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坡面水流流速对贴地植被的响应特性试验研究

工程科学与技术 2019年第2期51卷 85-89页

作者：孙一田勇刘晓燕王协康黄河水利科学研究院河南郑州450003 黄河水利委员会河南郑州450000 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

坡面上植被对坡面流流速有着显著影响,进而对坡面的输沙特性起着重要作用,而覆盖度是植被影响坡面粗糙度的一个重要因素。以往研究多集中在植被覆盖度相对较小的范围。为进一步探明植被覆盖度与坡面流流速间的相关关系,基于坡面流系列... 详细信息

坡面上植被对坡面流流速有着显著影响,进而对坡面的输沙特性起着重要作用,而覆盖度是植被影响坡面粗糙度的一个重要因素。以往研究多集中在植被覆盖度相对较小的范围。为进一步探明植被覆盖度与坡面流流速间的相关关系,基于坡面流系列概化变坡水槽试验,采用人工塑料草模拟贴地植被,设置了在0～80%范围之间的9种不同的贴地植被覆盖度、3种不同的坡度(10°、20°、25°)以及6个不同的流量级(0.286～1.058 L/s)条件下的共计162组清水径流试验,对坡面流流速特性进行了定量研究。试验结果表明:随着贴地植被覆盖度的增大,流速沿坡长由增大变为减小;当覆盖度小于30%时,流速受流量的影响较大;当覆盖度大于30%后,流速受流量的影响较小。将植被覆盖度引入坡面流流速计算公式,采用生长模型中常见的e–x表达形式反映植被对坡面粗糙度的影响,对公式中的k进行修正,应用非线性回归的方法对试验数据进行回归分析,确定参数k、a、b、c分别为10.06、–1.71、0.22、0.4,所得公式的计算效果良好(R^2=0.96)。将公式应用于其他文献中提及的实验室水槽试验条件,所得的计算值与文献中的实测值符合较好(R^2=0.73)。公式对实验室试验具有良好的适应性,而其对野外条件的适用性仍有待于进一步检验。

关键词：坡面水流贴地植被覆盖度流速

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黑麦草密度对坡面水流阻力影响的试验研究

灌溉排水学报 2020年第6期39卷 99-106页

作者：张璐刘渊博雷孝章中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司西安710065 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

【目的】提高生态工程的水土保持效益,合理利用坡面植被挡蓄径流,减轻坡面工程土壤侵蚀。【方法】通过室内试验,模拟水流在不同密度植被覆盖下的坡面流动时水深及阻力的变化规律,详细描述坡面沿程水深规律并建立水深方程,研究阻力在整... 详细信息

【目的】提高生态工程的水土保持效益,合理利用坡面植被挡蓄径流,减轻坡面工程土壤侵蚀。【方法】通过室内试验,模拟水流在不同密度植被覆盖下的坡面流动时水深及阻力的变化规律,详细描述坡面沿程水深规律并建立水深方程,研究阻力在整个坡面的分布及变化过程。【结果】①由坡面水深方程推求得出了水流所受坡面总阻力方程。②刚性植被与柔性植被在坡面阻流中对水流的阻碍作用不同,植被对坡面水流的阻力不随植被密度增大而增大,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。【结论】在治理低山丘陵区的水力侵蚀时,植被种植密度不宜过疏或过密,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。

关键词：水土保持坡面水流植被密度水深阻力

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溃坝波数值模拟及其在坡面水流问题中的应用

水电能源科学 2019年第8期37卷 30-33页

作者：王笑陈辉张东王赵明赵溦交通运输部公路科学研究院北京100088 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048

为探讨不同方法模拟溃坝波的适用性和准确度,采用基于Roe格式的近似黎曼解方法与追踪自由表面的VOF方法模拟了二维对称矩形溃坝模型。结果表明,两种方法均能较好地模拟出溃坝波的传播过程,但与实测值的对比分析发现,采用Roe格式模拟的... 详细信息

