根据畦田水流推进过程水力因素确定Philip入渗参数和田面平均糙率

根据水流水面线为幂函数曲线假定用满宁水流公式,推求了水流在畦田推进过程的表达式。根据水量平衡原理,建立了利用水流推进过程有关水力因素确定土壤入渗参数和田面平均糙率方法。同时,利用实验资料对所提出的方法进行了检验,结果表明该法所推求的入渗参数与利用推进和消退过程推求的参数相一致。     

模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究

为科学治理工程开挖坡面水土流失问题,采用野外人工模拟降雨试验,设计了5种雨强(30,60,90,120,150 mm/h)和3种坡度(10°,20°,30°),系统分析了不同情景下雨强、坡度、径流率、径流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:工程开挖坡面剥蚀率Di与坡度S相关性不显著(p 0.05),与雨强I、坡度和雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(p 0.01);采用3种常用的细沟间侵蚀模型来计算工程开挖坡面土壤剥蚀率,就拟合效果而言,幂函数型坡度因子指标更适用于工程开挖坡面土壤剥蚀率的计算;采用径流流速、水流剪切力和水流功率为代表的水动力学参数来计算土壤剥蚀率,就拟合效果而言,水流功率是描述其细沟间侵蚀动力过程的最理想水力参数。研究成果可为建立工程开挖坡面水土流失量预测模型提供技术参数和依据。     

粗糙度对坡面侵蚀及泥沙分选性影响试验研究

为进一步揭示土壤侵蚀的内在规律,以某一试验小区为例,通过模拟不同地表粗糙度,分析了不同雨强条件下的坡面侵蚀产沙及泥沙颗粒粒径变化特征。结果表明:相同雨强和降雨历时下,粗糙度对坡面径流率、水流功率、径流含沙量和产沙率有显著影响;侵蚀泥沙的搬运形式与雨强和粗糙度均有关,而不同泥沙颗粒搬运方式是引起不同粗糙度坡面侵蚀产沙分异的重要原因。因此,坡面侵蚀产沙模型中应综合考虑地表粗糙度和泥沙粒径信息。研究成果可为水土保持规划设计和水土保持措施优化配置提供一定依据。     

基于GIS技术的降雨对微地形地表糙度的影响

从微观上研究降雨过程中各个地表糙度的变化特征和规律,以杨凌坡耕地表层土为供试土壤,采用人工模拟降雨、GIS技术和激光扫描测量方法,通过室内试验与计算机模拟,研究了人工锄耕措施下雨强为60 mm/h,坡度分别为5°和10°的地表糙度变化特征,并进行了水文分析。结果表明:地表粗糙度溅蚀阶段的变化最为明显,随坡度的增大而增加;地形指数在细沟出现时变化最明显,其余阶段相对稳定;形状系数在溅蚀阶段达到最高值,随后逐渐减小,在细沟出现后,稳定在相对较低值。文中结果丰富了坡面径流理论,以期为研究区农业生产实践提供指导。     

浮帘群水流阻力特性试验研究

为探明含浮帘群水流的阻力特性和各阻力参数计算方法,对不同间距、不同高度浮帘群在不同恒定均匀明渠流中的阻力特性开展了92组水槽试验。通过拟合水面线获得水力坡降,探讨浮帘拖曳力系数、曼宁糙率和达西韦斯巴赫阻力系数的变化规律。研究结果表明:浮帘群布置存在临界间距,此时浮帘间的相互干扰作用几乎消失;浮帘群消能增阻作用明显,其拖曳力系数在不同水流条件下变化较小,取值介于1.60~2.05之间;曼宁糙率主要与浮帘相对高度及浮帘分布密度有关,并获得了曼宁糙率的修正计算方法;达西韦斯巴赫阻力系数可由浮帘相对高度、浮帘分布密度及浮帘雷诺数组成的拟合公式获得。     

