坡面薄层流水动力学特性的实验研究_张光辉

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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。

坡面流水流流态的试验研究

响也越大。２２水深．
宣
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０．７３Ｏ２Ｏ ▲… ０．８５２７２
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０７５３．０Ｏ
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１０４２５．２
坡度／。
图２表面流速与坡度关系曲线
流量／ｌｍｘ０ｓ
经过试验数据计算，曼宁公式里Ｒ的指数大约为３８／。
３结论与分析
图３水深与流量关系曲线
本文采用边坡试验水槽对流量、坡度和坡面薄层流水动力学特性间的关系进行了定量研究。研究结果表明：坡面薄层水流的流态与水深密切相关，坡面薄层水流基本属于紊
．．
—
杂，目前关于坡面流究竟属于何种流态仍处于研究中。
１试验装置及方法
蔼
—
▲ １ —ｌ０＊一１５
装置由供水系统和变坡水槽组成。水槽由有机玻璃板制作，槽长３７３ｃ宽１ｍ、２ｍ。调节进水管道阀门７．ｍ、２ｅ深５ｅ
来控制流量，水流通过曲线型溢流堰进入试验段。试验段长２ｍ，处于均匀流流段。流量采用体积法，表面流速用染色法测定。水温由温度
埴
—
ｅ２一Ｏ
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●一２５
０．３．７２０３０．０２Ｏ２Ｏ．９．９６０．Ｏ８１０７１．３．２
水深为１～．ｍ．５ｍ的水流流量、的观测。２３流速在本次试验条件下，面流均为紊流流态。坡试验结果表明，面流表面坡

水槽实验设计

水槽实验设计一、实验目的：测定土壤的分离速率与流量的关系二、设计依据：在降雨侵蚀中，土壤的分离主要受两方面的影响。

一方面是雨滴击溅造成的土壤分离，另一方面是地表径流对土壤的分离过程。

张科利等利用变坡水槽实验研究认为径流分离能力和水流剪切力之间存在线性关系，Zhang 等[2 ]同样利用变坡水槽实验分析得出,和水流剪切力、单位水流功率相比较,水流功率更适合于作为预报土壤分离的水力参数。

水流功率定义为作用于单位面积的水流所消耗的功率。

水流功率和水流流量存在一定的关系。

因此本实验探讨一下土壤分离速率和流量之间的关系。

三、实验器材：尺寸为5m×0.3m×0.3m的有机玻璃水槽、水槽支座、放样室、水箱、供水仪器（蓄水池、水泵、阀门组、分水箱、水管）、秒表、米尺四、实验步骤：1、安装好水槽，将水槽调至设定的坡度5°和设定的初始流量值0.25L/S（本实验采用5个流量，分别为0.25、0.5、1.0、1.5、2.0L/S），调节至水流稳定。

2、水流稳定后用精度为0.02mm的测针测定水深，流水采用染色法。

用秒表记录水流流过距水槽下端0.6米以上至1.5米测速区间所用的时间，可得水流表面流速。

每个流量下的水深和流速测5次，去掉一个最大值，一个最小值，取平均。

3、用内径为9.8cm、高5cm的圆形土样环采集地表原状土，同时进行土壤含水量的测定。

4、用喷水壶喷洒土样，使其水量达到田间持水量，然后将土样放入水槽的土样室中，土样表面与水槽底部保持同一平面。

5、放水冲刷至土环中的土样被剥蚀2cm时为止，秒表记录放水冲刷的时间。

五、记录表格与结果计算记录表见附件土壤的分离速率可以用土样冲刷前后的干土质量来计算Dr = ( Wb - Wa) / (1000 ·t ·A)式中Dr —土壤分离速率,kg ·m- 2 ·s- 1 ; Wb —实验前土样干质量,g ; Wa —实验后土样干质量, g ;t —冲刷时间, s ; A —土样环表面积, 0. 0075 m2六、注意事项1、试验过程中秒表计时应该同时有两个人记录，以免失误。

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。

不同地表糙度下坡面流水动力学特性实验研究

坡面流是降雨或融雪条件下扣除地表截留和下渗后，在重力作用下产生的沿坡面运动的薄层水流。它是造成地表侵蚀的关键因素，也是河道水流的主要组成部分［1，2］。然而坡面流水深较薄一般仅为几毫米，且容易受到雨强、下垫面条件、植被覆盖等因素的影响，导致其水深和流速信息难以测量，使得相关研究进展缓慢［3］。
Wang Mengyao，Yao Yuan，Zong Xinyi （ Institute of Water Resources，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）
Abstract： Series of fixed-bed model experiments were performed to study the hydraulic characteristics of overland flow and explore the relationship between Darcy-Weisbach resistance coefficient of overland flow and flow velocity，surface roughness，discharge，slope gradient as well as Reynolds number． Results showed： The relationship between flow velocity and surface roughness is negative and the velocity is positively correlated with slope when the particle size is smaller than 0. 2 mm． The larger the roughness， the greater the resistance coefficient． When the particle size is greater than 0. 5 mm，the resistance coefficient decreases with the increase of discharge while increases with the increase of slope gradient． The flow Reynolds number is negatively correlated with roughness． And the larger the roughness，the greater the correlation coefficient of resistance coefficient and Reynolds number． Keywords： overland flow； resistance coefficient； roughness； slope

坡面薄层水流水力特性试验研究

坡面薄层水流水力特性试验研究摘要：为了解坡面薄层水流在坡度、单宽流量及水流流床等外界条件发生变化时，其水流水动力特证参数的变化规律，从水力学的角度出发，在室内开展阻力试验，分别对3°、6°、9°、12°、15°等5种不同坡度、不同级配人工沙粒铺设的粗糙床面展开水流水力学试验研究，并对试验得出的有关数据进行分析，初步探明了坡面水流流态为过渡流区的延伸，得出坡面薄层水流阻力系数、雷诺数、佛汝德数与单宽流量的变化规律及相互之间的关系。

关键词：坡面流；流态；雷诺数；佛汝德数坡面水流主要指的是大气降水或冰山融雪后产生的水流在自身重力的作用下沿着坡面向下运动的薄层水流，是形成河道水流的主要部分，有时也称为片流或漫流。

坡面水流的流态和径流常被用来表示薄层坡面水流的动力学特征[1]。

由于坡面水流的流态归属于坡面薄层水流的研究领域，因此与土壤、植被环境、降雨及其冲刷的坡沟细度、密度等参数有着十分密切的关系[2-4]，其中的相关参数不同会使得坡面薄层水流的流态发生较大改变。

