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。     

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。     

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.     

基于BP神经网络的坡面流阻力模型试验研究

通过室内人工模拟降雨试验,根据45、90、130 mm/h降雨强度下20°裸地坡面的坡面流阻力系数变化特征,以模拟降雨强度、坡面流流速、坡面流水深、坡面糙率为输入变量,坡面阻力系数为输出变量,建立了基于BP神经网络的坡面流阻力系数模型,采用遗传算法进行模型参数寻优,使用AdaBoost算法对所建模型进行优化。结果表明:BP神经网络模型能够用于坡面流阻力系数的计算,AdaBoost优化后的模型对测试集的平均预测误差为8.94%,比未优化模型的平均预测误差减小了8.96个百分点,模拟预测精度显著提高。     

花岗岩发育红壤坡地蚀产沙规律试验研究

本文在对野外试验观测小区进行数年天然降雨观测的基础上，借助于模拟降雨试验方法对花岗岩发育红壤坡地的三种不同试验小区的水土流失过程与规律以及降雨强度对水土流失的实际影响作一些探讨，试验实测资料表明农耕小区与光板小区的产流产沙结果较为接近，产流比牧草小区大数倍至数十倍，侵蚀产沙大到数百倍，而且随雨强增加其相差更加悬殊，雨强与降雨能量是影响农耕地与光板地水土流失的重要因素，但对牧草小区影响不大，牧草对增加土壤入渗1增强土壤抗蚀性、防止雨滴溅蚀有极其显著作用与效益，最后本文简述了对坡地改良与利用的一些想法。     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。     

森林对坡面流的影响研究

采用运动波方程 ,用矩阵理论推导出坡面流的一般方程 ,结合森林生态系统的功能 ,分析了坡面流的局部损失和总阻力 ,为研究森林控制非点源污染输移提供了理论依据。     

锦州市土壤侵蚀产流产沙规律研究

以锦州市水土保持监测点为例,采用K均值聚类法和灰色关联法分析2014—2021年侵蚀性降雨类型、特征以及不同径流小区产流量、产沙量、降雨量间的相关性,使用双累积曲线法分析不同下垫面条件产流产沙差异性。结果表明：(1)汛期是发生侵蚀性降雨集中期,频次达到65.1%,以Ⅰ型降雨为主,其次是Ⅱ型和Ⅳ型降雨,Ⅲ型最少;(2)径流深、降雨量与产沙量关系密切,相关系数处于62～0.88之间,Ⅲ型、Ⅳ型降雨造成的次降雨含沙量和土壤流失总量最高;(3)产沙能力最大的是农地,其次是林地,最小的是林地,选用高覆盖度的植物、横向起垄种植和减少人为扰动可以提高水保效益,林地比农地更具有更显著的水保效益;(4)随着雨强和雨量的增加,不同地表覆盖形式对水流和泥沙产生的差异逐渐减小,可为锦州市水土保持效益提升和水土流失治理提供一定支持。     

森林对坡面流的影响研究

采用运动波方程,用矩阵理论推导出坡面流的一般方程,结合森林生态系统的功能,分析了坡面流的局部损失和总阻力,为研究森林控制非点源污染输移提供了理论依据.     

坡面流侵蚀与水动力学参数间关系的试验研究

坡面流侵蚀量与水动力学参数具有特殊关系,为建立侵蚀量与坡面流流速、剪切力和断面单位能量间的定量关系,通过室内人工降雨坡面流模型试验,针对不同坡比、不同降雨强度条件进行了坡面流流速、产沙率等要素的系统试验测量。利用参数分析法,通过标准差、变异系数和决定系数之间的对比评价,优选出与侵蚀输沙相关程度较高的动力学参数。结果表明:坡面流剪切力线性关系式用于描述坡面流输沙的变化过程具有较好的模拟效果。     

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.     

坡面汇流的试验研究

本文根据大量的室内模拟降雨汇流试验，分析了降雨强度、雨型、坡面形状、坡度及粗糙度等因素对坡面汇流的影响。着重探讨了雨强与洪峰流量及汇流时间的关系、雨型对洪峰流量的影响规律等问题，对坡面汇流的理论研究及小流域的径流计算都具有现实的意义。     

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。     

不同坡长下的坡面流水力学特性研究

坡面流亦即薄层水流,指的是降雨或融雪形成的,并在重力作用下沿坡面流动的薄层水流,它是地表径流的初始阶段,提供了侵蚀的主要动力。坡度相同、降雨强度相同时,随着坡长的增加,流速逐渐增大。在相同降雨强度下．坡长对流速有一定的影响,二者呈良好的指数关系;流量随坡长的增长而逐渐增大,二者呈良好的幂函数关系。2m水槽基本能够反映出坡面流的水力学参数的变化。随着坡长的增加,相同流速下,雷诺数逐渐增大．且增长速度亦逐渐增大。     

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。     

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。     

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.     

溃坝典型水流水力特性试验研究

黏性土坝漫顶溃决是一个水、土二相耦合逐渐发展的过程,涉及水流冲蚀主动力和坝体材料被动抗力的综合作用。立足当今世界溃坝研究的前沿理论,借鉴以往现场原型试验相关成果,对土坝溃决过程进行了宏观阶段划分,并在此基础上开展专门的水槽试验,采用PIV技术对表面冲刷水流和陡坎冲射水流的精细水流结构进行了详细研究。试验获得了两种典型水流的几何特性及相关水力特性,总结分析了各水流结构对坝体的冲蚀作用机制。相关成果的获取可从本质上对黏性土坝陡坎溯源冲蚀机理进行理解和掌握,亦可为数值模拟及其他溃坝研究工作提供技术参考。