坡面流水力学特性研究的进展_于朋

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坡面流水力学参数的估算

１实验方法
１１水槽装置．
（ｏｅｅｏａｄＲｓｕｃｓａｄＥｖｏｍｎ，ＡＣｌｇｆｎｅｏｒｅｎｎｉｎｅｔＪＵ，Ｎｎｈｎ３０５ＣｉａｌＬｒａｃａｇ３０４，ｈｎ）
ＡｂｔａｔＲｅａｉｎｈｐｅｗｅｎｆｏｖｌｃｔｌｏｄｐｈ，ｆｏｄｓｈｒｅ，ａｄｓｏｅｇａｉｎｒｉ — ｓｒｃ：ｌｔｓｉｓｂｔｅｗｅｏｉｏｌｙ，ｆｗｅｔｌｗｉｃａｇｎｌｐｒｄｅｔｗｅｅｓｍｕｌｔｄｉｙｒｕｉｕａｅｎａｈｄａｌｃｆｍｅ．Ｔｈｅｕｔｈｗｅｈｔｔｅｆｗｍｅｎｖｌｃｔｏｌｅｗｅｌｓｍｕａｅｙａｐｗｅｌｅｒｓｌｓｏｄｔａｈｏａｅｏｉｃｕｄｂｌｉｌｔｄｂｏｒｓｌｙｆｎｔｎｏｏｕｃｉｆｆｗｄｓｈｒｅａｄｌｐｇａｉｎ．ＴｈｄｔｒｎｔｏｃｅｃｅｔｗａｏｌｉｃａｇｎｓｏｅｒｄｅｔｅｅｅｍｉａｉｎｏｆｉｎＲｉｓ０．９２．Ｆｌｗｅｔｉｏｄｐｈｎ— ｃｅｓｄａｉｅｒｆｎｔｎｏｌｐｒｄｅｔｎｄｉｃｅｓｄａｏｒｆｎｔｎｏｏｄｉｃａｇ．Ｔｈｅｅ — ｒａｅｓａｌｎａｕｃｉｆｓｏｅｇａｉｎ，ａｎｒａｅｓａｐｗｅｕｃｉｆｆｗｓｈｒｅｏｏｌｅｄｔｒｍｉａｉｎｃｅｃｅｔＲｗａ９８Ｔｈｅｐｅｉｔｏｄｌｒｕｐｒｅｙｐｅｉｕｔ．ｎｔｏｏｆｉｎｉｓ０．．ｒｄｃｉｎｍｏｅｓｗｅｅｓｐｏｔｄｂｒｖｏｓｄａａ

坡面薄层水流柔性植被的力学特性试验研究

究理论、公式和推断Ｊ，例如用雷诺数和弗劳德数来反映坡面流形态，Ｄａｒｃｙ．Ｗｅｉｓｂａｃｈ阻力系数、Ｍａｎｎｉｎｇ糙率系数
图２试验段位置示意
２实验过程与参数计算
２．１实验过程
到草地坡面流速计算公式计算流速：
，ｊ
一
图１实验装置示意图及装置照片
Ｖ＝００４２５Ａ，
来表征坡面流阻力。对坡面流的研究主要集中于以水流在不同植被条件下的水动力特性，如闫旭峰等【４】 ’钟强等『５ｊ通过研究发现柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量变
化不显著，但随着坡度的增大阻力系数是减小的，而刚性植
８
论
著
坡面薄层水流柔性植被的力学特性试验研究
李婷黄丹青 ’ 王协康
（１。四川大学水利水电工程学院，四川成都６１００６５；２．四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都，６１００６５）
摘要：利用坡面流模拟装置，进行了系列坡面流实验，研究了柔性植被在坡面薄层流下的偏幅与所受力矩的关系，结果表
ｐ：
’ ｌ
被覆盖下的坡面流阻力系数和单宽流量呈现良好的正向幂
函数关系。但是以植被作为研究对象的研究十分欠缺，如在
坡面水流作用下植被的力学特性研究。本实验用塑料薄片模
拟柔性植被，初步分析了在坡面薄层水流作用下柔性植被叶片的偏幅与所受力矩的关系，为进一步探讨坡面薄层流下植被的力学特性提供了科学依据。

