地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

坡面流阻力的研究对于深入认识坡面流水力特性及土壤侵蚀产沙机理具有重要意义。采用变坡试验水槽,利用定床阻力冲刷试验系统研究了坡面流Darcy-Weisbach阻力系数与粗糙度、流量、坡度和水流型态之间的关系。结果表明:阻力系数随着床面粗糙度的增加呈指数函数增大;阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数减小,且随粗糙度的增加;阻力系数与弗劳德数呈良好幂函数关系,且粗糙度的影响不显著,流量为主要影响因素;人工模拟粗糙度床面下,阻力系数可由粗糙度、流量和坡度的简单幂函数良好表示,并且粗糙度为主要影响因素,流量和坡度的影响相对较小。由因子分析可知,阻力系数可由粗糙度和弗劳德数良好表示,经检验该模型可用来计算不同粗糙度坡面薄层水流的阻力系数。     

工程堆积体坡面细沟流水力学参数特性研究

为采用水力学参数特性揭示黄土高原沟壑区工程堆积体坡面土壤侵蚀过程,开展了野外放水冲刷试验。通过组合不同流量(35、45、55L/min)、不同坡度(24°、28°、32°)的试验,对坡面沟蚀发生发展过程中的水力学参数特性进行了研究。结果表明,坡面细沟水流的平均流速与水深主要受流量控制,二者均与单宽流量呈幂函数关系,且流速随冲刷时间的持续和冲刷形态的变化呈现上下起伏—瞬时增大—稳定的波动或减小—趋于稳定的变化历程。在所有坡度和流量范围内,雷诺数Re在42.9~1 082.8之间变化,雷诺数Re随坡度的增大呈先减小后增大的抛物线趋势。由坡面流弗劳德数Fr随冲刷历时变化情况表明,坡面径流形态是由急流向缓流发展。阻力系数f在0.019~0.94之间变化,f随坡度的增加先减小后增加,且随雷诺数Re的增大而增大,二者之间呈显著的指数函数关系。粗糙系数n随雷诺数增大而增大,且其与雷诺数存在显著性的指数函数关系。研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供一定的参数,对解决生产建设项目弃土弃渣场、取土场等水土流失问题具有重要的作用。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

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.     

三维土工网护坡坡面流水动力学特性试验研究

采用室内变坡水槽,通过组合不同坡度(5o、10o、15o、20o、25o和30o)、不同流量(1 m3/h、1.5 m3/h和2 m3/h)室内模拟放水冲刷试验,对三维土工网护坡坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明,坡面流流态为紊流,流型为急流;坡面冲刷深度—坡度、阻力系数—坡度及阻力系数—雷诺数呈正相关的幂函数关系;阻力系数—弗汝德数呈负相关的幂函数关系。研究成果对深入揭示三维土工网护坡坡面侵蚀的水动力过程具有重要的理论意义。     

流量和坡度对植被水流水动力学特性的影响

为深入揭示植被覆盖下坡面流阻力的内在规律,系统研究了植被覆盖度为32.32%时6个坡度和12个流量组合下坡面流的流动特性。结果表明:坡面流速随流量的增大而增大,该覆盖度下流态指数值接近1;坡面流从层流变化成过渡流,最后发展成紊流状态,但植被覆盖下坡面流的层流状态与明渠定义的不同;阻力系数随流量的增大而增大,流量是影响阻力的主要因素,而坡度对其影响可以忽略;阻力系数随平均水深和壅降差的增大而增大,壅降差不仅能代表水深对阻力系数的影响,而且能反映植被前壅水和后尾水旋涡的形成程度。     