为探讨不同方法模拟溃坝波的适用性和准确度,采用基于Roe格式的近似黎曼解方法与追踪自由表面的VOF方法模拟了二维对称矩形溃坝模型。结果表明,两种方法均能较好地模拟出溃坝波的传播过程,但与实测值的对比分析发现,采用Roe格式模拟的结果与实测值拟合较好,VOF方法对网格尺寸的要求较Roe格式更加精细。由此,基于既考虑降雨强度的变化,又考虑降雨动量和风的影响的缓坡和陡坡都适用的坡面径流基本方程,构建了基于Roe格式的坡面水流水动力模型,模拟了自然降雨条件下的坡面流运动情况,并通过相应的模型试验进行对比验证。模拟流速与实测流速之间拟合度较好,表明模型具备了模拟大坡度、浅水(深水)流的能力,为坡面流的水动力学机制研究提供了参考。

关键词： Roe格式 VOF方法溃坝坡面水流

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植被条件下坡面水流特性实验研究

植被条件下坡面水流特性实验研究

作者：张旭华北水利水电大学

学位级别：硕士

植被对于坡面水流有着重要的影响,为了研究不同植被覆盖度对于坡面水流特性的影响,本文依托于黄河水利科学研究院的科研项目,采用模拟试验和数据分析的方法分析了植被对坡面水流的影响。实验数据分为室内试验和野外试验,其中室内试验分... 详细信息

植被对于坡面水流有着重要的影响,为了研究不同植被覆盖度对于坡面水流特性的影响,本文依托于黄河水利科学研究院的科研项目,采用模拟试验和数据分析的方法分析了植被对坡面水流的影响。实验数据分为室内试验和野外试验,其中室内试验分为3个坡度、7个流量及9个植被覆盖度的清水实验和1个坡度、3个植被覆盖度及5个不同含沙量的含沙水试验;野外试验分为1个坡度、6个流量和6个植被覆盖度,总计240多组试验。分别对不同组合情况下的数据进行处理分析对比,运用水力学及河流动力学的理论基础去讨论植被覆盖度对于坡面水流特性的影响。得出的主要结论如下:(1)植被有减少坡面水流流速的作用,随着植被的密集,坡面水流速度逐渐降低;但坡面水流速度和植被覆盖度之间不是线性关系,它们之间是类似于幂函数的降低曲线;而坡面水流阻力系数与之类似,只是随着植被的密集而逐渐增大;而如弗劳德数也是随着植被的密集而减小的,即随着植被覆盖度的增大,坡面水流从急流变化为缓流,不同的坡度下水流型态变化所处的植被覆盖度不同。(2)植被有减少坡面含沙水流速的作用,与清水类似,随植被的密集,含沙水流速呈现出与清水流速一致的规律,所不同的是坡面上清水流速明显比含沙水流速要大;植被有拦截坡面含沙水泥沙的作用,植被越密集,流速削减越大,以至于拦截泥沙作用越明显。(3)在天然坡面(野外条件)下,坡面水流流速与植被覆盖度变化的关系不明显,且坡面水流速度基本稳定,不随植被覆盖度的增大而呈现出规律性变化,五个流量组中的数据都可以得出这种现象;野外条件下植被的坡面拦沙效果显著,试验得出小流量的放水冲刷试验只需要20%的植被覆盖度就有效果,而随着流量的增大,要想达到较好的拦沙作用,就需要更大的植被覆盖,试验显示60%的植被覆盖度是一个阈值,不同流量下超过60%的植被覆盖度拦沙效果能够达到90%以上,要因而维持很好的水土保持效果,植被覆盖度满足60%这个阈值应是合理的。所得结论对于水土保持的实践活动有一定的指导意义。

关键词：植被覆盖径流冲刷坡面水流水动力学

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降雨作用下坡面水流对松散颗粒的侵蚀机理

路基工程 2009年第5期 3-4页

作者：吴永罗渝李新坡中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所四川成都610041 中国科学院研究生院北京100039