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

水流交汇区的水动力学特性数值模拟刘盛赟;康鹏;李然;魏娟【摘要】为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型.模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好.针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响.研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显.%In order to investigate the characteristics of the pollutant concentration distribution at open-channel confluences, a two-phase flow model was developed to reveal the hydrodynamic characteristics of confluence flows. The model was verified with experimental data from Webber. The numerical results were found to agree with the measured free surface profiles and the flow fields. The effects of the junction angle and the discharge ratio on the hydrodynamic characteristics of confluence zone were numerically investigated. The results indicate that the size of the separation zone decreases with decreasing junction angle and discharge ratio and momentum ratio until the separation zone disappears. The smaller the junction angle and the discharge ratio and momentum ratio are, the less evident the degree of the water-level rise upstream of the confluence zone and the water-level decline in the separation zone.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2012(032)004【总页数】6页(P14-18,22)【关键词】水流交汇区;数值模拟;两相流;交汇角;流量比;动量比【作者】刘盛赟;康鹏;李然;魏娟【作者单位】四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室,四川成都610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室,四川成都610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室,四川成都610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TV131.2水流交汇现象在环境工程和水利工程等领域广泛存在。

(SRF)立项项目的通知-华中农业大学园艺林学学院

关于公布华中农业大学2015年大学生科技创新基金（SRF）立项项目的通知各学院：为支持本科生开展科学研究，全面提升学生实践创新能力，学校开展了2015年大学生科技创新基金（SRF）立项申报工作。

经学生自主申请，学院评审推荐，学校审核，“植物病原真菌核盘菌与盾壳霉互作机理研究”等352个项目获准立项。

为推动立项项目高效开展，现将有关事宜通知如下：1．项目启动。

自文件公布之日起，各项目负责人应在进一步完善具体实施方案的基础上，及时启动项目研究。

指导教师应切实加强对学生的指导，并给予必要的研究条件支持。

项目组成员应团结协作，刻苦钻研，协同开展研究工作。

2．经费资助。

项目经费严格按照《华中农业大学大学生科技创新基金（SRF）管理办法》进行使用，资助经费一次性拨付到学院，由学院统筹管理。

3．过程管理。

各项目组应积极参加项目检查与交流活动。

项目完成时间一般为一年，最长不得超过一年半。

学校将定期组织项目进展检查和结题验收，项目负责人应在规定的时间内向学院递交进展检查或结题验收材料，并根据学院安排交流汇报研究进展。

对不递交进展检查材料或无明显进展的项目，将终止资助并取消立项。

项目完成后，项目负责人须提交结题报告、研究论文及成果实物等，经专家审核通过后，由学校统一颁发结题证书并认定课外学分。

4．项目孵化。

2015年“国家级大学生创新创业训练计划”中的创新训练项目将从本次立项的SRF项目中遴选产生。

有意参加申报创新训练项目的个人或团队，应提前准备，尽早启动项目研究，及时总结，进一步拓展深化研究内容，按时申报。

学校将于2015年4月组织专家评审，择优立项。

5．奖优评先。

对于顺利结题并公开发表研究论文或获批专利的项目，学校将优先推荐参与科技创新“十佳作品”评选，以及挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛、机械创新设计大赛、电子设计竞赛等学科竞赛，并择优遴选推荐申报省级大学生优秀科研成果奖。