坡面流临界坡角数值模拟研究

探究坡面流水动力学特性是研究坡地土壤侵蚀机理的基础。为增进对坡面流的系统科学认知并提供新视角,采用改进的Green-Ampt模型建立平直坡面土壤入渗模型,采用Preissmann时空平均四点隐式差分法离散圣维南方程并构建坡面流数值模型,运用前人试验资料验证了模型的有效性,模拟了雨强分别为60、30 mm/h,坡长为5～50 m、坡角为5°～50°坡面流过程。结果表明：在雨强为60、30 mm/h的情况下,各种坡长不同坡角坡面流随降雨持续的变化情况相似,均表现为产流初期单宽流量快速增大,产流约20 min之后转为缓慢增大或趋于稳定;从坡顶到坡脚,初始产流时间几乎没有差异,而总体径流时间沿程增大;在一定雨强和坡长情况下,坡角从5°增大至50°时,坡面流单宽流量和流速均呈现先增大后减小的趋势,即存在使单宽流量和流速达到最大的临界坡角,单宽流量临界坡角随坡长的增大而增大,其变化范围为5°～31°;当雨强和坡长不变时,降雨停止时坡脚处的水深随坡角增大而减小,且坡角较小时其对水深的影响较明显,在雨强为60、30 mm/h情况下各种坡长不同坡角坡面流水深变化范围分别为0.66～37.74 mm和0....     

植物茎秆影响坡面径流水动力学特性研究

为深入揭示植被覆盖下坡面流阻力的内在规律,在考虑植被段前壅高和段后水深的基础上,系统研究了植被茎秆覆盖度为32.32%时6个坡度和12个流量组合下坡面流的流动特性。结果表明:在植被茎秆覆盖度为32.32%条件下,当坡度小于6°时,坡度对平均流速影响与流量相当,而坡度大于6°时,坡度对流速的影响甚微;试验过程中,壅水区水深与平均水深均随着流量增加而增大,而尾水深则略有波动;植被阻力系数随雷诺数的增加而增大,而随弗汝徳数的增加而减小,这是植被的粘滞阻力和压差阻力相互作用的结果。该成果为进一步研究植被覆盖下坡面流水动力学特性提供理论依据,进而对水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。     

植草型生态护岸水力特性试验研究

为研究不同水流条件下植草型生态护岸上的植被表面曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数的变化规律,在室内大流速水槽内模拟河道径流对草皮护坡进行了冲刷模型试验。试验结果显示:(1)试验所选用的狗芽根(Cynodon dactylon)及高羊茅(Festuca arundinacea)的曼宁糙率值在0.025～0.090范围内;(2)植被表面曼宁糙率系数随流速的增大而减小,当流速超过4 m/s时,糙率值稳定在0.025～0.035之间,在某一稳定流量下,植被表面曼宁糙率值首先随冲刷历时的增加而递减,而后逐渐趋于稳定,并在护坡破坏时发生突增;(3)Darcy-Weisbach阻力系数不仅与植被的种类及生长状况有关,而且和植被的平均瞬时弯曲高度与水力半径的比值有关,随着水流流速及历时的增加阻力系数也随之减小。     

黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究

本文通过径流冲刷试验，对黄土坡面形成的细沟的水力学特征进行了试验研究。结果表明，反映细沟中径流水力几何形态的过水断面宽，平均径流深，以及平均径流速度与流量的关系指数分别为０２６，０４８和０２６。细沟阻力系数的大小与水流雷诺数密切有关，但其变化趋势受坡度的影响很大。在坡度较缓的坡面上，阻力系数随雷诺数的增大而减小。在坡度较陡的坡面上，由于水流侵蚀作用强度的变化及重力影响作用的渐趋显著，阻力系数又会随雷诺数的增大而变大。     

坡面流阻力规律试验研究

通过实验室人工隆雨水槽试验，初步研究了坡面浅层均匀流及由降雨形成的浅层沿程变量流的流动阻力规律，根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析，进一步明确了坡面浅层水汉与一般明渠流水力特性的差别，揭示了降雨、坡度和表面粗糙度对浅层流流动特性的影响，提出了“伪层流”的概念，根据实测资料建立了不同流区的Ｄarcy-Weisbach阻力参数f的定量关系式，研究成果可用于坡面流汇流计算及土壤侵蚀、产沙模拟等生产实践。     

牧草对坡面侵蚀动力参数的影响

通过室内模拟降雨试验，研究了不同盖度草地与裸地坡面的产流产沙过程与坡面流水动力学特性。试验结果表明，与裸地坡面相比，草地坡面的含沙量、平均输沙率、径流量以及坡面流速均有不同程度的降低。草地坡面的平均输沙率及坡面流速随草地盖度的增大而减小，而盖度对草地坡面径流量的影响则不明显。裸地坡面的输沙率随降雨历时呈高一低一高变化，而草地坡面的输沙率则随降雨历时呈幂函数递减。试验中坡面径流的弗劳德Fr数和雷诺Re数均属层流的缓流范畴。草地坡面的Darcv-weisbach和曼宁阻力系数随草地盖度的增大而增大，其值均大于裸地坡面相应的阻力系数。     

