染色法测量坡面流流速的最佳测流区长度研究

染色法是测定坡面流流速最常用的方法,但对测流区长度的选择没有统一标准.统一测流区长度不仅能减少流速测定误差,还能提高不同试验间的可比性.本文采用室内变坡水槽试验,用染色法测量表面最大流速并计算平均流速时,选择6个常见测流区长度,以流量法计算的平均流速为参照值,选取5个统计参数(RRMSE、RE、NSE、R2、MAE)作为评价指标,将不同测流区长度下染色法与流量法所获得的平均流速进行比较,分析染色法测量坡面流流速的最佳距离.研究结果表明:当测流区长度为2m和3m时,RRMSE都较小;在2m处,RE、MAE达到最小,NSE、R2最接近1,此时染色法测定的流速与流量法计算的流速最为接近.因此,用染色剂法测量坡面流速度的最佳距离应选在2m.     

坡面流的 Lattice Boltzmann 方法数值模拟

以一维运动波方程为研究对象,给出Lattice Boltzmann方法的D1Q5速度模型在一维坡面流的数值模拟中的具体步骤,并将其计算结果与解析解进行比较,同时分析了步长和弛豫时间的选取对计算精度的影响。结果表明:Lattice Boltzmann方法可以较好地应用于坡面流数值模拟中,空间步长的选取对计算精度的影响较大,弛豫时间的取值应在[1.0,1.2]范围内为宜。     

模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性

利用人工模拟植被试验,系统研究了6个坡度和10个流量、5种覆盖度条件下坡面流水力参数水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面植被水流阻力的内在规律性.结果表明:流态指数随植被覆盖度的增加而显著增加,相同植被覆盖度下,试验坡度对其影响并不显著.各试验工况下,水流流态主要分布在"虚拟层流区"和过渡流区,未达到紊流区.随试验坡度的增加,水流流态由缓流向急流区域延伸,而随覆盖度的增加,流态向相反方向延伸.植被覆盖条件下坡面水流阻力与雷诺数的变化规律并非呈单调增加或者单调递减的趋势,而与植被覆盖度紧密相关,当植被覆盖度较低时,阻力系数随雷诺数的增加而减小,而覆盖度较高时,阻力系数随雷诺数增加呈线性增加的趋势.     

坡面薄层水流滚波水力参数影响因素

为探明滚波的演变过程及产生机理,采用定床阻力试验和超声波测量技术,研究了5种糙度、5种能坡、8种单宽流量下滚波水力参数的变化规律。结果表明:在固定断面,波速随单宽流量增加呈幂函数关系增大,相对波速反之,波高与相对波高先增大后减小;随糙度增加,波速减小,相对波速增大,波高及相对波高均减小;能坡对滚波的影响也与糙度有关,小糙度下,波速随能坡增加呈幂函数关系增大,相对波速反之,波高先增大后减小,相对波高持续增大;而大糙度下,随能坡增加,相对波速增加,波高整体不变,相对波高增加趋势变缓甚至有所减小。分析可知,相对波速、相对波高考虑了平均水力参数的变化,可以更好地反映各因素对滚波演变过程的影响。     

峰丛洼地坡面流径流过程——以丫吉试验场为例

选取裸露型和土壤植被覆盖型两种峰丛洼地地貌结构.通过降雨量、pH、电导率(Ec)、CO2分压和流量的过程线来分析降雨中详细的产流过程.裸露性坡地因包气带结构简单仅存在局部的超渗产流和表层岩溶带的回归流.水化学性质较稳定;有土壤植被覆盖的坡地的产流过程可以分为3个阶段:补偿阶段(可出现超渗产流)、饱和径流阶段、稳定阶段,补偿阶段仅在降雨强度大于入渗强度时可产生坡面流,饱和径流阶段坡面流流量与降雨强度成正比.稳定阶段坡面流流量趋于稳定,不随雨强的变化而变化,坡面流的水化学性质变化剧烈,pH、电导率(Ec)、CO2分压基本上同步变化,水漫(T)在降雨前期变化规律不明显.后期与pH、Ec等呈相反变化.     

坡面流水力学参数对团聚体剥蚀程度的定量影响

土壤团聚体作为径流搬运过程中的基本结构单元,其在径流运移中的剥蚀破坏影响着坡面径流入渗状况、泥沙含量及地表侵蚀过程的强度。利用变坡试验水槽,在不同流量(0.4~1.2 L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,详细分析了流量、坡度、径流水深和阻力系数对鄂南两种典型母质发育红壤团聚体剥蚀破坏的定量影响。研究结果表明,流量和坡度对两种母质发育红壤团聚体的剥蚀影响都是极显著的,坡度对两种红壤团聚体的剥蚀破坏影响均大于流量;不同流量和坡度组合下的团聚体剥蚀破坏变化规律不同,利用流量和坡度的幂函数可以准确地预测团聚体剥蚀程度;在两种水力学参数之间,团聚体剥蚀程度随着径流水深的增加而降低,随着阻力系数的变大剥蚀程度增加。     

坡面薄层流水动力学特性的实验研究

采用变坡实验水槽研究了坡面薄层水流水动力学特性——流态、流速、水深及阻力系数随流量和坡度的变化规律,实验坡度5°～25°、单宽流量为0.625×10-3～12.5×10-3m3/(s·m).研究结果表明,坡面薄层水流流态与水深密切相关,坡面流的流态基本上呈过渡流和紊流;薄层水流平均流速、水深和Darcy-Weisbach阻力系数主要受流量控制,坡度的影响并不显著,其关系均可用流量和坡度的幂函数形式模拟,相关系数(R2)分别为0.98、0.97和0.95,去掉坡度后相关系数分别下降7%、16%和3%.随着雷诺数的增大,Darcy-Weisbach阻力系数下降.当单宽流量小于0.008m3/(s·m)时,坡度对阻力系数的影响较为显著;当流量大于0.008m3/(s·m)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递减.     