学校将对指导老师认定工作量，推荐评选优秀指导教师。

土壤侵蚀研究进展

摘要: 土壤侵蚀对土地资源造成了不可逆的破坏ꎮ 目前ꎬ 关于土壤侵蚀过程中土壤理化性质及水动力学特征的
影响机理研究尚不充分ꎬ 而且研究方法的不一致导致了研究结论存在一定差异ꎮ 本文通过分析各学者研究结果ꎬ
归纳总结目前土壤理化性质中重要因子对土壤侵蚀、抗蚀性产生的影响以及在侵蚀过程中水动力学特征ꎬ 旨在为
收稿日期: ２０２１－０２－０１
作者简介: 刘争光 (１９８６－) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎮ 研究方向: 含沙水流动机理ꎮ
实验得出在不同降雨强度情况下ꎬ 土壤侵蚀与土壤含
※资源环境
农业与技术２０２１ꎬ Ｖｏｌ４１ꎬ Ｎｏ０４９３
土壤抗侵蚀能力ꎮ 谢贤健等 [２９] 采用静水崩解法对内
土流失程度和强度则取决于土壤化学性质ꎮ 土壤中的
江市丘陵区测验得出ꎬ 土壤有机质分解后可以提高土
ｐＨ、有机质和速效养分是土壤中重要组成元素ꎬ 三者
壤中速效养分的含量ꎬ 而速效养分对土壤结构起直接
含量的高低也是反应土壤养分的重要指标ꎮ
影响作用ꎬ 能有效提高土壤抗蚀性ꎮ 李渊等 [３０] 通过
渐降低并且耕地和草地最容易受土壤侵蚀ꎬ 导致土壤
土壤大多数为<０２５ｍｍ的土壤颗粒ꎬ 而这样的颗粒极
肥力下降ꎮ 王文正等 [２７] 通过实地调查得出ꎬ 土壤有
易堵塞土壤孔隙ꎬ 造成水分难以下渗ꎬ 从而增加土壤
机质含量高ꎬ 水稳性指数越大ꎬ 土壤结构愈加稳定ꎬ
通过ＬｅＢｉｓｓｏｎａｉｓ方法得出ꎬ 黄
侵蚀力重要参数之一ꎮ 径流冲刷引起的土壤分离过程
研究成果不仅可以深化对土壤侵蚀过程的认识ꎬ 促进
主要通过土壤侵蚀阻力来定量表征 [４２] ꎬ 受土壤理化
立侵蚀预报模型

基于坡面排水设计的两种暴雨洪水算法应用

第51卷第6期2020年6月Vol.51,No.6June,2020人民长江Yangtze River文章编号：1001-4179(2020)06-0033-05基于坡面排水设计的两种暴雨洪水算法应用矣兴霹，常爲•确(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安710075)摘要:对于坡面长度小于1.5km的坡面排水设计，工程中往往缺乏足够的水文信息和数据,其设计暴雨洪水计算参数的选择决定着设计暴雨洪水的可靠性。

通过采用水科院推理公式法和林平一法相结合的方式对算例进行相互验证，针对两种算法中各参数的变化对计算成果的影响进行了分析，同时利用标准差对参数的灵敏度等进行了研究。

结果表明：①两种算法具有相似性，共性的参数较多，采用两种算法相互验证小面积坡面设计暴雨洪水，可以提高计算成果的可信度;②两种算法中，参数F,J,H u,ni,m与流量正相关，参数Z,“，N o与流量负相关;③水科院推理公式法各参数的灵敏度顺序为F q>n1Q>H uq>L q>m Q>J q④林平一法各参数的灵敏度顺序为F©>H uq>L oq>n lQ>N oq>J oq>旳；⑤对于一个确定的坡面长度小于1.5km的坡面排水工程，设计暴雨洪水的计算成果主要受参数m值或他值的影响;⑥采用林平一法验证，可有效降低规范推荐的水科院推理公式法中汇流参数m取值的误差，使小面积坡面设计暴雨洪水的计算成果更符合客观实际。

分析成果可为边坡排水设计提供支撑。

关键词：暴雨洪水；水科院推理公式法；林平一法;中图法分类号:TV122.1文献标志码：A1研究背景随着我国社会经济的高速发展，国家加大了对公路、铁路、地质灾害防治以及水土保持等多方面的投入。

