不同床沙下的坡面流水力学特性试验研究

利用人工模拟降雨试验方法模拟原状土、邙山黄土、粉煤灰等不同土质坡面土壤降雨径流冲刷过程,对不同床沙下的坡面流水力学特性进行了研究。结果表明,不同床沙下坡面径流剪切力随降雨历时的变化规律是一致的,均表现出雨强越大,剪切力越大;在试验雨强范围内,邙山黄土、粉煤灰的剪切力较原状土为大;水流功率的变化规律与径流切应力的变化规律基本一致。该研究可为土壤侵蚀实体模型的建立提供理论基础。     

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。     

雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响

基于流体力学和水力学基本理论,通过6个糙度、5个流量和5种雨强组合条件下的放水冲刷和模拟降雨试验,研究雨强和糙度对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:在坡面薄层水流中,床面糙度对坡面流阻力有"增阻"效应,但在粗糙尺度为1.77 mm时产生拐点;降雨条件下,坡面流自由表面失稳的动态演化过程显著,其波动临界条件为黏深比0.382 4、0.599 3,在整个动态过程中阻力系数都随着降雨强度增加而减小;结合黏滞阻力、雨强阻力构建层流过渡区阻力计算公式,决定系数为0.92(P0.05),可以较好地为坡面流模型的建立提供参考依据。研究成果有助于从泥沙运动力学的角度揭示坡面流层流失稳的本质,为坡面流理论的发展奠定基础。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

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.     

植被格局对坡面流阻力影响的试验研究

利用室内模拟降雨试验,定量研究在15°坡度和60,90,120,150mm/h降雨强度下,茵陈蒿(Artemisia capillaris)不同分布格局对坡面流阻力(Darcy-Weisbach阻力系数,f)的影响。结果表明:由于植被格局的阻滞作用,相对于裸地坡面,不同格局坡面流阻力系数明显增大,平均阻力系数是裸坡的1.25~13.13倍;带状格局(BP)、棋盘状格局(CP)和小斑块格局(XP)增强坡面流阻力的作用显著高于长条状格局(LP)。剪除地上部分后,根系作用坡面阻力系数显著降低,约为裸坡的0.75~3.78倍。裸坡平均阻力系数随雨强增大呈减小趋势,完整植被格局和根系作用坡面相对阻力系数(与裸坡阻力系数比值)随雨强增大呈指数函数增大。阻力系数与水流雷诺数的关系可用幂函数表示;阻力系数与坡面侵蚀速率呈极显著幂函数关系。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度(21°、24°、27°)、不同流量(6.5、8.5、10.5 L/min)的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究.结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大.而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围.坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响.坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大义减小的变化趋势.     

草被覆盖对坡面流流速影响的人工模拟试验研究

草被覆盖是影响坡面流流速变化过程及特征的重要因素之一。研究草被覆盖下坡面流流速时空分布特征，对揭示草被减蚀作用机理有重要作用。该文通过室内放水冲刷试验研究了黄土丘陵区坡沟系统坡面不同草被覆盖对坡面流流速变化过程及特征的影响。试验中共涉及坡沟系统坡面5种草被覆盖度、3种空间配置和2种放水冲刷流量。研究结果表明：放水流量为3.2 L/min时，坡面草被覆盖对坡面流流速的延缓作用较大；流量为5.2 L/min时作用相对减弱；坡面及沟坡平均流速随坡面草被覆盖度的增加呈指数下降趋势。坡面流流速在坡面的发展有一个坡长范围，试验中，在距坡顶3～4 m处，坡面流流速达到最大；坡面、沟坡各断面流速基本上都随着放水冲刷时间的延长而呈下降趋势。     

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。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

无芒雀麦草皮护坡坡面流特性研究

为了分析无芒雀麦草皮护坡的坡面流特性,采用人工模拟降雨实验方法,研究了坡度为9°、11°和13°,雨强为40 mm/h条件下草皮护坡的入渗总量、坡面流流速、地面径流.结果表明,在其他影响因素相同的条件下,随着坡度的增大,坡面平均流速增大,地面径流总量增加,入渗总量减少、地面径流初始产流时间和径流终止时间逐渐减少;随着坡...     