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

人工降雨和放水冲刷试验下红壤坡面径流与泥沙特征分析

南方红壤丘陵区是我国水土流失最严重的区域之一,严重的水土流失会导致土壤退化,也会影响农业生产的可持续发展,因此,研究红壤坡面侵蚀规律对南方红壤丘陵区水土流失防治意义重大。以红壤坡面为研究对象,应用人工降雨和放水冲刷试验,选择5°,10°,15°,20°四个坡度,设计0.8,1.2,2.1,2.6 mm/min四种降雨强度(相对应的放水流量分别为1.4,3.0,5.7,7.0 L/min),对红壤坡面的径流和泥沙特征进行了研究。结果表明:2种试验条件下,红壤坡面初始产流时间均随着坡度和降雨强度(放水流量)的增大而减小,尤以5°坡和0.80 mm/min降雨强度(1.40 L/min放水流量)下变化幅度最为明显,且在坡度较小时(5°和10°),人工降雨试验产流快;2种试验条件下红壤坡面径流量稳定时间为15~20 min,人工降雨试验红壤坡面泥沙量稳定时间为10~15 min,放水冲刷试验红壤坡面泥沙量稳定时间为15~20 min;径流和产沙总量随降雨强度(放水流量)和坡度增加而增大,在降雨强度(放水流量)和坡度较小时变化幅度较大;降雨试验的径流总量超过放水试验,产沙总量在降雨强度(放水流量)和坡度较小时,放水试验多,但随着降雨强度(放水流量)和坡度的增加,降雨试验多;5°坡在不同的降雨强度和放水流量下,径流和泥沙总量变化幅度最大,故应重视5°坡的水土流失预防。研究结果有助于全面了解红壤侵蚀规律,并为南方红壤丘陵区开展土壤侵蚀治理提供数据支撑。     

Analysis of dynamic wave model for flood routing in natural rivers

Flooding is a common natural disaster that causes enormous economic, social, and human losses. Of various flood routing methods, the dynamic wave model is one of the best approaches for the prediction of the characteristics of floods during their propagations in natural rivers because all of the terms of the momentum equation are considered in the model. However, no significant research has been conducted on how the model sensitivity affects the accuracy of the downstream hydrograph. In this study, a comprehensive analysis of the input parameters of the dynamic wave model was performed through field applications in natural rivers and routing experiments in artificial channels using the graphical multi-parametric sensitivity analysis (GMPSA). The results indicate that the effects of input parameter errors on the output results are more significant in special situations, such as lower values of Manning’s roughness coefficient and/or a steeper bed slope on the characteristics of a design hydrograph, larger values of the skewness factor and/or time to peak on the channel characteristics, larger values of Manning’s roughness coefficient and/or the bed slope on the space step, and lower values of Manning’s roughness coefficient and/or a steeper bed slope on the time step and weighting factor.     

基于矢量糙率的栅格单元流量分配模型

本文认为地表径流在汇流过程中由于流域坡面上地质层理走向、人类耕作活动、天然植被分布等一系列影响使坡面不同方向上具有不同的曼宁糙率系数取值,从而对栅格单元内地表径流向下游各栅格单元的流量分配产生影响,基于这一认识本文提出矢量糙率的概念,并在分析以往模型的基础上,利用一维圣维南运动波方程结合曼宁方程建立了考虑糙率因素的栅格单元间地表径流流向及流量分配模型.经试验流域应用检验,该模型能更精确地模拟降雨径流过程.     

不同坡度和前期土壤含水率条件下裸地降雨产流试验研究

坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程的重要影响因素。为研究华北半干旱地区的降雨产流机制,采用人工模拟降雨的方法,进行了不同坡度(5°、10°和15°)和前期土壤含水率(0.20、0.25和0.30)条件下的降雨产流试验。结果表明:在整个降雨产流过程中,地表径流量随坡度和前期土壤含水率的增加而增大,累积径流量与产流历时呈线性函数关系;土壤入渗率和产流滞时均随前期土壤含水率和坡度的增加而减小,且前期土壤含水率对土壤入渗率和产流滞时的影响较坡度更加明显;Horton模型对降雨入渗关系的拟合结果优于Kostiakov和Philip模型。     

渠道糙率率定误差分析

本文研究了渠道糙率率定误差与水力测量误差的函数关系。根据水力学原理,提出了计算渠道糙率率定误差的公式,然后计算分析了南水北调中线京石段应急供水工程实测流量、水深误差产生的渠道糙率率定的误差.得到重要结论:(1)微小的水力测量误差可能产生较大的渠道糙率率定误差,现有南水北调中线典型渠道原型观测糙率误差可达11%;(2)糙率的流量误差分量相对值与流量测量误差基本相同;(3)糙率的进出口水深误差分量绝对值非常接近,两者绝对值大小不仅与水深测量误差成正比,而且与渠道长度有关,当渠道过短时,糙率的水深误差分量将成倍增加。     

