坡面流水力学特性研究的进展_于朋

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。