雨滴溅落对坡面薄层水流动力特性及泥沙起动的影响研究

Overland flow as the driving force, which erodes soil and transport sediment, thus serves as the primary factor to cause soil and water loss. Studies on hydrodynamic characteristics of overland flow as well as sediment incipient movement have important scientific value and practical applications. Combining knowledge from hillslope hydrology, sediment transport mechanism, computational fluid mechanics, this project plans to adopt advanced technologies to measure the hydrodynamic characteristics of overland flow under raindrop impact, and track the path of sediment movement. This study will investigates the temporal and spatial variation of overland flow velocity subjected to raindrop impact, meanwhile using three-dimensional numerical model to simulate the hydrodynamic structure and movement processes. Relationship between overland flow and sediment incipient motion and their interaction is studied under the condition of artificial raindrop.experiments in order to obtain new formulas of sediment incipient movement and sediment carrying capacity. In summary, this project fully reveals the hydrodynamic characteristics and the mechanics of the sediment incipient motion of the overland flow under raindrop impact.

坡面流是侵蚀输沙的动力，是造成流域水土流失的主导因子，因此开展雨滴溅落对坡面薄层水流的动力特性及泥沙起动影响研究具有重要科学价值和实际意义。本项目拟从坡面水文学、泥沙运动力学、计算流体力学等学科角度出发，运用先进测量技术测量雨滴溅落下坡面薄层水流流动特性，并追踪泥沙运动轨迹，研究雨滴溅落下坡面薄层水流流速时空变化规律，分析坡面流水动力各参数之间的相互关系；并结合三维数值模型，模拟雨滴溅落下坡面薄层水流的流动结构及运动规律。在此基础上，研究雨滴溅落下坡面薄层水流与泥沙起动之间的内在关系和相互作用机制，建立雨滴溅落下坡面薄层水流泥沙起动公式及水流挟沙能力的新模式，进而全面揭示雨滴溅落对坡面薄层水流动力特性及泥沙起动的影响规律。

坡面流易受到地表条件和降雨扰动的影响，使得其水力特性较为复杂，开展雨滴溅落对坡面薄层水流的动力特性及泥沙起动影响研究具有重要科学价值和实际意义。本项目围绕关键科学问题、研究目标和研究内容，通过构建降雨情境下的定床实验，分析坡面流水力特性参数可得，降雨对坡面薄层水流流速的作用与放水流量和雨强大小有关。放水流量较小时，降雨会使坡面水流流速增加，且雨强越大水流流速增幅越大；放水流量较大时，降雨会使坡面薄层水流流速降低；降雨强度与坡面水流流态有关，雷诺数及傅汝德数随着降雨量的增大而增大，阻力系数总体呈减小趋势；借助高速摄像机捕捉水滴击溅薄层液膜过程，进一步建立单、双、三液滴撞击液膜过程的二维数值模型，讨论不同个数液滴撞击液膜过程的变化特征的差异性；通过构建降雨情境下的动床实验，分析降雨对坡面侵蚀产沙过程，分析可得，降雨对坡面侵蚀产沙的影响有以下三个方面：降雨增加了坡面流径流量；溅散沙粒为坡面输移提供物质来源；同时，雨滴打击作用加强坡面流的紊动能，提高了径流的输移能力。在供水流量较小时，雨滴击溅是影响坡面侵蚀量的主导因素，击溅对坡面结构造成破坏而形成溅蚀，且雨滴打击作用加强坡面流紊动能，同时提高了径流输移能力。随着供水流量的增加，雨滴击溅作用明显减弱，但此时仍在坡面侵蚀量中占有重要比例，随着雨滴击溅对侵蚀量的贡献越来越小，由降雨所产生的径流冲刷成为坡面侵蚀量的主导因素，径流冲刷对坡面侵蚀量的贡献越来越大，坡面侵蚀量随径流量的增加而增大。