The experimental study of hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with three-dimensional Geomat

The hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with a three-dimensional Geomat are studied for different rainfall intensities and slope gradients. The rainfall intensity is adjusted in the rainfall simulation system. It is shown that the velocity of the overland flow has a strong positive correlation with the slope length and the rainfall intensity, the scour depth decreases with the increase of the slope gradient for a given rainfall intensity, and the scour depth increases with the increase of the rainfall intensity for a given slope gradient, the overland flow starts with a transitional flow on the top and finishes with a turbulent flow on the bottom on the slope with the three-dimensional Geomat for different rainfall intensities and slope gradients, the resistance coefficient and the turbulent flow Reynolds number are in positively related logarithmic functions, the resistance coefficient and the slope gradient are in positively related power functions, and the trend becomes leveled with the increase of the rainfall intensity. This study provides some important theoretical insight for further studies of the hydrodynamic process of the erosion on the slope surface with a three-dimensional Geomat.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF OVERLAND FLOW WITH GEOCELL

The hydrodynamic characteristics of the overland flow with a geocell slope are different from those of traditional flows because of its special structure. In this paper,a hydraulic flume with different slope gradients is used to study the hydrodynamic characteristics of the overland flow with geocell. The differences of flow characteristics between the overland flow with the geocell slope and the traditional flows are studied, and the hydrodynamic characteristics are obtained, including the flow pattern, the flow velocity and the hydraulic friction factor for the slope flow with geocell under different flow rates and slope gradients. The results show that there is a positive power function relationship between the rill depth of the slope surface (h) and the drag coefficient of the Darcy Weisbach (f).There is a positive logarithmic function relationship between the drag coefficient f and the Reynolds number Red,and there is a negative power function relationship between the drag coefficient f and the Froude number Fr.     

草被覆盖度下坡面流流速变化及缓流机制研究

坡面薄层水流是黄土区土壤侵蚀发生的直接动力条件,探究植被覆盖条件下坡面流水动力学特性及缓流机制,有助于揭示土壤侵蚀发生的水动力学机理。在水槽坡度为12°条件下,通过9个草被覆盖度、7个流量的组合试验,研究了不同植被覆盖度下坡面水流流速变化和缓流机制。结果表明:坡面流流速随着覆盖度的增加整体呈减小的趋势;缓流系数随覆盖度的增加呈先增大后减小的变化规律,当覆盖度大于47.66%时,缓流系数随覆盖度的增加显著减小;以覆盖度47.66%为临界值,高、低覆盖度下缓流系数随雷诺数的变化规律有所不同。最后,建立了模拟草被下的坡面流流速和缓流系数拟合公式,验证结果表明,拟合公式精度较高,可为建立土壤侵蚀预报模型提供参考。     

大气作用下膨胀土边坡的动态响应数值模拟

采用热湿耦合非等温流方程,结合实际蒸发和植物蒸腾的边界条件,通过考虑水分迁移所引发的非饱和土应力变形行为,建立了大气-非饱和土相互作用模型。采用该模型,分析了在气候变化条件下,不同坡比和不同覆盖条件下非饱和膨胀土边坡的各种动态响应。计算结果表明,该模型能较好分析计算非饱和土表层的蒸发量及草皮对边坡土层含水率和变形的影响;采用分阶段变渗透系数的方法,能有效反映出降雨入渗和蒸发蒸腾过程中膨胀土所表现的不同渗透特性;而边坡的安全系数随气候变化而波动,降雨时边坡的稳定性比蒸发时低,蒸发可提高表层土体吸力,草皮覆盖亦有利于边坡的稳定性。     

Effects of urban grass coverage on rainfall-induced runoff in Xi'an loess region in China

