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。     

柔性植被和刚性植被水流水动力学特性研究

为了深入揭示植被水流的内在规律,系统研究了刚性和柔性植被覆盖下坡面流水动力学特性。结果表明:刚性或柔性植被覆盖下,水流平均流速均随流量增大而增大,刚性植被对流速的减缓效果优于柔性植被;刚性植被覆盖下,弗劳德数小于1,处于缓流流态,阻力系数随雷诺数和流量增大呈单峰形式变化;柔性植被覆盖下,随流量增大,弗劳德数逐渐增大,由缓流过渡到急流,阻力系数随雷诺数和流量增大均呈减小趋势。在生态工程建设过程中,同种植被应该选取刚度较大的植被类型。     

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。     

不同植被措施下坡耕地产流规律研究

为了研究不同植被措施下坡耕地产流规律,采用野外径流冲刷实验的方法,获取试验数据,分析不同坡度、不同流量以及不同植被的水土保持效果,结果表明坡面土壤的产流量随流量、坡度的增大而增加;随着覆盖度的增加,不同作物的产流量降低;不同冲刷流量对农作物具有明显的减流作用。这为今后治理坡耕地水土流失工作提供参考,为生态环境的可持续发展提供理论帮助。     

柔性植被叶片近地表覆盖对坡面流水力学特性的影响

坡面柔性植被对坡面流水力学特性有着显著影响,进而对坡面侵蚀起着重要作用。以往的研究主要集中在完整柔性植被上,包括茎杆和叶片。为进一步探明近地表柔性植被叶片对水力学特性的影响,采用模拟坡面冲刷试验,研究了3种流量（0.5、1.0和1.5 L/min）、5种坡度（2°、4°、8°、12°和16°）、5种覆盖度以及2种覆盖类型下坡面径流的水动力学特征,以期揭示柔性植被叶片近地表覆盖对坡面土壤侵蚀特征的影响。结果表明：平均流速随柔性植被叶片覆盖度的增加而下降,流量与坡度的增加可减缓平均流速的下降趋势;雷诺数Re与佛汝德数Fr随柔性植被叶片覆盖度的增加而降低,佛汝德数Fr下降趋势明显,雷诺数Re下降趋势平缓。柔性植被叶片覆盖度和坡度对流态的影响相互制约;阻力系数随植被叶片覆盖度的增加呈增加趋势,覆盖物起到增阻作用;坡度变化引起阻力系数先降低后增加再降低的趋势,相同条件下横向不同覆盖度覆盖物的形态阻力在总阻力中占比更大。研究结果可为黄土高原坡面侵蚀及生态环境治理提供理论依据。     

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。     

植被覆盖下坡面流的水流特性实验研究

为研究柔性植被和刚性植被覆盖下坡面流的水流特性,用水槽模拟坡面,PVC塑料薄膜模拟植被,通过调节水槽的坡度和柔性、刚性植被覆盖度对坡面流的水流流态、流速、水流深度进行了研究。经过多组实验得出了大量植被覆盖下的坡面流水力特性数据,并通过数据分析,总结了在不同植被覆盖、不同坡度条件下坡面流流速的变化规律。最后得出,通过减小坡面流流速、增加水流水深、控制水流流态、选择刚性植被覆盖坡面,可减少对坡面土壤的水力侵蚀。实验结果对控制流域非点源污染和选择水土流失防治措施有参考作用。     

汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水动力学特征室内试验

野外测定汶川震区滑坡堆积体休止角、土石混合坡面容重、土壤(2 mm)与碎石(2~7 mm)比例,以此作为模拟研究的参数范围,开展了室内土石混合高陡坡面放水冲刷试验,研究了不同流量、坡度与石土比例组合下的水动力学特征。结果表明:34°坡面各流量及36°坡面4 L/min组合下,全土情况的水流流速均显著大于含碎石情况下的水流流速,在36°坡面8 L/min,12 L/min情况下,含碎石情况的水流流速逐渐增大并超过全土情况;各组合水流流速均随冲刷时间的延长而减小。石土比例对雷诺数Re的影响较复杂,在试验时段内各组合的水流基本属于过渡流或紊流。石土比例对弗劳德数Fr的影响规律与流速相似,Fr随冲刷时间延长而逐渐从急流转变为缓流,其中含碎石情况相比全土情况表现更加明显。Darcy-weisbach阻力系数f随冲刷时间先缓慢增加后迅速增加再急速下降,全土情况下的f值介于0.16~14.40,含碎石情况下f值介于0.16~29.68。Darcy-weisbach阻力系数f与Re呈负相关关系。     

汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水动力学特征室内试验

野外测定汶川震区滑坡堆积体休止角，土石混合坡面容重、土壤(<2mm)与碎石(2~7mm)比例，以此作为模拟研究的参数范围，开展了室内土石混合高陡坡面放水冲刷试验，研究了不同流量，坡度，石土比例组合下的水动力学特征。结果表明：34°坡面各流量及36°坡面4L/min组合下，全土情况的水流流速均显著大于含碎石情况下的水流流速，在36°坡面8L/min，12L/min情况下，含碎石情况的水流流速逐渐增大并超过全土情况；各组合水流流速均随冲刷时间的延长而减小。石土比例对雷诺数的影响较复杂，在试验时段内各组合的水流基本属于伪层流或紊流。石土比例对弗汝德数的影响规律与流速相似，弗汝德数随冲刷时间延长而逐渐从急流转变为缓流，其中含碎石情况相比全土情况表现更加明显。Darcy-weisbach阻力系数f随冲刷时间先缓慢增加后迅速增加再急速下降，全土情况下的f值介于0.16~14.40，含碎石情况下f值介于0.16-29.68。Darcy-weisbach阻力系数f与雷诺数Re呈负相关关系。     

草被覆盖对坡面径流剪切力影响的试验研究

通过人工模拟试验,研究了草被覆盖对坡面径流剪切力的影响。结果表明:坡面径流剪切力随覆盖度的提高而减小,30°坡面在5 L/min流量级试验条件下,裸坡、低覆盖度和高覆盖度坡面径流平均剪切力分别为0.9、0.5、0.3 Pa;各类坡面径流剪切力沿程和随试验历时的波动变化幅度随覆盖度的提高而降低。     

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。     

底坡变化对坡面流水动力学特性影响研究

坡度是影响坡面流水动力学特性的重要因素之一,采用变坡试验水槽在变化水深条件下模拟坡面流,用于研究7种不同坡度对水动力学特性的影响。结果表明:水力坡度、弗劳德数、雷诺数随坡度增大而增大,阻力系数随坡度增大先增大后减小;在相同坡度条件下,弗劳德数随水深增大先减小后趋于稳定,雷诺数随水深增大而增大;当0≤J≤1.5%时,水力坡度随水深增大先减小后趋于稳定;当2%≤J≤3%时,水力坡度随水深增大先基本不变后减小。     

倒伏植被茎秆粗度对坡面水流特性的影响

为深入探索植被倒伏条件下水流结构的内在规律,开展植被茎秆直径对坡面流水流特性影响的试验研究。试验固定坡度为1. 0%,倒伏角度为20°,取茎秆直径为2 mm、3 mm、4 mm进行室内明渠流模拟试验。结果表明:在相同直径条件下,随水深增大,Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,雷诺数呈线性增大,弗劳德数呈幂函数形式下降;在相同水深条件下,随茎秆直径增大,DarcyWeisbach阻力系数增大,雷诺数与弗劳德数随之而减小,且当茎秆直径每增加1 mm,阻力系数平均增大33. 76%,雷诺数平均减小2. 57%,弗劳德数平均减小8. 33%。     

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。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

坡体渗流与气温变化相关性分析

基于多相流及多场耦合理论,采用有限单元法计算了三峡库区木鱼包滑坡体温度随气温变化情况,进而依据温度与水体黏滞性的相关关系分析气温变化对坡体渗流的影响。计算表明,坡内温度受气温影响仅限于坡体浅层区域,距地表深度越深,影响程度越小,在时间上的滞后性越大。温度变化可改变水的黏滞性,进而引起土体渗透参数的改变,计算表明因气温变化引起的坡体渗透性改变较为显著。坡体渗透系数受气温变化的影响随深度呈非线性分布,距地表越深受气温变化的影响越弱,通常大于雨水最大入渗深度以后,坡体渗透系数不再发生显著变化。另外,坡体渗透系数随气温呈现季节性变化规律,夏季气温高于坡内土体温度,渗透系数随深度的增加而减小;冬季坡体内温度高于气温,渗透系数随深度的增加而增加。     

非淹没刚性植被流动阻力研究

摘要：水生植物环境中,水流受植被的阻碍作用,流动阻力增加。为了定量研究植被对水流的阻力,本文采用应力计对非淹没刚性植被的流动阻力进行了实验室测量。能量方程计算的拖曳力与应力计实测的拖曳力进行了对比,两者的一致性证明了拖曳力测力装置的有效性。对不同水深条件下的植被拖曳力的测量表明,非淹没刚性植被的流动阻力与速度的平方成正比,拖曳力系数受雷诺数和能量底坡的影响较大。     

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.     

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.