片流水动力学特性研究

土壤水力侵蚀是世界各国面临的重大问题，片流(Sheet Flow)的水动力学特性是治理水土流失的理论基础。受量测手段的限制，片流水力要素的精确量测已成为片流进一步深入研究的瓶颈。本项目以研制室内精确测量片流流场的片流流速测试仪为基础，以清水条件下片流水动力学特性为研究对象，对片流的流场特征及阻力特性进行基础科学研究。具体研究内容包括：片流垂向流速分布及其沿程变化情况、水深沿程的变化情况；构建片流运动方程，建立区分片流、明渠流的判别依据；片流流态特征及其转变特征、片流流态判别条件；粗糙高度对片流流场特性、沿程阻力特性的影响以及片流沿程阻力计算方法。本项目将在研究片流流场测试手段和方法的基础上，通过对片流的流速、水深变化特性及其阻力特性的研究，构建片流运动方程，对片流水动力学的基本理论和方法进行补充和完善，为研究更加高效的土壤水力侵蚀治理措施提供理论基础。

1、项目背景及科学意义.片流是指由降雨或融雪等条件下所形成的，并在重力作用下沿坡面流动的浅而分散，较为均匀的水流，也称漫流或坡面薄层水流，其水深一般只有几毫米或更小。目前土壤侵蚀日益加剧，已成为危及人类生存与发展的主要环境问题之一，其中近50%的土壤侵蚀都是由水蚀造成的。现有研究成果表明，在土壤侵蚀过程中，降雨所产生的地表径流形成的片流是土壤侵蚀和产沙的主要动力因素，但对片流水动力特性的研究仍有待深入。因此深入研究片流的水动力学特性，无论是对完善和发展片流水力学理论，还是对深入研究侵蚀过程规律，控制水土流失，改善人类的生存环境，促进可持续发展都具有重要理论意义和实用价值。.2、主要研究内容.①研制实验室内模拟片流生成的实验装置，并在PIV测试技术的基础上，开发SFPIV测试系统。.②量测片流沿程水深和流速的变化情况；.③在结合理论分析及前人相关研究成果的基础上，构建片流运动方程，建立区分片流、明渠流的判别依据。.④分析不同条件下片流的水流流态特征，构建片流流态判别的依据。.⑤研究分析不同坡面形态和水力参数下片流的沿程阻力特性和计算方法。.3、主要研究成果.(1)、建立片流模拟装置.完成了实验室内片流模拟装置的设计、加工和制作。该装置具有简单实用、易于调节的特点，该装置正在申请专利。.(2)、研制片流测试系统.在PIV测试技术的基础上，通过构建适宜的观测装置和图像后处理模块，研制开发了SFPIV测试系统，该系统正在申请专利。.(3)、片流的水动力学特性.A、片流流速、水深的变化特性.薄层坡面流的流速分布与明渠水流的流速分布有明显的差异。片流运动中，底坡面的摩擦阻力、边界层效应和水面空气阻力的影响对片流水流水深方向的流速分布尤为显著。.B、片流的运动方程.通过对片流的不同条件下水深和流速特性的初步分析发现，片流运动方程仍然遵守N—-S方程组范畴。.C、片流与明渠流的判别条件.当水深大于2.0cm时，水流基本可以判断其属于明渠流；当水深小于1.0cm时，水流可以认为是属于片流状态；而当水流水深在1.0-2.0cm之间时，水流可以认为是处于片流与明渠流的过渡阶段。.D、片流流态的判别.根据已有的实验观测资料来分析，未能观测到片流运动中存在均匀流状态。.E、片流阻力的计算.根据测量获得的片流水力要素，水流阻力可以利用能量方程计算得到。