以水力学公式为基础,从坡面颗粒侵蚀的水分环境角度入手,分析了坡面松散颗粒处于浸泡状态下的侵蚀机理,揭示降雨作用下的坡面水流与松散颗粒侵蚀之间的相互关系,同时给出松散颗粒发生侵蚀时临界降雨强度的计算公式。算例分析表明,随坡... 详细信息

以水力学公式为基础,从坡面颗粒侵蚀的水分环境角度入手,分析了坡面松散颗粒处于浸泡状态下的侵蚀机理,揭示降雨作用下的坡面水流与松散颗粒侵蚀之间的相互关系,同时给出松散颗粒发生侵蚀时临界降雨强度的计算公式。算例分析表明,随坡度减小粒径增大,坡面松散颗粒侵蚀发生时所需的临界降雨强度也大为增加。

关键词：降雨坡面水流松散颗粒临界降雨强度

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坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

作者：杨苗西北农林科技大学

学位级别：硕士

坡面水流作为坡面土壤侵蚀的主要动力因素,受力条件复杂且影响因素众多。在一定水流条件下,坡面薄层水流容易失稳产生一种波流共存的现象,水流表面出现滚波,这对坡面水流的水动力学特性及其土壤侵蚀过程均会造成影响。目前,由于水流试... 详细信息

坡面水流作为坡面土壤侵蚀的主要动力因素,受力条件复杂且影响因素众多。在一定水流条件下,坡面薄层水流容易失稳产生一种波流共存的现象,水流表面出现滚波,这对坡面水流的水动力学特性及其土壤侵蚀过程均会造成影响。目前,由于水流试验条件限制,无法进行较小雷诺数条件下的坡面薄层水流水动力学特性研究,对于坡面水流滚波的影响因素及演变规律研究也待进一步探索。本文采用超声波滚波测量系统,选用清水和甘油溶液作为试验流体,扩展研究范围至较小雷诺数区间,增大液体粘滞系数以凸显滚波演变规律,对4个粗糙度、5个坡度、13个单宽流量条件下的坡面薄层水流水动力学特性及滚波演变规律进行了研究,研究结果表明:（1）坡面水流流态及阻力特征甘油溶液试验条件下,流态系数m值变化范围为0.256~0.497,坡度对m值的影响不大,m值随粗糙度的增大呈现先增大后减小的规律;清水试验条件下,m值变化范围为0.350~0.562,m值随着能坡和粗糙度的增大均呈现先增大后减小的趋势;甘油溶液条件下的n值均大于清水试验条件下的n值,说明当雷诺数较小时,能坡对于平均水深的影响更为显著;不同粗糙度条件下,阻力系数在双对数坐标系中为一组与坡度和雷诺数相关的平行线。阻力系数随粗糙度和坡度的增大而增大,随弗汝德数的增大逐渐减小。（2）坡面滚波特征参数影响因素随着单宽流量的增大,滚波波速以幂函数形式逐渐增大,相对波速逐渐减小,滚波波峰和相对波高呈现单调递增的变化趋势,滚波频率在大坡度条件下会出现减小的趋势;随着能坡的增大,滚波波速逐渐增大,滚波波峰逐渐减小,滚波相对波高变化不大,滚波的频率逐渐增大;随着粗糙度的增大,滚波波速呈现先增大后减小的变化趋势,滚波波峰水深呈现先减小后增大的变化趋势,滚波的相对波高先减小后增大而后再减小,滚波频率呈现先增大后减小的趋势;滚波波速和滚波波峰水深可由单宽流量、能坡及粗糙度以幂函数形式表示,经验方程决定系数分别为0.92和0.91;相比清水条件下产生的滚波,甘油溶液条件下产生的滚波波速更小,滚波波峰值更大。（3）滚波波形及相对特征参数沿程演变规律单宽流量增大使得滚波波形朝着高而陡的方向发展。坡度的增大使得滚波向矮、细、窄的特征演变。糙度的增大使得滚波波峰处相对坦化,波体逐渐变宽;整个流程范围内相对波速变化幅度不大,但在能坡为0.1736~0.4226的范围内,相对波速在坡长为6.5m的时候会出现峰值;坡长小于6.0m时,滚波相对波高随着坡长的增大逐渐增大,增长速率随坡度的增大逐渐减小。在坡长为6.0~8.0m的范围内,滚波相对波高变化趋势不太明显;随着坡长的增大,滚波相对水深逐渐减小,递减速率随着坡度的增大而逐渐减小;随着坡长的增加,频率随之衰减,聚合作用增强。滚波频率衰减速率随着坡度的增大逐渐降低,坡度越平缓,滚波的聚合现象发生越剧烈。