Use of Gene-Expression Programming to Estimate Manning’s Roughness Coefficient for High Gradient Streams

Manning’s roughness coefficient (n) has been widely used in the estimation of flood discharges or depths of flow in natural channels. Therefore, the selection of appropriate Manning’s n values is of paramount importance for hydraulic engineers and hydrologists and requires considerable experience, although extensive guidelines are available. Generally, the largest source of error in post-flood estimates (termed indirect measurements) is due to estimates of Manning’s n values, particularly when there has been minimal field verification of flow resistance. This emphasizes the need to improve methods for estimating n values. The objective of this study was to develop a soft computing model in the estimation of the Manning’s n values using 75 discharge measurements on 21 high gradient streams in Colorado, USA. The data are from high gradient (S?>?0.002 m/m), cobble- and boulder-bed streams for within bank flows. This study presents Gene-Expression Programming (GEP), an extension of Genetic Programming (GP), as an improved approach to estimate Manning’s roughness coefficient for high gradient streams. This study uses field data and assessed the potential of gene-expression programming (GEP) to estimate Manning’s n values. GEP is a search technique that automatically simplifies genetic programs during an evolutionary processes (or evolves) to obtain the most robust computer program (e.g., simplify mathematical expressions, decision trees, polynomial constructs, and logical expressions). Field measurements collected by Jarrett (J Hydraulic Eng ASCE 110: 1519–1539, 1984) were used to train the GEP network and evolve programs. The developed network and evolved programs were validated by using observations that were not involved in training. GEP and ANN-RBF (artificial neural network-radial basis function) models were found to be substantially more effective (e.g., R² for testing/validation of GEP and RBF-ANN is 0.745 and 0.65, respectively) than Jarrett’s (J Hydraulic Eng ASCE 110: 1519–1539, 1984) equation (R² for testing/validation equals 0.58) in predicting the Manning’s n.     

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。     

干湿田面糙率差异对灌溉模拟效果影响

田面糙率是影响畦灌水流运动过程的关键参数,其值的合理确定对灌溉模拟效果影响显著.本文基于田间实测数据,借助地面灌溉模拟模型,分析不同土质、入畦流量和坡度条件下考虑与不考虑干湿田面糙率差异对灌溉模拟效果的影响.结果表明,考虑干湿差异的模拟效果略优于不考率干湿差异的模拟效果,且通过敏感性分析得出,湿面糙率起决定性作用,干面糙率影响较小.该结果可为地面灌溉反馈控制系统中田面糙率系数的合理确定提供科学依据.     

草被覆盖下坡面—沟坡系统坡面流阻力变化特征试验研究

本项研究旨在通过室内放水冲刷试验，揭示坡面—沟坡系统坡面不同草被覆盖面积比、不同空间配置、不同放水流量下坡面阻力的变化过程及特征。试验共涉及坡面—沟坡系统坡面5种草被覆盖面积比、3种空间配置和2种放水冲刷流量。结果表明：坡面—沟坡系统坡面流各段面平均曼宁糙率系数和平均阻力系数与放水流量关系密切，随流量的增大在有草被覆盖断面两系数呈减小趋势，在无草被覆盖断面呈增大趋势。有草覆盖面积大小对阻力影响较大，随面积比的增加阻力系数增大；坡面流阻力在整个坡面—沟坡系统中沿流程增加而下降。在有草覆盖条件下各断面径流平均曼宁糙率系数和平均阻力系数均呈增加趋势，无草坡面则变化不大。因此可得出结论认为草被覆盖和坡度对坡面流阻力大小起着决定性的影响。     

糙率变化对电厂取水构筑物局部水头损失影响试验研究

沿海电厂取水构筑物随运行时间的推移,其表面糙率往往因为海生生物的附着而发生变化。由于构筑物结构复杂以及现有规程、规范均未考虑构筑物表面糙率变化对其局部水头损失系数可能带来的影响,使得构筑物局部水头损失难以准确计算,因此通过相应物理模型试验手段模拟研究管道糙率变化对局部水头损失的影响十分必要。本项试验通过人工加糙的方法来模拟原型中3种不同糙率情况下电厂取水构筑物局部水头损失的变化情况。试验结果表明:糙率变化对构筑物局部水头损失系数的影响明显,需在工程设计中予以关注。     

