻力系数呈幂函数递减(R~20.86),坡度对坡面流阻力系数无显著影响(p0.05)。(5)不同草被格局雍高水位的作用为随机格局斑块状草方格带状,对流速的减缓作用为随机格局带状斑块状草方格,坡面弗劳德数为斑块状带状草方格随机格局,抗蚀能力为随机格局草方格带状斑块状。     

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。     

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。     

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。     

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。     

玉米马铃薯间作和起垄对坡面水动力学特性的影响

为了研究间作体系下地表特性对土壤侵蚀的影响,采用人工降雨法分析了玉米马铃薯间作及起垄在不同降雨强度(40,80 mm/h)下的水力学参数的变化特征。结果表明:(1)同一降雨强度下玉米马铃薯间作的阻力系数高于玉米单作处理,雷诺数、弗劳德数和径流流速低于单作玉米处理(P0.05)。7月初80 mm/h降雨强度下玉米马铃薯间作和玉米单作的阻力系数分别为0.41～0.53和0.09～0.10;径流流速分别为0.11～0.12,0.19～0.21 m/s。玉米马铃薯间作的径流流速和阻力系数与马铃薯单作差异不显著(P0.05)。(2)同一降雨强度下间作高垄的阻力系数最高,径流流速、雷诺数和弗劳德数最低。40 mm/h降雨强度下间作高垄、间作低垄、玉米高垄的径流流速分别比玉米低垄分别减少35.71%,35.71%和14.29%。间作条件下起垄能增加坡面流阻力,降低雷诺数和弗劳德数,进而减缓坡面径流流速,这对于坡耕地土壤侵蚀的防治以及农业的可持续发展具有重要的指导意义。     

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。     

强降雨条件下坡面流的水动力学特性研究

为了研究坡面水流的运动规律及水力特性,基于人工降雨系统试验装置通过系列恒定强降雨过程,研究了不同坡度条件下坡面流水动力学变化过程.结果表明:不同坡长处,流速随坡度的变化存在明显差异.但随着雨强的增大.坡长对流速的影响逐渐减小;相同雨强条件下不同坡度间的流量变化较小,流量随着雨强的增大而增大;相同坡度条件下,坡面流水深及单宽流量与雨强具有较好的函数关系.     

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。     

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...     

坡面流侵蚀水动力学特性研究综述

从坡面流的水动力学特性、坡面流水动力侵蚀特性、坡面流侵蚀输沙特性三个方面评述了国内外关于坡面流侵蚀研究的成就与进展、存在的问题和有待突破的研究重点,指出应通过理论分析与试验相结合的方法,加强对坡面流水动力学问题的研究,尤其是对坡面流的流态、坡面流紊动机制以及坡面流流速分布、水流挟沙能力、阻力的理论表达等开展重点研究,以便为坡面径流侵蚀模拟理论与技术的发展提供支撑。     

3种坡面流水深测量方法比较

[目的]为坡面流水深的快速、准确测量提供技术支撑。[方法]采用超声波系统测量变坡试验水槽不同坡度和流量条件下坡面流水深,同时用测针法和染色法对其进行平行测量,利用平均绝对误差(MAE),平均相对误差(MRE),相对均方差误差(RRMSE)和Nash—Sultcliffe系数(NSE)4个指标比较超声波法和染色法或测针法测量数据的接近程度。[结果]通过对3种方法测量结果的比较分析发现,不管以测针法还是以染色法的测量值为参照,超声波法测量的水深值与参照值更接近且相关程度更高。[结论]超声波法能快速有效地测量坡面流水深,用于侵蚀静床坡面流水动力学、土壤侵蚀机理等相关的研究工作。     

坡面流水动力学特性研究

采用变坡水槽研究了坡面流水动力学参数 (流态、流速、水深及阻力系数 )随流量和坡度的变化规律。结果表明 ,坡面流流态与水深密切相关 ,当水流深度小于 0 .316 cm时 ,坡面流呈过渡流 ,水深大于 0 .316 cm时呈紊流流态 ;当坡度为 5～ 2 5°、单宽流量为 0 .6 2 5～ 12 .5× 10 - 3m3/(s· m)时 ,坡面流平均流速和平均水深主要受流量控制 ,坡度的影响并不显著 ,可用简单的线性函数来模拟平均流速、水深与流量和坡度间的关系 (r2分别为 0 .89,0 .78) ;当流量小于 0 .0 0 2 m3/s时 ,坡度对阻力系数的影响较为显著 ,当流量大于 0 .0 0 2 m3/s时 ,阻力系数基本受流量控制 ,随着流量增大 ,阻力系数呈幂函数形式下降。这说明坡面流的水动力学特性与明渠水流存在较大差异 ,在坡面水蚀机理分析、土壤侵蚀物理模型的构造过程中应予以充分考虑。