坡面流阻力构成机制试验研究

Formation mechanism and its equation express of hydraulic resistance to overland flow is one of the key problems in the developing and using of the model on slopeland hydrologic and erosion processes. In the project, the overland flow of different underlying surfaces (farmland, grassland, woodland, abandoned land) will be studied. Based on the laboratory simulated underlying surface and upslope inflow set-ups, contrast experiments, orthogonal experiments and full factorial experiments under the different impact factors will respectively be designed to verify the independence of each resistance (particle resistance, morphological resistance, wave resistance and rain resistance) and the superposition principle, to screen the sensitive parameters affecting the resistance and to identify their contributions; Meanwhile, through direct measurement and indirect calculation of the resistance, combined with related hydraulics theories, the formation mechanism of each resistance item will be discussed, and further the physical resistance model frame and mathematical expression of each resistance item will be proposed. At the same time, the experiments on resistance to overland flow in the field conditions will be carried out to verify the rationality and universality of the indoor experiment results. The key input parameters of resistance model will be clarified, and their extracting method system will be given. The physical resistance model frame and the expression will be improved and optimized. The expected results can provide the theory basis for the simulation of slope hydrologic and erosion process, and will have reference value for guiding the rational allocation of the slope measures of soil and water conservation.

坡面流阻力构成机制及其模型表达是坡面水文和侵蚀物理模型开发和应用的关键问题之一。项目以不同下垫面（农地、草地、林地、撂荒地）条件下的坡面流为研究对象，在室内模拟下垫面上方来水条件下，开展不同因素影响下的坡面流阻力对比试验、多因素正交试验以及完全试验，验证各阻力分项（颗粒阻力、形态阻力、波阻力、降雨阻力）的独立性和叠加原则，筛选影响阻力的敏感参数并识别其作用贡献；通过直接测定和间接计算阻力，结合水力学相关理论，探讨阻力各分项的形成机理，并提出阻力物理模型框架及各阻力分项数学表达式；同时开展野外坡面流阻力试验，验证室内试验成果的合理性和通用性，明确阻力模型关键输入参数，并给出其析取方法体系，改进和优化阻力物理模型框架及其表达式。预期结果可为山坡水文和侵蚀过程模拟提供理论依据，且对于指导水土保持坡面措施合理配置具有参考价值。

坡面流阻力的确定，是坡面水文过程模拟的重要基础性工作，对阻力规律进行研究，可为坡面水文和侵蚀物理模型开发和应用提供依据。本研究以典型下垫面坡面流阻力为研究对象，在定床和动床相结合、模拟降雨和放水冲刷相结合进行系统的试验的基础上，运用坡面流阻力的直接测定技术和数学、物理分析方法，探究不同下垫面类型、草被格局、微地形、枯落物布设下，坡面流阻力特征及其影响因素，结果表明：（1）砾石坡面阻力系数随坡度的增大呈现出“M”式变化趋势（0%、2.5%、10%、20%覆盖度下）或减小趋势（5%、15%覆盖度下），随覆盖度的增大而增大。草被坡面阻力系数随流量增大波动上升，随覆盖度的增大而增大。在不同坡度下，两种坡面阻力系数均与流量、覆盖度呈幂函数关系。由于各下垫面粗糙因素间存在互作效应，不同复合坡面均会产生附加阻力。（2）对于不同草被格局，坡面流阻力系数的大小顺序为随机>草方格>带状>斑块状格局，随着流量的增大，草被格局对坡面流阻力系数的影响逐渐减弱。对于不同草带布设方式，条状布设下的阻力系数为裸坡下的4倍（黄土性褐土）和5倍（石灰性褐土），为片状布设下的2.1~2.8倍（黄土性褐土）和5.9~10.9倍（石灰性褐土）。（3）细沟内阻力系数随流量的增大而减小，随坡度的增大而增大，细沟外阻力系数随流量和坡度变化无明显规律。细沟内阻力系数均大于同一下垫面细沟外阻力系数。下垫面存在细沟和草被时，坡面水流和细沟水流克服阻力消耗的能量较多。（4）不同枯落物布设下坡面流属于层流，在不同的雨强条件下各坡面的雷诺数均表现出裸坡＞直铺＞隔铺，弗劳德数均表现出裸坡＞隔铺＞直铺，阻力系数均表现出直铺＞隔铺＞裸坡，径流剪切力表现出直铺＞裸坡＞隔铺，径流功率表现出裸坡＞直铺＞隔铺。研究结果可为建立基于径流动力学过程的山坡水文模型和侵蚀物理模型提供重要基础，为指导水土保持坡面措施合理配置提供理论支持。