植被淹没程度对坡面流水动力学特性影响

为深入揭示植被覆盖条件下坡面水流结构的内在规律,采用水槽模拟试验,系统研究了植被处于淹没及非淹没工况下淹没度对坡面流水动力学特性的影响。研究结果表明:坡度一定条件下,平均流速和雷诺数与淹没度均成正相关关系;柔性植被覆盖下,水流流型由缓流区过渡到急流区,综合阻力系数随淹没度的增加而减小,刚性植被覆盖条件下水流流型均处于缓流区;综合阻力系数呈单驼峰形式变化;峰值处淹没度为0.9,淹没度对相对摩阻流速的影响与其对阻力系数呈相反变化趋势,基于淹没度的阻力计算经验公式决定系数均达到0.97以上;由于淹没度对各水动力学参数的影响受制于坡度,在坡面水土保持中应根据山区坡度和水深选择适当的植被高度。     

降雨对浅层水流阻力的影响

通过实验室人工降雨水槽试验,研究了降雨影响下浅层水流的阻力规律。根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析,讨论了降雨对浅层水流特性的影响,提出了"伪层流"的概念,建立了不同流区的Darcy-Weisbach阻力系数∫的估算式。研究成果可用于坡面流计算及土壤侵蚀模拟等方面。     

径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展

土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积3个子过程,研究这些过程发生、发展的水力、地形、土壤及地表特性等临界条件及各过程间相互影响、相互制约的机制,是建立土壤侵蚀过程模型继而准确预报土壤侵蚀的基础。为加强对径流驱动土壤分离过程的认识,推动土壤侵蚀过程与机理的研究,从径流水动力学特性、土壤特性、近地表特性、土壤分离过程的时空变异特性等方面对径流驱动的土壤分离过程影响因素及机制进行了总结和梳理,在此基础上,从土壤分离过程研究的时空尺度、土壤分离过程的动力学机制、细沟发育及其形态特征、网络结构对土壤分离过程的影响机制、土壤分离与泥沙输移的耦合机制、土壤分离测定方法与标准、土壤侵蚀阻力参数获取与预报等方面,展望了该领域有待深化的问题及今后的发展方向。     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

对坡面径流挟沙力研究的几点认识

坡面径流挟沙力是土壤侵蚀过程模型的核心输入参数。在系统界定坡面径流挟沙力概念的基础上,深入分析了坡面径流水动力学特性和泥沙特性对坡面径流挟沙力的影响及其机制,受降雨、地形、土壤、植被、土地利用、结皮形成、细沟发育和砾石出露等多种因素时空变异的综合影响,坡面径流挟沙力具有强烈的时空变化特征,导致坡面径流挟沙力的测定较为困难。将确定挟沙力常用的方法划分为河流挟沙力方程修正法、推理法、模型模拟法和测量法,比较分析了不同方法的优缺点。未来的研究应该重点关注挟沙力测定方法与技术、坡面径流输沙过程的动力机制、典型土壤的挟沙力、挟沙力方程构建与验证及变化条件下坡面径流挟沙力等方面。     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

坡地径流入渗机制对水文模拟的影响分析

建立了适用于栅格单元系统的基于运动波理论的降尺度新安江模型(KWXAJ)。在栅格单元中采用新安江模型计算产流,运动波模型进行坡面汇流演算。模型中,为考虑上游坡地单元入流的径流入渗(run-on)效应,在进行坡地产流计算时,降雨及上游坡面流及壤中出流被同时作为来水输入新安江模型。在运动波模型中,糙率系数依据土地利用方式及洪水量级确定。选取淮河史灌河流域黄泥庄以上集水区域,作为研究区域。用流域历史上的13次洪水过程来率定和验证此模型。研究表明,run-on机制对流域产汇流预测有重要影响,其显著影响流域内土壤蓄水量时空分布,进而改变产汇流机制。数据分析还显示,不考虑run-on机制将导致模拟洪峰滞后。     

城市地表雨水汇流运动波计算方法研究

从以圣维南方程为基础的坡面流角度出发,引入运动波描述城市地表汇流过程,同时考虑全面汇流和部分汇流,利用分级叠加法,对净雨强度随时间变化的城市地表雨水径流过程用坡面流运动波方程进行模拟计算,并将地表划分成多个子集水单元,按照各子集水单元的地表属性分别得到相应的流量过程,最后汇总得到区域出口处的流量过程。最后用实测资料对模拟计算结果进行了验证,结果表明模拟结果与实测资料拟合度较高,该方法得出的模拟结果基本合理,可在城市降雨径流计算等方面作为参考。