一些研究人员认为坡面地表的径流既是地表径流的汇集演进过程，也决定坡面土壤侵蚀发生的过程和侵蚀量[5]。

当水流侵蚀能力超过土壤抗蚀性后就可能发生跌坎并产生细沟，形成坡面细沟流，最终可出现浅沟和切沟流[6]。

坡面薄层水流所流过的土壤表面的粗糙度对坡面水流流态变化也会有所影响，且这种影响引起的水流动力学相关的特征变化也比较明显。

现在也用糙率表征水流床面的粗糙度，它也是坡面水流水动力学特性的直接影响因素，糙率又称为有效糙率[7，8]。

当前大部分研究是针对坡面水流在没有植被覆盖的裸土表面上展开[3]，随着坡面粗糙程度不同引起的水流水力学特性的研究相对较少。

很多研究者认为粗糙床面主要是通过增加水流流过的阻力使得包含薄面水流的近壁水流流区发生变化[9]。

本研究通过对不同粗糙流床展开试验，对试验数据进行分析，从而得出粗糙度不同的土壤坡面水流的水流特性，以期为坡面水流的侵蚀研究以及坡面水流水动力学研究提供理论基础。

雨滴击溅及薄层水径流动力对坡面侵蚀影响的研究_闫美华

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（）文章编号：１００７２２８４２０１１０３００６６０２－－－
中国农村水利水电 ·２０１１年第３期
雨滴击溅及薄层水径流动力对坡面侵蚀影响的研究
闫美华１，王建２，任海军１
（）内蒙古包头０内蒙古包头０１．包头市水土保持工作站，１４０３０；２．包头市彤盛水土保持技术咨询有限责任公司，１４０３０
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２．２雨滴击溅对坡面薄层水径流的作用
雨滴击溅动力的主要作用在于为坡面薄层水径流冲刷提它本身的作用并不会使土壤颗粒输出坡面；因此供搬运物质，对于坡面薄层水径流侵蚀，其侵蚀量的多少就主要取决于雨滴击溅为薄层水径流冲刷所提供的搬运物质的多少；尽管薄层水径流拖拽力是坡度的增函数，但它本身所产生的侵蚀量在总侵蚀量中所占比例较小，其主要作用在于冲刷搬运。在降雨初期，土壤下渗能力大，此时不形成径流，降雨基本为坡面土壤吸收。随着降雨的继续，土壤下渗能力下降，越来越多的降雨在地表逐渐形成水流。最初水流较浅，一部分雨滴由于击穿水层，而消耗其部分动能，使得径流紊动增大；随着水深不断增大，当流层达到某一深度时，雨滴击穿水层的动能将全部消耗。由于雨滴打击水面增强了坡面薄层水径流的水流紊动，加大了水流阻力，使得坡面薄层水径流的水力特征发生了变化。因此在坡面薄层水径流的研究中，雨滴击溅的影响是不可忽视的。近年来对于雨滴击溅对薄层水径流紊动状况的影响，也采用精密量测技术进行了研究，ＬｕＪ－Ｙｅｔ在对光滑床面上受降雨作用而引起扰动的薄层水径流研究中，采用纤维视觉化激光多普勒速度仪和特殊设计的人工降雨模拟器，得出了动量修正因子β 随流量及降雨特征变化的规律。并且根据实验统计资料证明，薄层水径流在受到降雨冲击后，其纵向和垂向水流扰动程度，与降雨强度和雨滴直径有关。

坡面径流分离土壤的水动力学实验研究

张光辉２刘宝元张科利，
（１北京师范大学资源与环境科学系，北京１０７；０８５２中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨陵７２０）１１０
Ｅ＝
Ｒ硼ＮＴＡＩＳＭＩＩＡＴ【，ＪｏＮｏＦＹＤＲＡＩＩＣＨＪＪＭ匝ＣＨＡＮＩＭＳｏＦ
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（ｅａｔｅｔｏｅｕｃｎｎｉｎｎａｃｎｅ，＆咖Ｎｎｄｎｖｓｙ１ＤｐｒｎｍｆＲｓｒａｄＥｖｏｍｅｔｌＳｉｃｏｅｒｅｓｏｎＵｉｒｔ，＆ｉｇ１０７ｅｉｊ０８５ｍ２ＩｓｔｔｏｏｎａｅＣｎｅｍｔｎＣ／ｅｅｃｄｍｃｎｅｎｎｔｕｅｆＳ／ａｄＷｔｏｓｒ／，ｈｎｓＡａｅｙｏ／ｃｓａｄＭ／ｔ／１ｒｏｆＳｅｎｔｕｙｏａｅｅｏｒｅｆＷｔＲｓｕｃ，ｒＳａｎｈａ￣７２０１１０）
维普资讯
６期
张光辉等：面径流分离土壤的水动力学实验研究坡
８３８
的线性函数，竟哪一个水动力参数更能准确地描述土壤分离过程，各自的适用范围如究或何，得进一步研究。与缓坡相比，坡条件下的径流动力特性和侵蚀特征具有其特殊值陡性＿＇４８，究陡坡条件下（别是大于２％）面流分离土壤过程，于校正、验现有研特０坡对检

北京师范大学自然地理学专业张光辉水文与水资源评价

北京师范大学自然地理学专业张光辉水文与水资源评价考博真题-参考书-状元经验一、专业的设置北京师范大学地理学与遥感科学学院每年招收博士生26人，下设课程与教学论、自然地理学、人文地理学、地图学与地理信息系统，共3个专业。

自然地理学专业下设方修琦、王静爱的环境演变与自然灾害；符素华、刘宝元的土壤侵蚀与水土保持；谢云的土壤侵蚀与土地生产力；张科利的土地侵蚀与土壤环境；张光辉的水文与水资源评价。

二、考试的科目水文与水资源评价的考试科目为：①1101英语②2028水土保持原理或2243自然地理学③3741土壤学或3755水文学三、导师介绍张光辉，男。

，教授，自然地理学，研究生培养：硕士：自然地理（水文与水资源评价、土壤侵蚀）、水土保持；博士：自然地理（水文与水资源评价、土壤侵蚀及其环境影响）四、参考书目专业课信息应当包括一下几方面的内容：第一，关于参考书和资料的使用。

这一点考生可以咨询往届的博士学长，也可以和育明考博联系。

参考书是理论知识建立所需的载体，如何从参考书抓取核心书目，从核心书目中遴选出重点章节常考的考点，如何高效的研读参考书、建立参考书框架，如何灵活运用参考书中的知识内容来答题，是考生复习的第一阶段最需完成的任务。

另外，考博资料获取、复习经验可咨询叩叩：肆九叁叁，柒壹六，贰六，专业知识的来源也不能局限于对参考书的研读，整个的备考当中考生还需要阅读大量的paper，读哪一些、怎么去读、读完之后应该怎么做，这些也会直接影响到考生的分数。