在这些工程建设中不可避免地会遇到人工边坡和自然边坡的病害问题，比如崩塌、滑坡等，为了保障人民生命财产安全,确保工程建设和运营期的安全,延长使用寿命,必须对所遇到边坡的病害或地质灾害进行治理,而坡面排水是其中一项重要的工程措施。

关于公布华中农业大学2015年在研大学生科技-华中农业大学教务处

教务〔2016〕4号
关于公布华中农业大学2015年
在研大学生科技创新项目进展检查结果的通知
各学院：
根据《华中农业大学“国家级大学生创新创业训练计划”项目管理办法》、《华中农业大学大学生科技创新基金（SRF）管理办法》文件精神，学校近期组织开展了2015年在研大学生科技创新项目的进展检查工作。

经各项目组提交进展检查材料、参加汇报答辩、专家组评审、学校研究，现将进展检查结果予以公布。

此次，共有《赤霉素在响应盐胁迫过程中的调控作用及其机理研究》等180项“国家级大学生创新创业训练计划”项目、《农民利用农村综合信息服务平台的影响因素分析——以武汉市为例》等197项大学生科技创新基金（SRF）项目接受进展检查。

其中，《赤霉素在响应盐胁迫过程中的调控作用及其机理研究》等106
项“国家级大学生创新创业训练计划”项目、《城市化背景下武汉市的公共空间设计对市民群体行为的规范性和引导性的研究》等100项大学生科技创新基金（SRF）项目进展情况评定为“良好”。

请广大教师及各学院密切关注大学生科技创新项目实施进展，强调过程规范，加强监督指导；请广大学生积极参与大学生科技创新活动，提升实践创新创业能力，营造浓郁创新创业氛围。

附件:1.华中农业大学2015年在研“国家级大学生创新创业训练计划”项目进展检查结果
2.华中农业大学2015年在研大学生科技创新基金
（SRF）项目进展检查结果
华中农业大学教务处
2016年1月22日
附件1
华中农业大学2015年在研“国家级大学生创新创业训练计划”项目进展检查结果
附件2
华中农业大学2015年在研大学生科技创新基金（SRF）项目进展检查结果
华中农业大学教务处2016年1月22日印发。

植被影响下坡面流阻力变化特征研究

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
１试验设计与方法
１．１试验装置
试验在黄河水利科学研究院郑州模型黄河试验基地进行。试验土槽为长５ｍ，宽３ｍ，深６０ｃｍ。试验时，将土槽用ＰＶＣ板隔成３个长５ｍ，宽ｌｍ的同样大小的土槽。土槽底部钢板上钻有直径５ａｒｍ左右的透水孔并粘有大小不等的沙粒，以降低填土和钢板之间的边界影响。试验所用降雨设备为侧喷式单
收稿日期：２０１２．１２．１８
基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７１１９１）； “ 十二五 ” 国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＢ０２Ｂ０５）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（ＨＫＹ－ＪＢＹＷ一２０１２— ０４）作者简介：肖培青（１９７２一），河南卫辉人，女，博士，高级工程师，主要研究方向为土壤侵蚀过程模拟。Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｅｉｑｉｎｇｘｉａｏ＠１６３．ｃｏｍ

