二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。     

不同黑麦草覆盖密度对坡面水流能量特征的影响研究

四川省是长江上游水土流失的策源地,也是长江流域主要泥沙来源区,而且该地区降水集中、坡耕地多,坡面能量汇聚过程是产生水土流失的主要成因。为了治理坡耕地的土壤侵蚀并合理配置植物措施,依据四川省植被及土壤侵蚀分布情况,设计多组坡面覆盖条件,研究了水流在不同黑麦草覆盖密度下流动时的坡面水流能量、能耗及动能变化规律。试验结果表明:卵石覆盖坡面水流能量大于植被与卵石耦合坡面,且坡面植被密度为中等时水流能量最小,阻水效果最好。坡面流量较小时,坡面上部为卵石坡面的水流能耗较大,下部则是植被与卵石耦合坡面能耗大;流量较大时,能耗变化规律与小流量时相反。     

坡面流阻力研究进展

主要从坡面流流态对坡面流阻力的影响、坡面流阻力与雷诺数的关系、降雨对坡面流阻力的影响、坡面流阻力公式4个方面对前人关于坡面流阻力的研究成果进行了总结。结果表明:坡面流流态的不确定性导致了坡面流阻力变化更为复杂;坡面流阻力与雷诺数之间并无良好单一的相关关系;降雨对坡面流阻力有很大的影响作用但具体影响机理并未有明确的结论;坡面流阻力公式表征仍用明渠水流概念及表达方式,并且3个阻力系数n、f、C哪个更适合表征坡面流阻力尚无统一的结论。进而对目前存在的问题进行了分析,对今后的发展进行了展望,认为需在研究方法和实验设备及量测技术方面有所突破,才可以更好的对坡面流阻力进行全面系统的研究。     

人工植被分布变化对坡面流阻力及局部水头损失系数的影响研究

基于室内坡面流实验,研究了人工植被分布变化对坡面流水动力学特性的影响。试验包括"细管整齐排列"、"细管1/2错开排列"、"细管1/4错开排列"、"粗管1/2错开排列"等植被分布方式。研究结果表明植被分布变化对坡面流扰动程度的影响显著,从而使得不同植被分布方式下的坡面流达西阻力系数、局部水头损失系数差异性很大。而随流量增大达西阻力系数、局部水头损失系数都呈现先减小后增大的趋势。     

颗粒间相互作用对宽浅坡面流输移能力影响的试验观测

流域上游地区的土壤侵蚀及与其相关的泥沙运移是影响流域地表径流水质的重要过程，被侵蚀的泥沙大部分由坡面流输移，目前的泥沙输移关系都是从剪切力概念或河道能量概念引出的，而这些概念却都是仅仅基于流体力学的。泥沙的运移都单一地依赖于水流剪切力或能量的阈值条件，这一理论的前提是：①泥沙初始运移需要的最小剪切力或临界剪切力，或者最小、临界河道能量；②泥沙输移率和剪切力或河道能量与其临界值的差值密切相关。这些关系或许可以用来描述泥沙在河道中的输移，却不能反映出泥沙在宽浅坡面流中输移的微观机制或物理过程。流域的上游地区，在上临界弗如德数的水力条件下，坡面流含沙量的变化范围非常大。在宽浅坡面流的试验研究中，泥沙按照逐步控制方式添加到坡面流中，并且通过测量来确定颗粒速度与含沙量之问的关系。在不同的水力条件下，存在最大的泥沙输移率，对泥沙颗粒运移的观测表明：泥沙输移方式是跳跃式的，在这些条件下，水流状态受控于包含了很大部分动能的滚动波，因此滚动波是薄层流泥沙侵蚀及输移过程中的主要能量来源。     

植被护坡水流冲刷稳定性试验研究

从植被护坡水流冲刷稳定性设计的角度出发,对紫羊茅草皮及早熟禾草皮分别从坡面流与有压流两个方面进行了水流冲刷稳定性试验。试验结果表明:坡面流间歇冲刷8次,瞬时流速达6.0 m/s,累积冲刷时间120 s,紫羊茅草皮可发生IV级的冲蚀破坏。早熟禾草皮在5.0 m/s的流速下,冲刷1 h后,其草皮层出现最高级别的破坏,测定其发生破坏时的床面剪应力为103.13 Pa,摩阻流速为0.32 m/s。     

植被影响下坡面流阻力变化特征研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45、87和127mm/h降雨强度下,20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面流阻力变化特征.结果表明,由于植被覆盖措施的阻滞作用,相对于裸地坡面,草地和灌木地坡面径流阻力系数明显增大.草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58 ～ 7.45倍和5.61 ～6.26倍.不同被覆条件下坡面平均阻力系数与降雨强度关系密切,随降雨强度的增大呈减小趋势.同时,坡面流阻力系数受到降雨强度和下垫面条件发育形态的共同影响.建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式,变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.     

汶川地震灾区帽壳子滑坡形成泥石流的过程和特征

实地调查了汶川地震灾区北川县帽壳子滑坡转化为坡面泥石流和沟道泥石流的基本特征和形成过程,并利用能量守恒原理和Takahashi泥石流运动模型对其运动特征进行了分析。结果表明：对于强震诱发的滑坡,其层间碎块石土体强度低,滑坡体内部裂隙发育,在强降雨作用下容易转化为泥石流;滑坡转化为坡面泥石流的过程为岩土体沿基岩面下滑→撞击→强碎屑化→流动→快速停积;滑坡转化为沟道泥石流的过程为滑坡体崩滑→弱碎屑化→水流掺混→掏蚀沟道→流动堆积;滑坡转化为坡面泥石流后,起始速度较快,但没有沟道限制和水力作用,因此运动阻力较大,冲出距离远小于沟道泥石流;利用Takahashi泥石流运动模型计算得到的沟道泥石流冲出距离与实际观察值比较吻合。     

地表条件对坡面产流的影响

本文将复杂地表条件对坡面流运动的影响概化为阻力的变化，运用运动波理论和修正的Green-Ampt入渗模型，建立了能够反映地表条件影响的坡面降雨入渗产流模型，数值结果与实验符合较好，运用该模型分析了植被、地形、坡长、坡度等地表条件对坡面产流过程的影响。     

坡面流超声波水深测量系统研究

超声波距离传感器是伴随科学技术不断发展的产物,通过反复的试验证实采用该设备可以用来测量坡面流水深,实验表明不同厚度的玻璃采用超声波水深测量系统测量时1.73%为平均误差,0.061%-0.096%之间是不同流量、坡度组合下坡面流测距的变异系数。可见超声波水深测量系统测量出来的精度可以满足室内侵蚀静床条件下坡面流水深测量的要求,值得被学者研究。