第二，专题信息汇总整理。

每一位考生在复习专业课的最后阶段都应当进行专题总结，专题的来源一方面是度历年真题考点的针对性遴选，另一方面是导师研究课题。

最后一方面是专业前沿问题。

每一个专题都应当建立详尽的知识体系，做到专题知识点全覆盖。

第三，专业真题及解析。

专业课的试题都是论述题，答案的开放性比较强。

一般每门专业课都有有三道大题，考试时间各3小时，一般会有十几页答题纸。

考生在专业课复习中仅仅有真题是不够的，还需要配合对真题最权威最正统的解析，两相印证才能够把握导师出题的重点、范围以及更加偏重哪一类的答案。

雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响

０引言
坡面流是由降雨或融雪在扣除地面填洼、截留以及
于层流和紊流之间的过渡流；张光辉［１２］通过变坡水槽试
验将水流流态定义为与水深密切相关的过渡流与紊流；张宽地等【】ｊ＿Ｊ通过加糙床面的放水试验定义流态指数，提出 “ 层流失稳 ”的概念。在坡面流阻力方面，其影响要素主要集中在下垫面条件与雨强２个方面。施明新等［１４－１５】通过模拟糙度的定床冲刷试验，认为阻力随糙度（糙度是反应下垫面粗糙情况的常用指标）增加而增大；而蒋昌波等［】６Ｊ认为颗粒阻力与形态阻力最本质的区别在于粗
下渗等损失后在重力作用下沿着坡面运动的浅层明流，它是坡面侵蚀的初始动力，同时也是造成土壤及母质破坏、搬运、沉积的关键因．－。坡面流一般水深只有几个毫米，沿程流向不稳定，且不断有质量源、动量源汇入【２，并且易受下垫面条件、降雨强度、地表覆盖孓７］和试验坡度等条件影响，使得其相关研究更加复杂，有
关键词：降雨；水动力学；糙度测定；雨强；坡面流；滚波
ｄｏｉ：１０．１１９７５￣．ｉｓｓｎ．１００２－６８１９．２０１７．０９．０１９
中图分类号：Ｓ１５７．１
王俊杰，张宽地，杨苗，范６８１９（２０１７）一０９ — ０１４７ — ０８
典，龚家国．雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响［Ｊ］．农业工程学报，２０１７，

光滑床面薄层水流水动力特性试验研究

光滑床面薄层水流水动力特性试验研究作者：施明新朱永杰吴发启来源：《人民黄河》2022年第10期摘要：為揭示坡面薄层水流水动力学参数变化的内在规律和坡面流土壤侵蚀机理，基于光滑床面薄层水流试验，研究了流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、水流功率等水动力学参数随坡度和流量的变化规律。

在坡角为0°～12°、单宽流量为0.04～0.24 L／（ s ·m ）条件下的光滑床面水槽试验表明：坡面薄层水流雷诺数、弗劳德数、水流功率均与坡度和单宽流量呈幂函数递增关系，雷诺数受单宽流量影响较大、受坡度影响较小，坡度和单宽流量对弗劳德数的影响相当，水流功率的主要影响因素是坡度；阻力系数与坡度和单宽流量呈幂函数递减关系，单宽流量为主要影响因素、坡度为次要影响因素，坡角≤5°时坡度对阻力系数的影响可忽略不计，坡角≥10°时坡度对阻力系数的影响不可忽视；该试验条件下坡面流以急流为主，在坡角小于2°时才会出现临界流或缓流。

关键词：光滑床面；薄层水流；水力特性；雷诺数；弗劳德数；流速；单宽流量；坡度中图分类号：S157.1；TV131.2 文献标志码：A doi：10.3969／j.issn.1000－1379.2022.10.020引用格式：施明新，朱永杰，吴发启.光滑床面薄层水流水动力特性试验研究[J].人民黄河，2022，44（10）：105－107，126.Experiment Study on Hydraulic Properties of Overland Flow Under the Smooth SurfaceSHI Mingxin 1，ZHU Yongjie 1，WU Faqi2（1.Shanghai Investigation，Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China；2.College of Resources and Environment Sciences ，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China ）Abstract：In order to reveal the changes for the inherent laws of overland flow hydraulic characteristic and the mechanism of slope flow soilerosion，based on experiments of overland flow in a smooth hydraulic flume ，the relationship between dynamics parameters （ flow velocity，Reynolds number （ Re ），Froude number （ Fr ），friction factor and stream power） and the variation of hydrodynamic parameters with slope anddischarge was studied.Based on the experiments of overland flow in a smooth hydraulic flume ，when the slope is 0°－12°，and unit widthdis⁃charge is 0.04－0.24 L／（ s ·m ），the results show that the Re ，Fr and stream power is a power function growth with the increasing of dis⁃charge and slope gradient.Re is greatly affected by the unit width discharge ，and slightly affected by slope gradient；discharge and slope gra⁃ dient have the same effect on Fr；the main influencing factor of stream power is slope gradient.The friction factor is a power function reduc⁃ tion with the increasing of discharge and slope gradient，the determined influence to friction factor is discharge ，slope gradient is second. When the slope gradient is less than 5 degrees ，discharge is a single control factor，but when the slope gradient isgreater than 10 degrees ， the impact of slope gradient on friction factor can ’t be ignored.Under the test conditions ，its main flow patter is torrent flow and when the slope gradient is less than 2 degrees ，the flow regime is laminar flow or transition flow.Key words：smooth surface；overland flow；hydraulic properties；Reynolds number；Froude number；flow velocity；unit width discharge； slope gradient坡面薄层水流是指在降雨、重力等作用下沿坡面运动的浅层水流，对其研究已有百余年历史[1] ，早期研究主要是野外观测和经验分析，近期研究已从经验分析过渡到以水动力学特性为主的机理性分析。

坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法

坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法1 引言随着技术的不断进步，应用于斜坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法越来越显著.斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数提取方法，比如弹性—松弛数、渗流系数等，是我们进行河道水流行为模拟的基础。

因此，提取斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数，已经成为研究者们的热点课题。

2 分析斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数，如弹性—松弛数、渗流系代、泥沙特性指数等，在水动力学模型中起着重要作用。

弹性—松弛数是斜坡面薄层含沙水流受粒子施加惯性作用时产生的局部微观流体动量变化指标，它可以定量衡量水流构造能力，并把水流构造能力与剩余悬移物浓度和平均悬移物沉降速度之间的影响密切联系起来。