关键词：滚波演变流态阻力特性沿程坡面水流

含沙水流和坡面糙度对红壤团聚体输移破坏影响

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含沙水流和坡面糙度对红壤团聚体输移破坏影响

作者：余冰华中农业大学

学位级别：硕士

我国南方红壤丘陵区人口密度大,丘陵坡地利用率高,土壤侵蚀退化严重。同时,该区域降雨集中且强度大,分散的地表径流由于受到地形影响逐渐集中,从而冲刷地表而产生坡面侵蚀。本研究选取第四纪红黏土发育的红壤作为研究对象,系统的分析了... 详细信息

我国南方红壤丘陵区人口密度大,丘陵坡地利用率高,土壤侵蚀退化严重。同时,该区域降雨集中且强度大,分散的地表径流由于受到地形影响逐渐集中,从而冲刷地表而产生坡面侵蚀。本研究选取第四纪红黏土发育的红壤作为研究对象,系统的分析了不同水流含沙量和坡面糙度条件下,坡面流水力学特性的变化及其对红壤团聚体破坏剥蚀的影响,从机理层面揭示坡面流内团聚体输移破坏规律。主要取得的结论如下:1.通过对5种模拟糙度和6种不同冲刷距离组合下3种粒径的红壤团聚体在坡面水流内的剥蚀破坏规律的研究得出:(1)在相同运移距离条件下,随粒径和糙度的增加团聚体剥蚀破坏程度呈增加趋势,与粒径相比,糙度对剥蚀破坏程度的影响更大。(2)相同模拟糙度下,随着运移距离的增加,剥蚀率均呈抛物线形先增大后减小的趋势;各运移距离下,7 mm粒径团聚体的剥蚀率随糙度的增加而增加;5 mm和3 mm粒径团聚体在各运移距离内随糙度的增加变化规律不一致。(3)团聚体剥蚀破坏程度随径流水深、阻力系数、水流剪切力的增加均呈幂函数减小后趋于平缓的趋势,且大粒径较小粒径变化趋势更明显;但是不同糙度下,水深对团聚体剥蚀破坏程度的影响还需在多坡度流量条件下进行进一步探索。2.选取单一粒径的红壤团聚体,在4种坡度、5种流量和5种模拟糙度条件下进行冲刷试验,详细分析水力学特性的变化及其对团聚体破坏剥蚀的影响。(1)相同糙度条件下,小坡度(8.8%7.6%)时,随流量的增加,团聚体剥蚀程度下降;而在较陡坡度(26.8%6.4%)和下垫面糙度较大时,Wr/Wi值随流量变化规律有所不同,在大流量(1.0 L·s-1.2 L·s-1)条件下Wr/Wi值均有不同程度的下降。(2)在各糙度下,平均流速和水流剪切力随坡度和流量的增加而增加;径流水深随流量的增加而增加,随坡度的增加而减小,而阻力系数的变化却与之相反。随着下垫面糙度的增加,径流水深、阻力系数以及水流剪切力呈增加趋势,而平均流速呈减小趋势。(3)多个坡度和流量组合下,Wr/Wi值随径流水深变化无明显规律,但单一糙度中,Wr/Wi(%)值均随径流水深的增加呈现幂函数增加的趋势;在不同糙度和单一糙度下,Wr/Wi值均随阻力系数和水流剪切力的增加呈幂函数减小趋势。3.选取单一粒径的红壤团聚体,在2种坡度、5种流量和5种不同浑水条件下进行冲刷,详细分析水力学特性的变化及其对团聚体破坏剥蚀的影响。(1)清水条件下,Wr/Wi值随流量的增加而增加,表现为团聚体剥蚀破坏程度的随流量的增加而下降;所有处理中,Wr/Wi值均随含沙量的增大呈现幂函数的减小趋势。(2)随着供沙量和流量的增加,水深均呈增加趋势;在两种坡度条件下,流量、供沙量及其之间的交互作用对水深的影响均表现为:流量>供沙量>交互作用。五种流量下,随着供沙量的增加,平均流速、雷诺数和弗汝德数均呈减小趋势,坡面流呈现出由紊流急流向层流缓流发展的趋势。各流量下,阻力系数随供沙量的增加而变大,且大坡度(15°)条件下表现更为明显。在各坡度和供沙量组合条件下,阻力系数均随雷诺数的增加呈幂函数减小趋势,且有较好的相关性。(3)在相同流量中,Wr/Wi(%)值随径流水深、水流剪切力的增加呈幂函数降低趋势,综合所有不同含沙量数据,Wr/Wi(%)值随径流水深和水流剪切力变化无明显规律。本试验条件中Wr/Wi(%)所有值均随着阻力系数的增大呈幂函数形式减小,团聚体剥蚀破坏程度随阻力系数增加而增加。

