坡面流超声波水深测量系统研究

坡面流水深是常用的水动力学参数,是计算坡面流流速、水流剪切力、水流功率的基础,因而对其准确测量至关重要。室内侵蚀静床实验中水深直接测量法耗时长、误差大,而间接测量法一般是通过染色法测定流速进而反推出坡面流水深,测量精度受水流流态、测流区长度和含沙量等因素影响。鉴此,对超声波距离传感器应用于侵蚀静床坡面流水深测量进行系统研究,通过参数调试和测量系统检验,表明超声波水深测量系统测量不同厚度玻璃的平均相对误差为1.73%,对不同坡度、不同流量组合下坡面流测距的变异系数在0.061%～0.096%之间,其精度能够满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的研究需求,可用于侵蚀静床条件下坡面流水动力学特性、坡面流挟沙力、输沙及模拟覆盖对坡面流水动力学特性潜在影响的研究。     

基于边缘检测算法的坡面薄层水流深度测量系统研制

为了准确高效地测定坡面薄层水流断面位置上的水深，该研究利用"一"字线激光器、高分辨率工业摄像机获取激光线边缘像素点坐标数据，基于Python语言与OpenCV计算机视觉库进行边缘检测算法编程，通过分析、计算薄层水流表面激光线偏移量与水深间的函数关系，构建坡面薄层水流深度测量系统，并利用人工测量方法（测针法与染色法）对该系统测定结果的精确性与稳定性进行验证。结果表明，坡面薄层水流深度测量系统对标准水深进行标定的变异系数均值为6.64%，具有较高的稳定性；在光滑床面上的测定结果与人工测量方法相比，相对均方差误差、平均相对误差与平均绝对误差均不超过0.2，水深测量系统与测针法、染色法对比所得纳什效率系数分别达到了0.922与0.972，说明水深测量系统与人工测量方法具有较好的一致性与相关性，能够满足定床测量坡面薄层水流深度的需求，在坡面水动力学研究中具有较好的应用前景。     

坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

精确高效的观测手段是深入研究坡面薄层水流特性的基础。基于系统集成理论和自动化测量原理,结合高精度超声波水位传感器,研制坡面水流滚波特征参数测量系统。在光面玻璃床面,5种坡度和5种单宽流量条件下进行实际测量应用,评价测量系统的精确度及稳定性,并与人工测针法和目测法测量结果比较分析。结果表明,测量数据相对误差为0.23%,变异系数为0.66%;测量系统和传统测量方法测得的滚波波峰值最为接近,滚波频率、波速和波长的接近程度依次减弱;相比人工测量方法,超声波测量操作简便,自动化程度高且能够进行持续稳定观测,具有较好地测量精度和可靠性,能够满足坡面水流滚波特性研究需求。研究成果在坡面水流测量手段改进方面具有广阔的运用前景。     

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。     

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。     

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。     

黄土高原幼树对坡面流水力学特性及泥沙颗粒组成的影响

选择黄土高原典型树种侧柏、油松、元宝枫和刺槐的一年生树苗,将其栽植于土槽中生长3 a。采用人工模拟降雨的方法,并与裸地进行对照,研究了森林幼树冠层及根系层对坡面流水力学特性及流失泥沙颗粒组成的影响。研究结果表明:(1)各试验坡面小区径流流量均较大,坡面流的平均水深均<1 mm。裸地坡面坡面流的流态为急流,其它各小区均为缓流。去除植被地上部分和表层易扰动土后,刺槐和元宝枫坡面的坡面流已接近临界流,而且两坡面的减流减沙作用明显变弱,侧柏和油松坡面的坡面流流态仍为缓流,减流减沙作用增强。(2)流失的泥沙中,有林冠覆盖的坡面流失的黏粒(<0.001 mm)所占的比例比裸地坡面的高出1.40%~2.00%,>0.05 mm粒径的泥沙颗粒所占比例比裸地坡面的小1.04%~1.26%。试验结束后,只有裸地坡面有明显的粗化层。(3)去除植被地上部分和表层易扰动土后,坡面流失泥沙颗粒的平均粒径大于有林冠覆盖的坡面,但小于裸地坡面。黏粒的百分含量随试验时间不断波动,说明森林植被的根系增加了林地的抗蚀力。     

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。     

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。     

基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统构建与试验

为减小染色法测量坡面水流流速的误差,提高染色法测量准确度,根据染色示踪剂在水中扩散引起颜色发生变化的特性,结合漫反射型模拟量光电颜色传感器和数据采集卡采集信号,通过小波变换对信号进行去噪,研发一种基于光电传感技术的薄层水流流速测量系统。以流量法为参照,确定该系统传感器最优数据采集距离为0.6～0.8 m;传感器数据采集距离为0.7 m时,该系统测量数据最小相对误差仅为0.48%,变异系数15%。相比染色法,该系统与流量法拟合的决定系数在0.90以上,大于染色法的决定系数0.75。表明薄层水流流速测量系统优于染色法,可以用坡面薄层水流试验研究中。     