渗流系数的测定可以为诸如泥沙运动速度等水流特性的预估研究奠定基础。

泥沙特性指数是泥沙在水流作用下流动时动量传递的主要参数，它的一般值已在研究领域中普遍采用。

3 提取斜坡面薄层含沙水流水动力学参数的方法在为提取斜坡面薄层含沙水流水动力学参数提出了相关理论和方法基础之后，相当多的实验方法和试验装置出现了，可以用来提取斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数。

例如，可以借助演习法计算泥沙浓度流速斜率的方法，建立固定水流条件下斜坡面薄层泥沙运动特性模型，并采用蒙特卡洛方法对其进行有效估算，以实现提取斜坡面薄层含沙水流水动力学参数。

此外，一种较新的技术—非结构格式遥感，以及机器学习等，也取得了巨大的成功，用以提取斜坡面薄层含沙水流水动力学参数。

非结构格式遥感技术可以充分利用水文监测数据实现坡斜对斜坡面薄层含沙水流的水动力学参数的快速提取，并且不受地表状况的影响，更容易满足实际应用的需求;而机器学习技术能够快速筛选模型参数，并在缩小参数空间的基础上，实现高效提取斜坡面薄层含沙水流水动力学参数的智能计算方法。

4 结论斜坡面薄层含沙水流水动力学参数的提取，对于流域水动力学研究具有重要意义。

近年来，分析水动力学参数提取方法日益成熟，相关技术和实验工具也在不断改进和发展，使得斜坡面薄层含沙水流水动力学参数的提取更加容易、准确、方便。

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

第37卷第6期2023年12月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .6D e c .,2023收稿日期:2023-05-22资助项目:国家自然科学基金项目(52279056); 十四五重点研发计划项目(2022Y F F 130009505) 第一作者:谷方正(1999 ),男,在读硕士研究生,主要从事水土保持研究㊂E -m a i l :m g u 999@b j f u .e d u .c n 通信作者:张会兰(1984 ),女,博士,教授,主要从事水文与水沙动力过程研究㊂E -m a i l :z h a n g h l @b jf u .e d u .c n 基于P I V 的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响谷方正1 ,张会兰1,2,王铃涵1,夏绍钦1,孙虎1(1.北京林业大学水土保持学院,北京100083;2.北京林业大学重庆缙云三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站,北京100083)摘要:粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ,P I V )观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线㊁紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力的变化规律㊂结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A 成反比,与积分系数B 成正比㊂(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似㊂流向紊动强度随相对水深的增大而减小㊂随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异㊂渐变粗糙床面下流向紊动强度符合N e z u 经验公式,流量与经验系数成正比㊂(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似㊂在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y /H =0.2~0.4处㊂随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大㊂综合表明,增加P I V 分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究㊂探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路㊂关键词:水动力特性;坡面流;粒子图像测速技术(P I V );渐变粗糙床面;粗糙度中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)06-0018-07D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.06.003T h e I n f l u e n c e o fG r a d i e n t S u r f a c eR o u g h n e s s o n t h eH y d r o d yn a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o fO v e r l a n dF l o wB a s e do nP I VG U F a n g z h e n g 1,Z H A N G H u i l a n 1,2,WA N GL i n g h a n 1,X I AS h a o qi n 1,S U N H u 1(1.S c h o o l o f S o i l a n d W s t e rC o n s e r v a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083;2.C h o n g q i n g J i n y u nF o r e s tE c o -S y s t e m R e s e a r c hS t a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083)A b s t r a c t :R o u g h n e s s i s ak e y f a c t o r a f f e c t i n g t h eh y d r o d yn a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f o v e r l a n d f l o w.I no r d e r t o e x p l o r et h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r l a n df l o w u n d e rt h ei n f l u e n c eo f g r a d i e n tr o u g h n e s s ,u s i n g p a r t i c l e i m a g e v e l o c i m e t r y (P I V )t oo b s e r v e a n d a n a l y z e t h e v e l o c i t yp r o f i l e ,t u r b u l e n c e i n t e n s i t y ,R e yn o l d s s t r e s s a n dw a l l s h e a r s t r e s so f t h eo v e r l a n df l o w u n d e r t h e t h r e e g r o u pso f f l o wr a t e s .T h er e s u l t ss h o w e d t h a t :(1)T h e f l o w v e l o c i t y d e c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo f r o u g h n e s s ;t h e l o g a r i t h m i c f o r m u l ao fv e l o c i t y d i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e db y f i t t i n g t h ed i m e n s i o n l e s sv e l o c i t y .T h ei n c r e a s eo fr o u g h n e s s w a si n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e f i t t i n g c o n s t a n tAa n d p r o p o r t i o n a l t o t h e i n t e gr a l c o e f f i c i e n t B .