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。     

黄土区草地坡面片流阻力系数试验研究

阻力系数是坡面流水动力学参数之一,是反映坡面流水力学特性的重要特征值。通过室内人工模拟降雨试验,研究了不同雨强(0.7,1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)和坡度(7°,10°,15°,20°,25°)下,黄土区草地坡面片流阻力系数随雨强和坡度的变化特征。结果表明:(1)不同雨强和坡度下,草地坡面片流阻力系数随降雨历时的变化均呈先波动减小,后逐渐趋于稳定的趋势,且变化过程均可用二次多项式进行描述,相关性显著,决定系数0.5以上。(2)草地坡面片流阻力系数随雨强的增加而逐渐增大,可用指数方程描述,决定系数0.8以上;而片流阻力系数随坡度的增加而减小,可用对数方程描述,决定系数0.6以上。(3)草地坡面次降雨平均片流阻力系数对雨强及坡度的综合响应关系可用二元指数函数描述,决定系数0.923,且雨强对草地坡面片流平均阻力系数的影响大于坡度对阻力系数的影响。研究结果为草地坡面水流动力学特性及草地植被的阻流机制提供参考和理论基础,对于深刻认识黄土区草地坡面侵蚀动力和生态建设具有重要意义。     

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。     

不同植被下降雨类型对红壤坡地土壤侵蚀特征的影响

根据武汉市蔡甸区西湖流域径流小区记录的146场次降雨资料,研究了植被类型和降雨类型对红壤坡面产流量与土壤侵蚀量的影响。基于K均值分类,将当地降雨划分为A型降雨（中雨量、弱雨强、长历时和高频次）、B型降雨（极大雨量、极强雨强、短历时和低频次）、C型降雨（大雨量,强雨强、中等历时和低频次）和D型降雨（小雨量,弱雨强、短历时和高频次）四种雨型。发现裸地与果林地的产流输沙量大,水沙关系稳定,水土保持能力在各类侵蚀性降雨下均较弱,A雨型和C雨型是导致此类坡面土壤侵蚀的主要雨型。阔叶林、针叶林、牧草地和草坪地坡面的产流输沙量小,水沙关系不稳定,植被的水土保持能力总体较强,但是在B雨型下偏弱,B雨型和C雨型是导致此类坡面土壤侵蚀的主要雨型。     

黄土高原不同降雨强度下生物土壤结皮对坡面流水动力参数的影响

[目的]明确不同降雨强度下生物土壤结皮对坡面流水动力参数的影响,进一步评估生物结皮的水土保持功能。[方法]以黄土高原典型藻结皮和苔藓结皮为研究对象,系统研究了60,90,120,150,200 mm/h雨强下生物土壤结皮对坡面流水动力参数的影响。[结果](1)所有雨强下藻结皮和苔藓结皮坡面流流型均为层流,除200 mm/h雨强下苔藓结皮坡面流为急流外,所有雨强下藻结皮和苔藓结皮流态均为急流;(2)藻结皮在90,120,150,200 mm/h雨强下流速、径流量和径流系数分别是60 mm/h雨强的1.76～3.9,4.89～9.26,3.91～4.13倍,苔藓结皮则为1.34～2.56,5.86～13.81,2.46～4.26倍,流速和径流量均随雨强呈线性函数增加(R²≥0.85,p<0.01),径流系数呈幂函数增加(R²≥0.49,p<0.05);(3) 60,90,120,150,200 mm/h雨强下藻结皮阻力系数和曼宁糙率系数变化范围分别为0.15～0.74,0.01～0.03,苔藓结皮则为0.82～3.02,0.03～0....     