土壤优先流运动的活动流场模型模拟和敏感性分析

在壤土和砂土条件下分别采用碘-淀粉染色示踪方法和亮蓝染色示踪方法各开展了2个染色示踪试验,分别采用活动流场模型和二域模型模拟计算了各试验入渗后染色区内的土壤含水率和溶质浓度分布,通过相对均方根误差分析评价了两个模型模拟预测优先流发展的有效性;此外,通过敏感性分析研究了不同入渗条件（土壤质地、入渗水量和土壤初始含水率）下活动流场模型模拟预测结果（入渗深度）对活动流场模型分形特征参数变化的敏感度。模型检验分析结果显示活动流场模型对土壤水入渗深度、入渗后染色区内土壤含水率和溶质浓度分布的预测精度要明显高于二域模型的模拟预测精度;活动流场模型较好的捕捉到了优先流运动整体的非均匀特征。敏感性分析结果显示,当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着γ的增大而增大;相同活动流场模型分形特征参数（γ）值条件下（即流动非均匀程度相同）,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着入渗水量的增大和土壤初始含水率的升高而减小。     

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。     

元江干热河谷典型林草地优先流区和基质流区土壤团聚体特征

[目的]明晰干热河谷区土壤优先流对红壤团聚体特征及其稳定性的影响,为该区植被恢复和水土流失防治提供理论依据。[方法]以元江干热河谷典型地段龙潭箐流域内的银合欢林地、扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪试验区分样地土壤优先流区和基质流区,利用干湿筛法结合分形理论分析两区内0—50 cm土层团聚体特征差异,并借助通径分析法表征各土壤理化因子对团聚体稳定性的影响。[结果]干湿筛后R_0.25团聚体含量从大到小顺序为林地优先流区>林地基质流区>荒草地优先流区>荒草地基质流区,平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)与R_0.25排序相同且呈现出随土层深度增加而减小的趋势,分形维数(D)与团聚体破坏率(PAD)则为相反规律并随土层加深D和PAD的值逐渐增大。对两区土壤团聚体稳定性影响较大的理化因子是土壤容重和黏粒含量,其决策系数分别为0.474和-0.644。[结论]荒草地土壤团聚体破坏率更高,土壤优先流区团聚体稳定性优于基质流区;土壤团聚体稳定性主要受黏粒含量、容重、有机质等因子影响。     

坡面薄层水流流速研究

准确测量坡面薄层水流流速是分析和计算水动力学参数的前提,也是建立土壤侵蚀模型的基础。设置5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和4个放水流量(2,4,8,16L/min),采用长12m、宽0.1m、高0.3m的水槽对坡面薄层水流流速进行了测量。通过记录水流前锋(前沿)流过水槽的时间计算水流的前沿流速,并采用染色剂示踪法和电解质脉冲法测量水流的平均表层流速和平均流速,与前沿流速进行对比。结果表明:试验的前沿流速为0.237~1.290m/s,且随着坡度和流量的增大呈增大趋势,流量对前沿流速的影响大于坡度的影响,前沿流速可以用坡度和流量的幂函数形式进行预测;将前沿流速与染色剂示踪法测得的平均表层流速和电解质脉冲法测得的平均流速进行对比,发现前沿流速与平均表层流速和平均流速均具有良好的一致性,但平均表层流速的数值远大于前沿流速,其相对误差为-15.018%^-27.825%,2种流速之间可以用系数0.758进行转换;前沿流速与平均流速的数值非常接近,且相对误差随着流量和坡度的增大逐渐减小,2种流速之间的转换系数为0.946。前沿流速与其他2种流速的经验系数主要受雷诺数的影响,所建立的等式可以较好地模拟2种经验系数。研究结果可为坡面薄层水流流速的研究提供参考。     

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。     

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。     

鹤大高速（G11）低路基边坡土壤优先流特征研究

为了探明盐分在低路基公路边坡土壤中的运移方式,以鹤大高速公路(G11)低路基段边坡土壤为研究对象,引入优先流,来探讨盐分随土壤水分运动的过程。采用亮蓝染色示踪和图像解析方法,分析土壤剖面优先路径水平和垂直分布特征。结果显示:染色区和非染色区的土壤性质存在显著差异,染色区土壤存在较多的大孔隙。在水平剖面上,相同影响半径优先路径数量随着土层深度的增加而减少,同一土层中1.0~10.0mm影响半径的优先路径数量要远远多于10.0mm影响半径的优先路径数量。在垂直剖面上,优先流特征指标染色覆盖率(DC)、均匀入渗深度(UF)、优先流分数(PF-fr)、长度指数(LI)和峰值(PI)分别为40.10%,4.10cm,801.96cm2,74.44%,543.6cm和5。低路基边坡土壤这种重塑的土体中存在较为明显的优先流现象,且优先流对氯盐在土壤中的运移起着重要的作用。优先流指标的提出,为今后量化土壤优先流发生程度提供了一个很好的研究方法。