关键词：坡面水流红壤团聚体含沙量糙度水力学特性剥蚀程度

地表粗糙度及植被盖度对坡面流曼宁阻力系数的影响

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农业工程学报 2020年第6期36卷 106-114页

作者：杨坪坪李瑞盘礼东王云琦黄凯张琳卿贵州师范大学喀斯特研究院贵阳550001 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心贵阳550001 北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083

为探明地表颗粒和植被共同影响下的坡面流曼宁阻力系数变化规律,在5°缓坡定床条件下,以曼宁阻力系数表征坡面流阻力,利用等效水力半径计算等效曼宁阻力系数,等效水力半径考虑了水流与植被的接触面,分别研究了4个地表粗糙度(0.009,0.12,... 详细信息

为探明地表颗粒和植被共同影响下的坡面流曼宁阻力系数变化规律,在5°缓坡定床条件下,以曼宁阻力系数表征坡面流阻力,利用等效水力半径计算等效曼宁阻力系数,等效水力半径考虑了水流与植被的接触面,分别研究了4个地表粗糙度(0.009,0.12,0.18,0.38 mm)和4个植被盖度(0,4.0%,6.6%,12.2%)在9个单宽流量(0.2×10^-3~0.5×10^-3m^3/(m·s))冲刷下的坡面综合等效曼宁阻力系数、颗粒等效曼宁阻力系数及植被等效曼宁阻力系数的变化特征及相互之间的关系。结果表明:1)在坡面没有植被时,坡面综合等效曼宁阻力系数与流量呈负相关,当坡面有模拟植被时,两者间呈正相关。坡面综合等效曼宁阻力系数随着地表粗糙度和植被盖度的增加而增加;2)当地表粗糙度和模拟植被存在的坡面,线性叠加原理不适用于坡面综合阻力的计算,在水深较小时,会出现附加阻力。附加等效曼宁阻力系数与粗糙度和盖度呈正相关,而与水深负相关;3)通过多元回归分析得到坡面综合等效曼宁阻力系数的计算式,模拟效果较好(相关系数R=0.98),并分析得到各阻力分项等效曼宁阻力系数的计算式。分别剔除各阻力分项后将相关系数比较,植被阻力对坡面流综合阻力的影响最大,颗粒阻力次之,而附加阻力最小。研究成果将为构建坡面侵蚀模型和防治坡面侵蚀提供科学依据。

关键词：粗糙度植被坡面水流坡面流阻力曼宁阻力系数

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人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

农业工程学报 2011年第4期27卷 28-34页

作者：张宽地王光谦王占礼刘俊娥吕宏兴西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨陵712100 清华大学水利水电工程系北京100084

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,... 详细信息

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278L/（s·m）;滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。

关键词：坡面水流水力学特性弗劳德数流态滚波流