坡面地表径流水动力学特性及输沙能力试验研究

本研究拟通过室内模拟降雨试验与野外小区观测试验相结合的方法，研究坡面地表径流的流速、雷诺数、弗氏数、阻力系数时空变化规律，并揭示降雨和坡度对各水力参数的影响，探明坡面水流水动力学特性；模拟雷诺试验对二元雷诺数和沙粒雷诺数判别坡面流流态的适用性进行评价，进而提出坡面径流流态界定新方法；应用紊流力学中近壁流层猝发理论和边界层理论阐明坡面径流"增阻"现象的本质；总结归纳滚波坡长，坡速，滚波叠加随时空演化规律，提出坡面径流失稳的临界条件，并采用一维水沙耦合模型进行数值模拟；最后，运用聚类分析法评价现有坡面流输沙能力公式，并对水流强度指标进行归纳与分析，在此基础上寻求一个更加有效的水流强度指标，从而建立通用的坡面径流输沙能力新公式。该项目的研究成果将有助于从动力学角度重新认识坡面径流悬移输沙的内在机制，进而为建立具有明确物理成因的水土流失预报模型提供理论依据。

坡面径流水动力学特性研究是目前土壤侵蚀的研究热点也是薄弱环节，虽有不少研究成果面世，但由于坡面水流流动型态的特殊性，使得阻力规律、流态判定、输沙动力学机理等方面尚存疑颇多，本研究通过不同粗糙度定床阻力试验、径流小区模拟降雨试验和水槽冲刷试验相结合的方法，系统研究了坡面水流水力参数关系，阻力机制及挟沙能力。研究表明：①坡面水流平均流速、平均水深、弗如德数和阻力系数均与单宽流量、坡度、粗糙度呈幂函数关系，各水力要素之间的关系可围绕流态指数m进行分析和探讨。坡面水流流态指数m随坡度呈“马鞍形”的变化趋势，极值出现在坡度为0.1564左右。随床面粗糙度呈现出抛物线的变化趋势，总体上在0.317～0.418之间变化。流速修正系数在0.2-0.75之间变化，同时随雷诺数和床面粗糙度的增加而增大，而随坡度的增加逐渐减小，这表明坡面流垂线流速分布与明渠水流垂线流速分布不同。水流增阻主要与绕流作用和滚波两因素有关；②坡面滚波流波速与单宽流量和韦伯数均成幂函数形式变化，当韦伯数小于1.0时，波速增幅较大；当韦伯数大于1.0时，韦伯数对波速的影响逐渐弱，而与昂色格数呈线性关系。波长沿流程长度的增加近似呈线性增加，特定断面波长与单宽流量和韦伯数的关系均呈单驼峰形状变化；而与试验坡度成良好的线性关系；层流失稳区临界弗汝德数在0.5到0.7之间变化，临界昂色格数在3.0×10-3与3.9×10-3之间变化，而紊流区失稳区临界弗汝德数在1.59到2.2之间变化。③根据坡面流失稳临界水力条件，提出了坡面流流态判别的新判数——粘深比，该参数综合表征了惯性力、粘滞力和重力三者的对比关系，同时也反应了无量纲参数弗如德数和雷诺数的对比关系。当粘深比δ/h大于临界值0.12时，水流处于层流失稳区（即滚波流区）；当δ/h均小于临界值0.12时，水流处于紊流区。④基于模拟降雨实验给出了考虑绕流影响的坡面流阻力系数的计算通式。⑤明确了降雨条件下沙黄土坡面和无粘性沙质床面各水流强度指标与输沙强度的响应机理，不管是粘性沙还是非粘性沙，坡面水流输沙强度与水流功率的关系均最好。对于粘性沙，平均流速类指标相对较好，而对于无粘性沙，平均流速指标不宜使用。并对各水流强度指标分析的基础上，给出了以流速、坡度和水深三者结合的统一水流强度参数，得到了坡面挟沙能力的通式，得到了坡面水流挟沙能力计算公式。