In this study, laboratory rainfall simulation experiments were conducted to investigate the regulatory effects of grass coverage on rainfall-runoff processes. A total of 80 grass blocks planted with well-grown manilagrass, together with their root systems, were sampled from an eastern suburban area of Xi'an City in the northwest arid area of China and sent to a laboratory for rainfall simulation experiments. The runoff and infiltration processes of a slope with different grass coverage ratios and vegetation patterns were analyzed. The results show that the runoff coefficient decreases with the increase of the grass coverage ratio, and the influence of grass coverage on the reduction of runoff shows a high degree of spatial variation. At a constant grass coverage ratio, as the area of grass coverage moves downward, the runoff coefficient, total runoff, and flood peak discharge gradually decrease, and the flood peak occurs later. With the increase of the grass coverage ratio, the flood peak discharge gradually decreases, and the flood peak occurs later as well. In conclusion, a high grass coverage ratio with the area of grass coverage located at the lower part of the slope will lead to satisfactory regulatory effects on rainfall-induced runoff.     

植被排列方式及坡度对坡面流Fr影响的试验研究

为探究植被的排列方式及坡度大小对坡面流弗劳德数Fr的影响,以期揭示坡面流弗劳德数Fr的内在规律。利用人工模拟试验,系统研究了6个坡度、3种植物排列方向与水流方向呈不同走向角的条件下Fr与单位底面积的空间摩阻表面积K值的特征关系。表明在非淹没状态下,Fr与K值的关系为随K值的增大Fr呈现先减小后趋于平稳的趋势;Fr的取值随坡度的增大而增大;在一定的坡度范围内,同一坡度下,当Fr1时,同一K值下,走向角越大对应的Fr值越小,当Fr1时则相反;同一走向角下,在同一K值下,坡度越大对应的Fr就越大。得出在坡度一定的条件下,坡面植被的排列方式不同,弗劳德数Fr的取值也不相同;坡度是影响Fr取值范围的重要因素之一。     

Longitudinal variations of hydraulic characteristics of overland flow with different roughness简

The evolution of the overland flow velocity along the distance downslope on smooth and granular beds in different cases is investigated by means of the electrolyte tracer via flume experiments.The results demonstrate that a non-uniform flow regime and a uniform flow regime exist in the development process of the overland flow.Owing to the different attributes of beds’roughness,the position of those zones with different flow regimes varies correspondingly:(1)the overland flow on granular beds enters into the uniform regime much sooner,additionally,the roll waves tend to appear because of the presence of the proper flow resistance imparted by the roughness(coarse sands),and large slopes(20o and 25o)which makes the flow velocities and depths to undulate spatially.Furthermore,the flow resistance of the overland flows with different roughness elements,that is the non-sands,the fine sands and the coarse sands,is calculated.A quadratic interpolation method of the third order accuracy is employed in the calculation of the longitudinal flow resistance.The results show that it is rational to use the bed slope to approximate the hydraulic energy slope over a relative small roughness(the present roughness),however on the other hand,if the mean flow velocities and depths rather than the local parameters are used to calculate the flow resistance,a considerable error will be induced within the non-uniform regime of the overland flows,including the acceleration zone and the roll-wave zone.     

植被覆盖结构对坡面产流产沙的影响及调控机制分析

利用野外模拟降雨试验,以自然修复草本植被完整覆盖、地表覆盖、高层覆盖和无覆盖有根系等4种不同垂直覆盖结构为研究对象,分析了植被不同垂直结构对坡面产流产沙的影响作用。研究表明:(1)不同垂直覆盖结构条件下的坡面产流产沙特征差异明显,以无覆盖有根系坡面作对照,完整覆盖、地表覆盖及高层覆盖结构减流率分别为91.12%、83.28%和61.55%,减沙率分别为98.71%、96.10%和64.69%,完整覆盖结构对产流产沙过程的抑制作用最强;(2)试验条件下,植被完整覆盖、地表覆盖和高层覆盖可截留降雨1.85、1.01和0.84 mm,场次降雨截留率分别为1.73%、1.09%和0.90%;(3)坡面径流特征与植被覆盖结构有关,试验条件下,与无覆盖有根系坡面相比,完整覆盖、地表覆盖、高层覆盖坡面流速分别降低66.69%、53.47%和19.21%,径流深降低66.70%、51.17%、39.38%。植被垂直结构是影响坡面产流产沙的重要因素,仅用单一的覆盖指标难以充分反映植被对水沙的调控作用。研究成果对于定量评价不同植被覆盖结构的减水减沙作用有参考价值。