不同坡长下的坡面流水力学特性研究

下喷式人工降雨自动控制系统由储水池、水
泵、加压装置以及人工雨强控制软件等组成。坡面流速测定设备采用由中科院水土保持所研制的电解质脉冲法测量水流速度和泥沙含量系
冲法，用于测量降雨条件下坡地水流速度。这种方
Ｒｅ＝Ｒｕ／ｖ
１） ① 在实验之前首先校核５个试验水槽的坡
度满足要求后，在水槽顶端安放电解质溶液瓶及
式中：ｅ为雷诺数；Ｍ为平均流速，ｍ／ｓ；Ｒ为水力半径，ｎｌ，Ｒ＝Ａ／ｘ，Ａ为过水断面面积，为水流与固体边界的接触的周界长即湿周：为运动粘滞系数．ｍ２／ｓ，水流的运动粘滞系数随温度和压力而
第１２期（总第３７９期）
【文章编号】１００９－２８４６（２ｏ１３）１２＿０Ｏ４２ — Ｏ４
吉林水利
２０１３年１２月不同坡长下的坡面流Fra bibliotek 力学特性研究
谢晓霞．雷孝章
（四川大学水利水电学院，四川成都６１００６５）
［摘要］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

坡面流水动力学特性研究_张光辉

第15卷第1期2001年3月水土保持学报J o urnal o f Soil a nd Wa ter Co nserv ationV o l.15No.1M a r.,2001　坡面流水动力学特性研究⒇张光辉1,2,卫海燕2,刘宝元1,2(1.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京100875;2.北京师范大学资源与环境科学系,北京100875)摘要:采用变坡水槽研究了坡面流水动力学参数(流态、流速、水深及阻力系数)随流量和坡度的变化规律。

结果表明,坡面流流态与水深密切相关,当水流深度小于0.316cm时,坡面流呈过渡流,水深大于0.316cm时呈紊流流态;当坡度为5～25°、单宽流量为0.625～12.5×10-3m3/(s·m)时,坡面流平均流速和平均水深主要受流量控制,坡度的影响并不显著,可用简单的线性函数来模拟平均流速、水深与流量和坡度间的关系(r2分别为0.89,0.78);当流量小于0.002m3/s时,坡度对阻力系数的影响较为显著,当流量大于0.002m3/s时,阻力系数基本受流量控制,随着流量增大,阻力系数呈幂函数形式下降。

这说明坡面流的水动力学特性与明渠水流存在较大差异,在坡面水蚀机理分析、土壤侵蚀物理模型的构造过程中应予以充分考虑。

关键词:水蚀;　坡面径流;　水动力学特性中图分类号:S157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2001)01-0058-04Study on Hydro-dynamic Properties of Overland FlowZHAN G Guang-hui1,2,W EI H ai-ya n2,LIU Bao-y uan1,2(1.K ey L aboratory of Env ironmental Change and N atural Disaster,the Ministry of Education of China;2.Department of Resource and Environmental Sciences,Beijing N ormal University,Beijing100875) Abstract:The relationship fo r hydro-dynamic parameters(flo w regim e,flow v elo city,depth and frictio n facto r)as a functio n o f flow discharg e and slope g radient w as simulated by means of flum e ex periments.The results dem onstrate that w hen flo w depth is less than0.316cm,the flo w is tra nsitional flow.The flow cha ng e to turbulent when flow depth is larg e than0.316cm.The flo w v elocity and depth a re mainly controlled by flo w discharge,simple linea r function can be used fo r mean v elocity a nd flo w depth predicting. Slo pe gradient has no sig nificant im pact o n bo th flow v elocity and depth and has influence o n frictio n facto r at lo w flow discha rg e.Ho w ever,as discharge increasing,the frictio n facto r w ill be co ntrolled by discharge ag ain.All these results rev eal that there is larg er difference exiting in hydrodynamic properties betw een ov erland flow and open channel flo w,a nd sho uld be full considered in wa ter erosio n mechanism analyzing and m odel building.Key words:wa ter ero sion;　ov erland runoff;　hy dro-dy namic proper ties水动力学模拟是分析侵蚀过程力学机制的经典方法,它以山坡水文学、泥沙运动力学及河床演变理论为依据,从侵蚀过程出发,分析、模拟各影响因素间的力学关系和物理机制,建立相对严密的数理方程,进而对侵蚀过程进行预测预报。