雨强和地表糙度对坡面微地形及侵蚀的影响

地表糙度是影响坡面侵蚀产沙的重要因素之一,以往研究多关注糙度对坡面产流产沙特征的影响,而较少关注不同糙度条件下坡面微地形变化和侵蚀产沙的关系。通过人工模拟降雨试验,结合Photoscan技术研究了不同雨强和地表糙度对坡面微地形及产流产沙的影响。结果表明:在试验条件下,降雨后光滑坡面和粗糙坡面4个微地形因子(地表糙度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量)数值均减小,且有随雨强增大,其减幅增大的趋势;相同雨强和降雨历时条件下,粗糙坡面微地形因子变化幅度大于光滑坡面,微地形因子变化量与侵蚀产沙量呈明显正相关;与光滑地表相比,粗糙地表只在降雨初期能有效减少产流,随着降雨时间延长,2种坡面的产流率趋于一致;在试验选取的4个雨强条件下,粗糙坡面和光滑坡面产流率均呈现先增大后趋于稳定的趋势。粗糙坡面产沙率和产流率变化规律一致,但光滑坡面产沙率表现出在产流初期迅速增大,而后呈降低并趋于稳定的趋势。研究结果可为揭示坡面土壤侵蚀机理和建立坡面侵蚀产沙模型提供参考。     

工程开挖面特征及土壤流失量快速监测方法探讨

工程开挖面是人为水土流失的主要来源之一,准确、快速监测工程开挖面水土流失量具有重要的现实意义。在对全国四大片区不同工程类型开挖面调查的基础上,提出开挖面分类体系,根据下垫面物质分异特征,分均质面和非均质面,根据有无汇水影响,可进一步分为有汇水影响开挖面和无汇水影响开挖面。开挖面下垫面一般紧实度高,干密度大,坡度大多在30°～70°,坡长主要为10 m左右,开挖时间大多在2 a之内。经分析推导,界定开挖面土壤流失量的监测精度为t,水土流失形式主要为沟蚀。综合开挖面特征及水土流失特点,确定工程开挖面土壤流失量监测重点对象为有汇水影响、出现沟蚀、2 a内的开挖面已发生的土壤流失量。在综合比较现有监测技术方法的基础上,提出开挖面土壤流失量快速监测最宜采取三维激光扫描仪。     

不同间距比下粗糙度对并联双圆柱绕流的影响

利用ANSYS-Workbench大型有限元软件建立了二维模型,在Fluent的工作环境下,探究了不同间距下不同柱体粗糙度对并联双圆柱的升力系数、阻力系数的影响。采用SST k-ω湍流模型,雷诺数控制在1×10~6,并联双圆柱的间距比T/D分别为1.5、2.0、2.5、3.0,进行了柱体表面粗糙度Rh在0、0.1%D、0.3%D、0.5%D、0.8%D和1%D时的数值模拟。结果表明:间距比为1.5时,阻力系数达到最大,升力系数上下波动峰最高;在同一间距比下,随着粗糙度的增加,阻力系数先增大后减小,粗糙度在0.5%D时阻力系数达到最大;并联双圆柱由光滑面发展到粗糙面,阻力系数会发生突变,证明了光滑柱面下的阻力系数最小和升力系数的波动峰值最小。基于以上研究,可以将结论应用于以后圆柱绕流的理论研究和桥梁墩柱的工程建设中。     

河岸与河底相对粗糙度对河道平衡形态的影响研究

边界条件对河流地貌形态具有重要影响,基于河道边界阻力水力半径分割方法,利用变分方法研究河岸与河底相对粗糙度对冲积河流平衡河道形态的影响.结果表明,河岸与河底相对粗糙度对河流达到平衡时的最大输沙率有一定的影响,但对河道平衡形态的影响非常显著.在临界和平均水力几何形态关系式中,随着河岸与河底相对粗糙度的增大,河宽关系式的系...