(2)T h e t r e n do f s t r e a m w i s e t u r b u l e n c e i n t e n s i t y o f g r a d i e n t s u r f a c e r o u g h n e s sw a s s i m i l a r t o t h a t o f s m o o t hb e ds l o p e .T h e s t r e a m w i s e t u r b u l e n c e i n t e n s i t y d e c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo fr e l a t i v e w a t e rd e p t h .W i t ht h e i n c r e a s eo fr o u g h n e s s ,t h e r ew a san o n s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ei n t e n s i t y o fs t r e a m w i s et u r b u l e n c e .T h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yu n d e r t h e g r a d i e n tr o u g h b e d w a sc o n s i s t e n t w i t ht h e N e z ue m p i r i c a lf o r m u l a ,a n dt h ef l o w r a t e w a s p r o p o r t i o n a l t o t h e e m p i r i c a l c o e f f i c i e n t .(3)U n d e rd i f f e r e n t f l o wr a t e s ,t h eR e yn o l d s s t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h e g r a d e d r o u g hb e dw a s s i m i l a r t o t h a t o f t h e s m o o t hb e d .U n d e r t h e i n f l u e n c e o f r o u g h n e s s ,t h em a x i m u m R e y n o l d s s t r e s s a p p e a r e d a t y/H =0.2~0.4.W i t h t h e i n c r e a s e o f r o u g h n e s s ,t h ew a l l s h e a r s t r e s s i n c r e a s e d g r a d u a l l y .T h e s y n t h e s i s s h o w e d t h a t t h em e t h o d o f i n c r e a s i n g P I Vr e s o l u t i o n c o u l d b e a p p l i e d t o t h e s t u d y o f h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o fo v e r l a n df l o w.E x p l o r i n g t h e i n f l u e n c eo f g r a d i e n t r o u g h n e s so ns l o pe f l o wa n de x p l o r i n g t h e h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s of s l o p e f l o w p r o v i d e n e w i d e a s f o r t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho f s o i l a n d w a t e r c o n s e r v a t i o n.K e y w o r d s:h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c;o v e r l a n df l o w;p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y(P I V);g r a d i e n tr o u g hb e d s u r f a c e;r o u g h n e s s坡面流是指降雨或融雪在重力作用下,扣除截留㊁填洼㊁下渗等损失后的一种沿着坡面运动的浅层明流[1]㊂坡面流是地表径流的起始阶段,通常以坡面漫流形式出现,是剥离土壤㊁搬运土壤颗粒和泥沙输移的主要动力[2],其水动力特性通常可通过流速㊁阻力系数㊁流型和流态等[3]水动力参数反映,因而坡面流水动力特性是研究坡面流水力侵蚀的基础㊂目前,国内外学者通过数值模拟[4]㊁野外试验[5]以及室内试验[6]等方法观测坡面流水动力特性并进行大量研究㊂大量研究[1,7-8]发现,坡面流水力特性易受土壤质地㊁下垫面形态结构㊁地表粗糙度以及植被排列结构等因素影响㊂在实际中,坡面流水深极浅通常为毫米量级[1],受地表粗糙单元影响显著[8-9]㊂在自然界中,坡面流下垫面情况复杂多变㊂坡面流在发生发展过程中,地表粗糙度往往不呈现单一粗糙度的特点,而以逐渐变化的形式存在,例如,在河漫滩地区通常从粗砂过渡到细砂,河口地区附近以粗粉砂过渡到细黏土,在滑坡㊁泥石流等自然灾害影响下的山区河川地区,下游地区床沙级配宽于上游地区[10]㊂地表粗糙度的复杂变化加大坡面流运动的复杂性[11]㊂受粗糙度影响,坡面流沿坡面运动高低起伏,水流紊动特性在不断改变,使其沿坡面方向水动力特性发生不断变化㊂在粗糙度逐渐变化情况下,坡面流水动力特性如何变化少有研究㊂目前,对于室内模拟下垫面粗糙的坡面流试验其流速测量方法大部分采用流量法[12]和染色剂示踪法[13],2种测量方法都为单点测量,所测的流速为坡面流平均流速㊂受制于测量技术无法测量到粗糙床面至水面的流速分布,对坡面流的流速轮廓线㊁紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力等水动力学参数的研究较少㊂粒子图像测速(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y,P I V)技术是瞬时二维流场的流速测量技术,具有不干扰测试流场,摆脱单点测试局限实现测试对象的全程动态测量优势,准确捕获瞬时流场矢量值,提供流场信息[2,14]㊂基于该项技术,Y a n g等[15]测量坡面流的流速分区,并进一步计算光滑床面下坡面流的紊动强度与雷诺应力等水动力参数㊂将重点研究渐变地表粗糙影响下的坡面流水动力特性,探究粗糙度逐渐改变情况下与光滑床面下坡面流的流速㊁雷诺应力㊁紊动强度和壁面切应力的不同㊂因粗糙度由小变大分布是自然界的常见分布模式,也是室内试验中其他类型渐变粗糙度模拟的基础,所以,设置地表粗糙度沿水流方向逐渐增大的工况㊂将P I V观测应用于水土保持研究中较少,尝试通过提高P I V分辨率,将粒子图像测速(P I V)技术观测应用到坡面流的观测之中,通过拍摄计算进而分析紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力等水动力学特性㊂研究结果有助于进一步认识坡面流水动力特性,丰富坡面流侵蚀理论,为深入认识复杂下垫面条件下的坡面流理论提供研究技术与数据支撑㊂1材料与方法1.1试验设备试验于2023年1月10日在北京林业大学水土保持学院水蚀机理实验室进行㊂试验水槽长㊁宽㊁高分别为12.4,0.3,0.3m,水槽边壁由钢化玻璃制成,边壁光滑,对水流结构影响小㊂水流由明渠水槽自动控制系统J