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四川水利20091No14坡面流水力学特性研究的进展于朋1,雷孝章2,陈平安1,张广兴1,周玉霞1(11四川大学水利水电学院,成都,610065;21四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都,610065)=摘要>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研究现状;全面总结了坡面流水动力学特性诸方面研究的最新进展,并对影响坡面流水力特性的因素进行对比,得出重要结论。

最后,提出了坡面流及坡面侵蚀过程研究中存在的主要问题及未来展望。

=关键词>坡面流水力学特性水流流态平均流速平均水深阻力系数传统上,坡面流的研究一般由水文学家进行,坡面形态和演变过程的研究多以地貌学家为主,坡面侵蚀过程研究则主要由土壤侵蚀及水土保持学家进行。

由于各自的专业背景和研究倾向不同,研究成果很难统一。

这不仅阻碍了坡面流及侵蚀过程理论研究的进一步发展,而且实践上也影响了坡地开发利用的深入进行。

因此,总结地貌学、水文水力学及土壤侵蚀学关于坡面流形成机制及动力侵蚀过程的最新研究成果,对进一步加强相关方面的研究就显得非常必要。

1坡面流的水力学特性坡面薄层流水动力学特性,包括坡面流的水流流态、平均流速、平均水深和阻力系数。

研究坡面流的水动力学特性,是揭示坡面流运动特性最首要的工作;搞清坡面薄层水流的水动力学特性,是进一步研究侵蚀过程规律的基础。

111水流流态水流流态是与坡面径流计算和输砂演算直接相关的,为坡面水流基本的水动力学特性,一直被视为坡面薄层水流研究中的热点问题之一。

坡度对水流流态的影响并不显著,坡面流流态主要受下垫面状况和流量或水深控制。

通常在实际坡面上,水流多呈现以过渡流为主,紊流为辅的交替状态。

江忠善、沙际德等[2]认为,坡面流是介于层流到紊流的过渡流。

吴长文、王礼先[3]也认为,在降雨条件下自然坡面水流保持层流的条件是不存在的,因此坡面薄层水流并不是简单地遵循雷诺规律,它应该既不是层流也不是充分紊流,而是一种介于它们之间的特殊流动。

H orton[4]认为,坡面流是一种混合状态的水流,即完全紊流区域上点缀着层流区。

Emm ett[5]认为,坡面漫流不属于层流、过渡流及紊流的任何一种,而称之为/扰动流0(d istur bed flo w)。

吴普特、周佩华[19]则定义其为/搅动层流0(d istur bed la m inar),认为是虽然受到降雨及坡面糙率扰动,但仍属层流范畴。

丘世钧也提出类似的观点。

姚文艺[6]和雷阿林[7]认为,坡面流受下垫面和降雨影响,既非稳定又不均匀,且有急流特点,流态介于层流与紊流之间;细沟流已进入紊流范畴,沿程阻力变化不明显,急流影响突出。

Se l b y认为坡面流是层流和紊流的混合。

以上各结论均对坡面流的实际情况进行了适当的简化,至使一些影响坡面流的重要因素被忽略。

在实际的坡面流中,降雨和下垫面也是影响坡面流的重要因素。

降雨因素会对坡面流的径流状态产生扰动,相对明渠水流来说,降雨因素仅对水流的表面产生较小的影响,但是对于坡面流来说,本身属于薄层水流其深度仅在几厘米的范围内,雨滴落地时的终点动能比较大,从而增加了对坡面薄层水流的扰动。