草被覆盖下坡沟系统坡面流能量变化特征试验研究

坡面侵蚀是水流能量作用的结果．草本植被对坡面流能量的作用有重要影响．研究坡沟系统坡面草被不同盖度及空间配置下坡面流能量的变化过程与特征．对于揭示草被减蚀作用机理有重要意义。本文利用实验土槽和放水冲刷试验方法．研究了2种流量（3．2L／min和5．2L／min）．坡面5种草被盖度（0，30％，50％．70％和90％）及3种空间配置（坡上部、坡中部、坡下部）下，坡沟系统坡面径流能量的变化过程与特征。结果表明，有草断面比无草断面下的径流动能、势能普遍偏小．变化幅度也较平缓；各断面能耗时间上呈下降一稳定的变化趋势．空间上随着径流流程的增加呈显著增加趋势；坡面流能耗变化过程与径流含沙量变化过程基本一致，裸坡情况下二者关系更为密切。     

黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀影响的试验研究

采用供沙土槽与试验土槽双土槽径流小区的人工模拟降雨试验，研究了不同含沙水流、不同降雨条件下坡面汇水汇沙对浅沟侵蚀过程的影响。结果表明，坡面浅沟侵蚀过程以侵蚀一搬运过程为主，当雨强为64mm／h和116mm／h时，坡面汇水使坡下方浅沟侵蚀产沙量分别增大26．2％～82．5％和23．5％～58．7％，坡面汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量随坡面汇水含沙量的减小和降雨强度的增加而增大。     

不同覆盖度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀的动力学特征

基于崩岗崩积体易侵蚀的特性,通过室内人工模拟降雨试验,研究30°坡度条件下,不同秸秆覆盖度(0,25%,50%,75%,100%)和雨强(60,90,120mm/h)组合坡面侵蚀的水动力学参数特征。结果表明:(1)不同条件下,雷诺数变化范围在462.86~750.19Re之间,雨强对雷诺数的影响达到极显著水平,覆盖度对雷诺数的影响不显著;弗罗德数的变化范围在0.06~0.64Fr之间,水流的流型为缓流,覆盖度对弗罗德数的影响达到极显著水平,雨强对弗罗德数的影响不显著;阻力系数的变化范围在9.65~1 018.19f之间。(2)覆盖度对坡面流流速的影响达到极显著水平,坡面流流速随着覆盖度的增加而减小;覆盖度对水深的影响达到显著水平,坡面径流深随着覆盖度的增大而增加;阻力系数与雨强和覆盖度之间无明显关系。(3)覆盖度与单位水流功率之间呈极显著的指数函数关系,与水流剪切力和断面单位能量之间呈显著的指数函数关系;雨强对流速、水深和阻力系数的影响都不显著。     

植被调控红壤坡面土壤侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,研究坡度10°,15°和雨强60,120,180mm/h条件下,盖度为0,33%,67%和88%的香附子对南方红壤坡面的减沙效应及其水动力学机理。研究结果表明:香附子在红壤坡面具有良好的减沙作用,盖度为33%的香附子平均能够减少72%的土壤侵蚀;随着植被盖度的增加,土壤侵蚀量减少,减沙率增大。雨强越大,红壤坡面的植被减沙率越大。相同盖度植被的减沙率在15°坡面较在10°坡面小。香附子能够降低坡面流的流速和弗劳德数,增大达西—韦斯巴赫阻力系数。植被盖度越大,流速越小,弗劳德数越小,达西—韦斯巴赫阻力系数越大,盖度为88%的坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数约是裸坡的7倍。坡面流流速可以通过水流能坡的0.5次幂、单宽流量0.33次幂的乘积来拟合,拟合方程的系数能够反映植被对坡面粗糙度的影响。坡面的达西—韦斯巴赫阻力系数随着植被盖度呈指数函数显著增加。植被盖度越大,土壤的抗冲性越强,植被盖度为88%的坡面的土壤临界剪切力约是裸坡的2.5倍。