F C控制㊂试验水槽的控制系统由数字式智能采集控制箱㊁专用线缆和测控软件组成,可实现供水的全自动控制和水流的自循环流动㊂为稳定水流且避免水流出现较大的紊动结构,在水槽出口处安设蜂窝状的硬质管,使进入试验段的水流基本平行于床面㊂水槽尾部设置尾门,调节尾门可以使水槽中的水流达到均匀流的状态㊂同时在水槽中沿程放置6个超声波水位计,以观测水位的沿程变化㊂P I V量测系统由C MO S相机㊁Z K-L A S E R的高频绿光激光器㊁示踪粒子和P I V流场计算软件组成(图1)㊂示踪粒子使用密度为1.06ˑ103k g/m3的空心玻璃珠,直径为10μm㊂空心玻璃珠与水的密度相近,亲水性好,能够有效示踪水流且较好反射激光保证成像清晰㊂相机最高像素为2560ˑ1920,频率为1000H z㊂为保证高频激光与相机频率一致,使用同步器控制且保证无拖尾现象㊂采用D u t y C y c l e模式采集流场,设置2对瞬时流场间隔0.1s㊂每次试验共计拍摄照片10000张(5000对流场),满足流场分析条件㊂在流场处理时,计算窗口像素大小16ˑ16,重叠率为50%,计算流场最终分辨率为8ˑ8像素㊂结果表明,试验获得的紊动强度和雷诺应力分布特性与现有经典结果[2]吻合较好㊂为保证水流充分发展[16],相机放置在距离入口8 m处㊂为满足坡面流水深极浅的拍摄条件,通过增加相机与镜头间的接圈增加P I V分辨率[2],最终分辨率高达70.9p i x e l s/mm,测量效果好㊂91第6期谷方正等:基于P I V的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响图1试验原理示意1.2试验工况为使渐变粗糙度的设计更好符合实际自然条件,根据‘S L42-2010-河流泥沙颗粒分析规程“粒径的划分,沙砾粒径范围在0.062~2mm㊂研究选取4种粒径范围的沙砾作为粗糙单元进行床面制作㊂试验模拟粗糙床面的粗糙单元材料选取河里水洗粗砂㊂经过筛分,4种粗糙单元的粒径范围分别为0.2~0.3, 0.4~0.6,0.9~1.1,1~3m m㊂根据S a d e q u e等[17]的方法,以中值粒径D50来表示地表粗糙度(k s)㊂通过粒径分析仪器测出D50分别为0.201,0.505,1.043, 2.037mm㊂4种粗糙单元各占P V C板10c m,粗糙单元由小到大使用清漆黏合在1m的P V C板上, P V C板前面留有50c m光滑部分㊂研究进行3组不同流量(0.4,0.5,0.6L/s)试验㊂保持各组水槽的底坡(i=0.001)不变,通过调节水槽尾门保证水流尽可能接近均匀流㊂试验工况参数见表1㊂表1按粗糙度由小到大排列㊂为防止坡面流水深过浅而出现滚波影响坡面流特性,水深(H)均> 0.5c m[2]㊂试验中流速(U)为0.08~0.21m/s,雷诺数(R e)<5000,属于过渡流㊂在1~3组工况中,H和R e 逐渐变大㊂所有工况中,宽深比(B/H)均>5[18],满足二维流动,忽略边壁对试验影响㊂光滑组次包括在所有工况中,其作用为对照渐变粗糙度下的坡面流与光滑明渠流紊动差异特性㊂表中ν为运动黏滞系数(c m2/s),ν=0.01775/(1+0.0037t+0.00022t2),其中t为温度(ħ)㊂表1研究试验工况参数工况Q/(L㊃s-1)粒径/mm H/c m B/H R eν/(c m2㊃s-1)00.9232.68648.010.0160.2~0.31.1725.66812.380.015 10.40.4~0.61.3122.85813.190.0150.9~1.11.3222.78812.090.0151.0~3.01.3322.54819.580.01501.1127.00883.200.0160.2~0.31.2823.401008.430.015 20.50.4~0.61.4021.381010.910.0150.9~1.11.4820.231004.890.0151.0~3.01.5219.741012.750.01501.2124.711029.360.0150.2~0.31.4420.821204.970.015 30.60.4~0.61.5619.281201.880.0150.9~1.11.6717.951192.270.0151.0~3.01.7117.531201.410.01502水土保持学报第37卷1.3 计算方法(1)流速分布与流速轮廓线㊂通过P I V 拍摄测量得到流场瞬时流速场,在光滑床面流速轮廓线采用其K e u l e ga n [19]提出的通用公式为:uu *=A l g (y u *ν)+B (1)对于加糙床面的流速分布,K e u l e ga n [19]考虑到糙率的影响,将变化为公式(2)㊁公式(3):u u *=A l g (Yk s)+B (2)u *=g H J (3)式中:拟合常数A =2.3/k ,Y =Y T +Y 0,Y 0=0.15d ;d 为沙砾中值粒径(m m );u 为流场中的点流速(c m /s);u *为摩阻流速(c m /s );J =s i n S ,S 为坡度(ʎ);g 为重力加速度(m /s 2),为9.8;y 为测点据床面的距离(c m );k s 为粗糙高度即粗糙度(mm );k ㊁B 分别为卡门常数与积分常数㊂其中定义相对水深η=y /H ,其中y 和H 均为从理论床面(图2)起算的水深,光滑床面的理论床面位于水槽底部,但粗糙床面流速为0处并不位于渠面底部,通常需计算理论床面位置㊂理论床面确定的方法较多[16,20-21]㊂粗糙床面的理论床面位置根据实测流速资料按相关系数最大法[16]推求,结果显示,各工况理论床面约在颗粒顶部以下(0.142~0.156d ),平均约为0.15d ㊂图2 理论床面示意(2)紊动强度㊂紊动强度是流速的二阶矩,表示流体质点的脉动强度[2],计算公式为:u '=1N ðn i =1(u i -u )2(4)v '=1Nðn i =1(v i -v )2(5)式中:u '和v '分别表示x 和y 方向上的紊动强度;u i 和v i 表示第i 个流场的流向和垂向的瞬时流速(c m /s );u 表示流向方向的时均流速(c m /s );v 表示垂向方向的时均流速(c m /s );N 表示流场的个数㊂(3)雷诺应力㊂雷诺应力是流体质点2个方向脉动强度乘积,表示2个流体质点间碰撞的强弱程度[2],计算公式为:-u 'v '=-1N ðni =1(u i -u )2v i(6)式中:-u 'v '表示雷诺应力,其中u i ,v i 和u 参照公式(4)和公式(5)计算所得㊂(4)壁面切应力㊂由N-S 方程推导的总应力沿水深[2],计算公式为:τρ=-u 'v '+ν∂U∂y =u 2*(1-y H )(7)τ0=ρu 2*=ρg R J (8)式中:τ为切应力(N );公式(7)ν∂U∂y表示黏性应力,由摩擦力产生(c m 2/s 2);τ0为壁面切应力(N /m 2);ρ为水的密度(K g/m 3),与温度相关;R 为水力半径(m )㊂2 结果与分析2.1 渐变地表粗糙度影响下的坡面流流速垂向分布在明渠水流中,流速研究是水动力学特性中最为重要的基础部分㊂在坡面流水深极浅的情况下,传统流速测量方法并不能较好地测量流场瞬时状态㊂测量使用P I V 粒子图像观测技术,满足从床面到水面多点观测且观测不改变流场状态,提高观测精度高和结果准确性㊂根据工况所示,最小宽深比(B /H )为17.53,满足二维流计算要求且忽略边壁效应㊂图3为研究流量下流向流速(u )的轮廓线,k s 为边壁的等效粗糙度㊂各组最大流速出现在粗糙度最小处,最大流速随着流量的增大而逐渐增加㊂各粗糙断面流向流速分布曲线大致相同㊂随粗糙度增加即颗粒粒径增加,流速逐渐减小㊂光滑床面最大流速与粗糙度K s =2处最大流速相差5.27c m ㊂N e z u [18]将明渠紊流垂线上分成内区(0ɤy/H <0.2)和外区(0.2<y /H ɤ1)㊂内区包含黏性底层㊁缓冲区和对数区,外区包含中间区和水面12第6期谷方正等:基于P I V 的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响区㊂在流速内区时,流速变化剧烈,曲线斜率变化大;在外区时,曲线斜率平缓,流速变化小㊂图3流向流速轮廓线令u+=u/u*,在光滑条件下y+=y u*/ν,粗糙条件下y+=Y/k