此外,由于坡面流的水深较浅,下垫面对坡面流的流态影响较大。

综上所述,坡面薄层水流与明渠水流有较大的差别,水流# 40 #20091N o14四川水利流态完全依据明渠水流雷诺数来判断可能会引起误差。

所以有必要进行相应的实验研究,得出一个较为准确的修正系数,对明渠水流雷诺数进行修正,进而更加适用于对坡面薄层水流流态的判别。

112平均流速坡面流速是计算坡面汇流和坡面冲刷的基础,它主要受地表特征、坡度和坡面流量的影响。

根据传统水力学的观点,坡面流流速应为流量和坡度的幂函数,无论是层流的谢才公式还是紊流的曼宁公式,流速均被定义为流量和坡度的幂函数。

但Govers[8]和Neari n g[9]的近期研究发现,在侵蚀细沟内,水流速度与坡度无关,水流速度仅是流量的简单函数。

他们认为造成这种现象的原因与侵蚀细沟的阻力构成有关。

随着坡度增大,水流速度随着增大,径流具有更大的能量,侵蚀随着加剧,阻力增大,结果水流速度仅是流量的函数。

张光辉[10]通过对40组数据进行全面分析后发现,坡面薄层水流平均流速与流量和坡度间呈幂函数关系:V=23166q01542S01246(1)式中,V为坡面流平均速度(m/s);q为单宽流量(m3/s#m);S为坡度(m/m)。

相关系数R2 =0198。

式(1)中流量的指数略大于江忠善[11]的015,但坡度的指数远小于江忠善的0135。

进一步分析表明,坡面薄层水流的平均流速主要受流量的控制,坡度对其影响很小。

在国外,Guys[12]对坡面流流速进行了系统研究,研究结果表明坡面流流速不但随着坡度和单宽流量的增大而增大,而且水流比重和粘滞系数也对坡面流流速存在明显影响。

侵蚀细沟出现以后,坡面流横向汇集,径流动力特征发生显著变化。

但由于细沟水流特征较为复杂,因而研究较晚。

1984年Foster[13]首次利用模拟细沟研究了侵蚀细沟的流速分布特征,研究表明流速沿细沟呈正态分布,流速主要受流量和坡度影响。

1992年Govers通过系统的室内试验发现,当坡度为20 ~8110、流量为(01032~1121)@10-3m3/s时,对于粉壤土而言,细沟流流速仅为流量的函数。

这一结论对传统水文学和土壤侵蚀物理模型提出了严峻的挑战。

因为无论是层流的谢才公式,还是紊流的曼宁公式,流速均是坡度的函数,而这两个公式是流速计算和侵蚀模型建立的基础。

N ea-ring的试验结果虽与Gover n的结果稍有差异,但结论仍然一致。

因此,对于侵蚀细沟的水动力特征仍需进行系统研究,分析坡度对细沟水流流速、水流阻力的定量影响。

国内外对坡面流流速进行了大量的研究工作,表1仅列出其中具有代表性的工作。

表1坡面流平均流速的计算研究者时间径流类别资料来源研究成果参数意义江忠善1988坡面流收集国内外坡面流流速试验资料并进行了野外试验V=2109q015S0135q为单宽流量S为坡面陈国祥1992坡面流室内变坡水槽冲刷试验V=CS a q b C、a、b为常数Guy1987坡面流野外人工模拟降雨试验V=[rs/(3L)]1/3q2/3r为水流比重D为粘滞系数张科利2000细沟流室内变坡水槽冲刷试验V=51544Q012636S012511Q为流量Foster1984细沟流模拟细沟径流冲刷试验V=1610Q0123S0143Q与S同上Govern1992细沟流收集文献资料V=3152Q01294Q为流量Neari ng1999细沟流野外放水冲刷试验V=91802Q01459Q为流量Ab raha m s1996细沟流野外放水冲刷试验logV=01733+013291logQ-0100178%G+01180logS-01188logMG为土壤中直径大于2mm颗粒百分比数,M为细沟糙率#41#于朋,雷孝章,陈平安,张广兴,周玉霞:坡面流水力学特性研究的进展20091No14113平均水深与平均流速一样,水流深度也是坡面流最基本的水动力学特性之一。

但是由于坡面流水层浅,易受下垫面状况、植被覆盖、降雨及其扰动影响,同时又因测定手段的限制,其水深在野外条件下不易直接测得,因而目前对水流深度与流量和坡度间关系的研究并不深入,而且基本上都是在实验室条件下进行的。

