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。     

坡面流阻力研究进展

坡面流阻力的研究对了解坡面流水流特性、汇流过程、土壤侵蚀和坡面产沙机理都非常重要。本文分5个方面总结了坡面流阻力研究的最新进展:(1)坡面流阻力系数与雷诺数的关系;(2)光滑床面上的坡面水流阻力;(3)粗糙床面上的坡面水流阻力;(4)降雨对坡面流阻力影响的研究;(5)坡面流阻力的计算模型。综合前人研究发现,阻力系数与雷诺数在不同的条件下呈正相关或负相关关系;用叠加法计算不同条件下的坡面流阻力有其合理的一面,也有不足之处;粗糙动床条件下的坡面水流阻力计算模型更接近实际情况。最后,本文指出了当前坡面流阻力研究存在的主要问题和未来需要突破的主攻方向。     

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。     

人工植被变化对坡面流水沙运动的影响

基于室内坡面流试验,研究了人工植被分布变化对坡面水流及输沙特性的影响。试验采用PVC管模拟植被,通过改变管径、分布方式来模拟不同的植被分布情况,包括"细管整齐排列""细管错开排列""粗管错开排列"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影响显著,使得水流流速、流态差异很大;对有淤积情况下的坡面流输沙率、拦沙率影响显著,而对没有淤积情况下的坡面流输沙率影响较小。     

生态植被的坡面流阻力研究进展及若干问题思考

研究植被对水流的阻力作用,对生态坡面建设、流域径流预测及坡面水力侵蚀具有重要意义。目前的研究从植被刚柔性、淹没度、植被覆盖度、植被类型因子及分布模式几个方面讨论植被对坡面流特性的影响,并探讨其影响规律及意义。但由于植被本身的复杂性,使目前这方面的研究具有很大局限性。结合当前研究现状,文章对坡面水植被流阻力的研究提出分析及展望,认为应加强植被组合分布模式的阻力效应,探索植被倒伏程度与阻力的定量关系,完善不同景观图谱表达的植被阻力研究体系,揭示过渡淹没状态下植被阻力机理方面的拓展工作,为坡面植被水流阻力研究提供全面系统的理论依据。     

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。     

国内坡面流研究现状

简要介绍了坡面流水流流态、平均流速、水深以及阻力系数等水动力学特性及坡面流运动规律研究现状 ;进而对坡面流运动方程近几十年来的发展及其近似解解法进行了评述。在介绍坡面流运动规律和水力特性的同时 ,还对影响坡面流特性的雨滴的研究进行了评述 ,首先介绍了雨滴的大小、形状、分布和雨速等物理特性 ,然后探讨了雨滴滴溅对坡面流水流扰动的作用。     

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。     

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.     

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。     

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。     

黄土丘陵区坡面薄层水流侵蚀动力机制实验研究

根据人工模拟降雨试验，研究了黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀水动力过程。结果表明：薄层水流的流速～流量、阻力系数～雷诺数及弗罗德数～雷诺数等3种关系均呈幂函数形式，除阻力系数～雷诺数关系递减外，其余均呈递增。降雨所形成的坡面流属过渡流和紊流，坡面流在时空分布上是非稳定和非均匀的，是在下垫面和降雨影响下严重受扰的扰动流，且具有急流的特点。薄层水流的这种流态特征是侵蚀形成的动力原因。分析了径流量与坡度、雨强，产沙量与坡度、雨强及径流量之间的关系，对深入揭示坡面侵蚀产沙规律有重要的意义。     

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。     

阶梯式溢流面水力特性规律研究

通过调研、专题和实际工程物理模型试验研究,对阶梯式溢流面的水流流态、掺气特性、坡面均匀流水深、时均压力分布特征及消能效果进行了较系统全面的研究,分析了各种水力特性参数的主要影响因子及其规律.     

植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

为分析植被排列走向与水流方向的夹角对坡面地表水流阻力的影响,设计了3种植被排列走向与水流方向成不同夹角的底板、7种不同的坡面比降,通过试验研究不同植被分布对坡面流水流阻力的影响。结果表明:在非淹没状态下,在一定坡面比降范围内,同一平均水深下,随着水流方向与植被走向夹角减小,糙率系数增大;同一下垫面条件下,坡面水流流向不同则坡面地表糙率系数不同,植被走向与水流方向的夹角越小则糙率系数越大。     

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。     

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。     

水利水电工程施工导截流模型试验中的阻力相似问题

施工导截流模型阻力不相似会导致试验成果与实际存在较大偏差。采用理论分析及水力计算方法,剖析了长导流隧洞壁面沿程阻力相似的影响因素,揭示了截流模型试验中阻力危机现象,提出了解决阻力不相似问题的途径。研究表明：对于隧洞导流模型受模型比尺制约,模型水流往往处于紊流过渡区,洞壁阻力系数是模型雷诺数的函数,如忽视模型阻力相似问题,会导致模型泄流能力试验值和洞内流态与原型存在较大偏差,可采取加大流量法或通过系统试验拟合阻力系数与模型雷诺数的关系,再对模型试验泄流能力成果予以修正。对于截流模型,块体抗冲稳定相似需满足推阻力系数相似,模型雷诺数Re_m只有在3×10⁴～2×10⁵时,绕流阻力系数C_d才为常数,可通过合理选择模型比尺使模型水流进入自模拟区,避免阻力危机。     

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。     

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。