s㊂由表2可知,对数区拟合结果与K u e l e g a n[19]提出粗糙床面分布公式拟合程度较高(R2均>92)㊂测得(A)为2.89~4.37,积分常数(B)为3.58~14.53㊂随着流量(Q)的增大,拟合常数(A)呈减小趋势㊂在相同流量情况下,随着粗糙度的不断增加,积分常数(A)逐渐减小,积分系数(B)逐渐呈增大趋势㊂2.2渐变地表粗糙度影响下的紊动强度变化规律紊动强度为流速的二阶矩[2]㊂试验水深极浅,所以观测数据只计算流向方向紊动强度,进行无量纲化处理比较方便分析㊂图4为无量纲紊动强度的分布,N e z u[22]经验计算公式为:u'u*b=D u㊃e x p(-λu yH)(9)根据试验结果可知,D u为1.84~2.18,λu为0.77~ 1.35,流量与经验系数成正比㊂各组紊动强度沿y/H 增大而减小㊂由图4可知,流向紊动强度在不同流量条件下均呈外区紊动强度随水深增加而不断减少,光滑床面处紊动强度大于粗糙床面的紊动强度㊂在各个渐变粗糙床面处,紊动强度差异变化不大㊂变化趋势与粗糙度为0处相同,当y/H值为0~0.2时,曲线发生明显转折,在近床面处流向紊动强度达到最大值㊂随着粗糙度的逐渐增大,流向紊动强度值出现差异,但差异不显著㊂表2不同流量下流速分布拟合流量/(L㊃s-1)糙率拟合公式相关系数(R2)0u+=4.37l g y++7.85240.980.2u+=3.56l g y++5.15070.97 0.40.5u+=3.24l g y++10.94440.981u+=2.93l g y++13.91340.922u+=2.99l g y++14.55020.940u+=4.25l g y++8.47890.980.2u+=3.06l g y++6.42860.98 0.50.5u+=3.01l g y++12.35280.981u+=3.11l g y++14.16350.952u+=3.01l g y++14.43790.940u+=4.21l g y++6.38140.980.2u+=2.94l g y++3.58250.92 0.60.5u+=2.89l g y++10.91410.931u+=3.05l g y++14.52750.962u+=2.98l g y++14.55620.98图4无量纲化紊动强度2.3渐变地表粗糙度影响下的雷诺应力和壁面切应力变化规律在明渠均匀流二维流中,雷诺应力常用紊动切应力公式(6)㊂在雷诺方程中,雷诺应力表示由脉动流量交换引起的附加应力㊂附加应力由附加法向应力和附加剪应力组成㊂用u*无量纲化雷诺应力,图5为各组次下渐变地表粗糙度的雷诺应力分布㊂为避免雷诺应力相互重合,各组应力分布顺次向右平移1个单位㊂由图522水土保持学报第37卷可知,不同粗糙度下雷诺应力与光滑床面分布相似㊂随着相对水深(y/H)增加,雷诺应力呈先增大后减小态势,其中雷诺的应力的最小值出现在水面y/H=1处㊂光滑床面的最大值位于相对水深y/H=0.2处㊂随着粗糙度增加,最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂由公式(7)可知,当黏性应力趋近于0时,无量纲化雷诺应力与相对水深呈线性关系即受黏性应力微弱,雷诺应力增加㊂在光滑床面下,受黏性应力和雷诺应力的影响稳定,雷诺应力影响80%左右,所以光滑床面处雷诺应力最大值出现在相对水深0.2处㊂但研究发现,随着粗糙度逐渐增加,坡面流所受雷诺应力减弱,黏性应力加强即雷诺应力最大值点出现上升趋势㊂图5无量纲化雷诺应力分布由图6可知,在同一流量的工况条件下,在光滑处壁面切应力最小㊂随着床面粗糙程度加大,相应流量坡度下的壁面切应力也不断增加㊂因为当床面粗糙程度增加时,水流阻力增加,水深变大,水力半径增加,壁面切应力增加㊂另外,壁面切应力在最大流量和最小流量下的差值与不同粗糙程度的床面相关,床面粗糙程度越大,其壁面切应力差值越大㊂图6沿程壁面切应力分布3讨论通过增加相机接圈的方法提高P I V观测分辨率,使粒子图像测速技术应用到坡面流研究之中㊂试验使用P I V观测在渐变粗糙度影响下坡面流水动力特性发现,在渐变粗糙度影响下的坡面流水动力特性与光滑壁面情况下明显不同㊂本试验中,流速随着粗糙度增大而减小,与李斌[23]研究结果相似㊂在流速内区时,流速变化剧烈,曲线斜率变化大;在外区时,曲线斜率平缓,流速变化小,与杨坪坪等[2]和钟亮等[24]研究结果一致㊂流速分布产生该现象是因为靠近床面流速梯度(∂U∂y)大,受黏性应力影响大,当远离床面时,受黏性应力影响小,流速梯度(∂U∂y)小㊂通过流速无量纲化,拟合不同渐变粗糙度下流速分布对数公式,粗糙度增大,拟合常数(A)减小,积分系数(B)逐渐增大㊂A和B变化情况与单一粗糙度变化情况相同[23]㊂可能是随着粗糙度增加摩阻流速(u*)增大,但和时均流速的绝对值变化不大有关㊂紊动强度是流速的二阶矩㊂钟强等[25]使用P I V 测量明渠水流的紊动强度分布为先增大后减小趋势,与本研究光滑床面分布趋势相同㊂在粗糙度渐变条件下,紊动强度基本变化趋势与路明等[26]研究结果一致㊂在本次试验条件下,渐变粗糙度的流向紊动强度随着相对水深的增大而减小,原因是受水面的影响,限制垂向脉动,出现紊动能的重分配[2],使垂向脉动方向能量移动到流向㊂随着粗糙度的逐渐增大,流向紊动强度大小出现差异,但差异不显著㊂是因为在同一流量条件下,随着粗糙度的增大,水流阻力变大㊁流速变小,但流向紊动强度增加,因而,导致各粗糙度条件下的紊动强度较为接近㊂对渐变粗糙度影响下坡面流的雷诺应力观测发现,在受粗糙度的影响下的雷诺应力与光滑床面分布相似㊂随着粗糙度增加,雷诺应力最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂钟亮等[24]研究表明,床面粗糙度对水流紊动参数的影响主要体现在内区,与本研究相互印证㊂随着流向粗糙度的改变,粗糙度变大,流体微团运动减弱,碰撞减小从而减小雷诺应力作用,使坡面流运动过程中受雷诺应力影响的范围减小,故最大值位置提升㊂张红光等[27]研究认为,壁面32第6期谷方正等:基于P I V的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响切应力的变化与粗糙度有关,壁面粗糙度越大切应力也越大,与本结果相一致㊂董曾南等[16]研究认为,光滑明渠壁面切应力的大小与流量㊁坡度相关㊂但在同一流量下,粗糙度增加,流速逐渐减小,壁面切应力却逐渐增大㊂J o e l S u n d s t r o m等[28]研究发现,壁面切应力是受对流体施加的压力梯度以及振荡雷诺应力二者影响㊂从宏观角度分析粗糙度影响下,水流阻力增加,水深变大,水力半径增加,使得壁面切应力增加㊂通过P I V的观测发现,在粗糙度影响下,与光滑条件下坡面流水动力特性存在差异,起到增阻力减速的效果㊂4结论(1)流速随粗糙度增加而减小㊂通过流速无量纲化,拟合渐变地表粗糙度的流速分布对数公式,随着粗糙度增大,拟合常数(A)逐渐减小,积分系数(B)逐渐增大㊂(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似,紊动强度随相对水深(y/H)增大而减小㊂随着粗糙度的增大,流向紊动强度值出现差异,但差异不显著㊂渐变粗糙床面的流向紊动强度符合N e z u的经验公式㊂D u为1.84~2.18,λu为0.77~ 1.35,流量与经验系数成正比㊂(3)不同流量下,渐变地表粗糙度影响下的雷诺应力分布与光滑床面分布相似㊂随着相对水深(y/H)增加,雷诺应力呈现出先增大后减小的态势㊂光滑床面雷诺应力的最大值位于相对水深y/H= 0.2处㊂随着粗糙度增加,最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂粗糙度逐渐增加,壁面切应力的大小逐渐增加即坡面流克服阻力的能量增加,减少坡面流侵蚀能力㊂综合表明,通过增加P I V分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究㊂通过观测与计算得出,渐变粗糙度影响下水力特性与光滑条件下坡面流水动力特性存在变化趋势与数值大小的差异,能够较好解决水力侵蚀的机理问题㊂参考文献:[1]张宽地,王光谦,孙晓敏,等.坡面薄层水流水动力学特性试验[J].农业工程学报,2014,30(15):182-189. 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植被条件下坡面薄层水流动力学特性试验研究