即在不考虑降雨、实验水槽底部糙率稳定、水流中不含泥沙、不存在泥沙淤积和冲刷问题等条件时,测得的平均水流深度与流量和坡度呈简单的幂函数关系,与平均流速相似,坡度对平均水深的影响与流量相比仍然很小。

张光辉[14]通过变坡实验水槽对坡面流流态进行研究,也发现了流量、坡度与坡面流平均水深有密切的关系。

随着坡度的增大,水流流速加快,平均水深减小。

坡度对平均水深的影响,与流量有一定关系,流量较小时平均水流深度差异很小,随着流量的增大,坡度对水深的影响也逐渐加强,同时随着坡度从小到大变化,水深的差异逐渐减小。

分析表明,平均水深与流量和坡度间也呈简单的幂函数关系:h=010348q01428S-01307(2)式中,h为水深(m);q为单宽流量(m3/s# m);S为坡度(m/m),相关系数R2=0197。

分析表明,与坡面平均流速相类似,水深也主要受流量的控制[9]。

114阻力系数坡面流阻力系数是坡面流水动力学基本参数之一,它反映了下垫面对流动水体的阻力大小,是反映流体宏观整体平均特性的一个重要参数。

坡面流阻力规律是反映坡面流特性的一个关键参数,与明渠流底面粗糙度相比,它受坡面地形地貌特征、植被覆盖密度和类型以及降雨强度和历时等条件影响,形式颇为复杂,因而从理论上很难描述。

然而在坡面流的研究中,为解决实际问题,阻力系数作为一种近似,目前仍用二维明渠的阻力概念和表达方法[7]:S/Q v2=f/8=g/C2=gn2/y1/3(3)式中:f)))Darcy-W eisbach阻力系数;C)))Chezy系数;n)))M anning糙率系数。

因为不同于明渠流水力学中的糙率,此处建议n称为有效糙率。

并且f、n和C的取值并不是直接参照明渠流5水力学手册6,而是根据实验资料或是降雨因子通过经验回归求得的。

W oo l h eis-er(1975)认为,Darcy-W e isbach阻力公式较适合于层流,Chezy和M anning公式较适合于紊流流动。

然而,在自然条件下的坡面流流态多为层流与紊流之间的一种流态或是一种混合流态,因此3个阻力系数f、n和C都不是描述坡面流阻力状况的合适之选。

目前对坡面流阻力仍需进一步研究探讨。

张光辉[9]采用变坡实验水槽研究了坡面薄层水流水动力学特性,通过对实验数据的分析和处理,较好地反应出坡面流量、坡度与阻力的关系。

从表2可以看出,在不同坡度情况下,坡面流阻力系数f总是随着流量的增大呈幂函数形式减小,随着坡度的增大,阻力系数也随着增大。

造成这种差异的原因是本实验中水流阻力主要由形态阻力构成,当流量较小时,水深也小,此时阻力相对较大;随着坡度的增大,水流速度随之加快,水流变浅,阻力也随着增加。

当流量较小时坡度对阻力的影响更为明显,随着流量的增大,坡度对阻力的影响逐渐减弱。

对40组数据进行逐步多元回归分析得:f=6158@10-3q-01656S01202(4)式中,f为Darcy-W eisbach阻力系数;q为单宽流量(m3/s#m);S为坡度(m/m);相关系数R2=0195。

与流速和水深相似,水流阻力也主要受流量控制。

表2阻力系数f和流量间关系的模拟结果坡度/(0)模拟关系式R2n 5f=010029q-01612901945810f=010036q-01600901976815f=010033q-01618301974820f=010031q-01638701937825f=010013q-018071019818研究坡面薄层水流水动力学特性,对于分析坡地侵蚀动力机制、泥沙输移特征、检验现有土壤侵蚀模型等诸多领域,具有重要的理论意义。