植被条件下坡面薄层水流动力学特性试验研究闫旭峰;周苏芬;黄尔;刘兴年;王协康【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》【年(卷),期】2012(044)002【摘要】基于系列坡面流试验,研究了植被条件对坡面流水动力特性的影响。

结果表明：相同流量与坡度条件下,由于柔韧植被的阻水作用,光面条件下的流速远大于柔韧植被作用的流速,随着植被刚度及密度的增加,坡面流流速、弗劳德数呈现递减趋势。

由于植被阻水及水流混掺效应,Darcy-Weisbath阻力系数基本随雷诺数增大而增大,而一般研究认为阻力系数随雷诺数的增大而减小,由此表明,坡面阻力系数与雷诺数并不存在单调的递增或递减关系,而与坡面糙度单元组成存在较强的依赖关系。

【总页数】5页(P26-30)【作者】闫旭峰;周苏芬;黄尔;刘兴年;王协康【作者单位】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;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;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;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;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【正文语种】中文【中图分类】TV131.2【相关文献】1.坡面薄层水流柔性植被的力学特性试验研究 [J], 李婷;黄丹青;王协康2.降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性 [J], 蒋利斌;张会兰;杨坪坪;刘文剑3.模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性 [J], 张宽地;王光谦;孙晓敏;王俊杰4.人工降雨条件下植被覆盖对黄土坡面养分随径流泥沙迁移影响的试验研究 [J], 李家明;汪建芳;杨艳芬;王兵5.不同人工植被分布条件下坡面水流动力学特性试验研究 [J], 叶龙;王玉林;刘兴年;王协康因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

中国科学院力学研究所坡体滑坡研究获多项专利

中国科学院力学研究所坡体滑坡研究获多项专利
佚名
【期刊名称】《矿产勘查》
【年(卷),期】2006(000)003
【总页数】1页(P26-26)
【正文语种】中文
【中图分类】P642.22
【相关文献】
1.中国科学院武汉岩土力学研究所科研成果——大型岩体工程稳定性和优化的分析方法及应用获国家科技进步二等奖 [J],
2.中国科学院新疆生态与地理研究所两项发明获国家发明专利授权 [J],
3.中国科学院新疆生态与地理研究所“一种水面蒸发器”获国家实用新型专利授权[J],
4.长江科学院水力学研究所新获两项实用新型发明专利 [J],
5.中国科学院新疆生态与地理研究所多项科技成果获自治区科技进步奖 [J],
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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杨苗;张宽地;龚家国;赵勇;王浩;范典【摘要】为探求坡面薄层水流滚波产生机理及其演化规律,采用变坡水槽试验,结合超声波测量技术,研究了5种坡度和21种单宽流量下坡面薄层水流的水力特性及失稳特征.结果表明,试验条件下,坡面水流流态指数平均值为0.536,水流流态以紊流为主,流型为急流;特定粗糙床面条件下,随着流量的增加,水流经历失稳到滚波猝灭再到二次失稳的演变过程;滚波猝灭临界流量随着坡度的增大而逐渐减小,其临界雷诺数在509 ～ 602之间,临界弗汝德数在3.29 ～7.39之间;随着流程长度的增加,滚波的波速变化不大,波长和波高逐渐增大,频率逐渐减小,滚波发生沿程聚合现象;当单宽流量和坡度增大时,波速和频率均随之增大,波长变幅不大,而波高呈现先增大后减小的抛物线型变化趋势.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)010【总页数】8页(P156-163)【关键词】坡面流;滚波演化;临界水力条件【作者】杨苗;张宽地;龚家国;赵勇;王浩;范典【作者单位】西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038;中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038;中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038;西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】S158.1在坡面地表径流中，当水流的惯性力大于粘滞力的平衡作用时，水流表面会失稳产生滚波，从而加快坡面水流对土壤的侵蚀速率[1]。

目前，坡面流研究主要集中于水动力学特性[2-7]以及坡面产流产沙机制[8-9]，大多数研究者采用平均水力参数法对坡面水流进行规律阐述和阻力计算，但对于其沿程演变规律的研究尚显不足。

同时，有关坡面水流“增阻”的机理，目前也尚无定论。

地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

收稿日期：２０１４－０１－１０基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７１２８８）作者简介：施明新（１９９０－），男，江西德安人。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｍｉｎｇｘｉｎｓｍｘ＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：吴发启（１９５７－），男，陕西黄陵人。教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｆａｑｉ＠２６３．ｎｅｔ
２）试验在有机玻璃床面（ｄ＝０）和人工模拟粗糙床面下进行。人工模拟粗糙床面：首先，用震动筛对自然级配的砂粒进行筛分，使砂粒粒径分为０．５～１．２５、１．２５～２．５、２．５～５、５～１０ｍｍ；其次，在床面内壁均匀平整地涂上一层相当厚度的清漆；最后，将筛分的砂粒分别均匀地粘在床面上，形成不同的地表粗糙度（ｄ）。
１．２测定方法向试验水槽供水，调节流量计阀门，使供水流量达到设计流量，待水流稳定后开始试验。试验开始和结
束时，记录稳流槽中水银温度计（精度为０．１ ℃），取其平均值作为该次试验的水温，以计算水动力粘滞系数。采用ＳＸ４０－１型水位测针测定径流深，精度为０．０１ｍｍ，取各断面实测径流深的均值作为水流的平均径流深。采用ＫＭｎＯ４染色法测定流速（表层流速），并根据Ａｂｒａｈａｍｓ［６］修正方法（层流时修正系数为０．６７，过渡流为０．７，紊流为０．８），即实测流速乘以修正系数后的均值为该次试验的平均流速。