坡面薄层水流水力特性试验研究

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1、坡面薄层水流水力特性试验研究摘要：为了解坡面薄层水流在坡度、单宽流量及水流流床等外界条件发生变化时，其水流水动力特证参数的变化规律，从水力学的加度出发,在室内开展阻力试验，分别对3。、6。、9。、12°、15°等5种不同坡度、不同级配人工沙粒铺设的粗糙床面展开水流水力学试验研究，并对试验得出的有关数据进行分析，初步探明了坡面水流流态为过渡流区的延伸，得出坡面薄层水流阻力系数、雷诺数、佛汝德数与单宽流量的变化规律及相互之间的关系。关键词：坡面流；流态；雷诺数；佛汝德数中图分类号：TV698.1文献标识码：A文章编号：0439

2、-8114(2013)22-5455-04坡面水流主耍指的是大气降水或冰山融雪后产生的水流在自身重力的作用下沿着坡面向下运动的薄层水流，是形成河道水流的主要部分，有时也称为片流或漫流。坡面水流的流态和径流常被用來表示薄层坡面水流的动力学特征［1］。由于坡面水流的流态归属于坡面薄层水流的研究领域,因此与土壤、植被坏境、降雨及其冲刷的坡沟细度、密度等参数有着十分密切的关系［2-4］,其中的相关参数不同会使得坡面薄层水流的流态发生较大改变。一些研究人员认为坡面地表的径流既是地表径流的汇集演进过程，也决定坡面土壤侵蚀发生的过程和侵

3、蚀量［5］。当水流侵蚀能力超过土壤抗蚀性后就可能发生跌坎并产生细沟，形成坡面细沟流，最终可出现浅沟和切沟流［6］。坡面薄层水流所流过的土壤表面的粗糙度对坡面水流流态变化也会冇所影响，且这种影响引起的水流动力学相关的特征变化也比较明显。现在也用糙率表征水流床面的粗糙度，它也是坡面水流水动力学特性的直接影响因素，糙率又称为有效糙率［7,8］o当前大部分研究是针对坡面水流在没有植被覆盖的裸土表面上展开［3］,随着坡面粗糙程度不同引起的水流水力学特性的研究相对较少。很多研究者认为粗糙床面主要是通过增加水流流过的阻力使得包含薄面水流

4、的近壁水流流区发生变化［9］。本研究通过对不同粗糙流床展开试验，对试验数据进行分析，从而得出粗糙度不同的土壤坡面水流的水流特性，以期为坡面水流的侵蚀研究以及坡面水流水动力学研究提供理论基础。1试验方法1.1试验设计实际中坡面上的水流人多数是流床发生变化的非恒定水流，其流动过程中的有关流态参数也不断发生变化，要直接进行比较全面的观测非常困难，因此可以对其进行定量描述。本试验将坡面薄层水流看作二维水流，采用专门的坡面流设计定床阻力试验，沿水力方向设置5个观测断面，对水深和流速进行观测记录。1）试验用的水槽为5nmi厚的有机玻璃

5、制作，长600cm,宽60cm,深20cm,其底板的坡度可以进行调节，变化范围在0。〜15。。在供水箱设置阀门和试验水杷连接，加上自來水的阀门，共设置5个调流阀门，稳流板2道，让水流比较平缓地流进试验水槽。考虑到薄面水流的水力学特性受边界条件影响较大，为使得试验数据更为精确，需要对出口的流速进行控制，保证水流平缓稳定，因此在出口水箱中设置稳流板和溢流板。2）为保证试验的准确性，试验在人工粗糙流床进行，选取坡度为3°、6。、9。、12°、15°[10],同时在流床底部用油漆黏上自然级配粒径均匀的沙粒，形成沙粒糙度。3）由于研

6、究坡面薄层水流的主要应用是为水土流失提供理论支持，因此流量不应该超出实际降雨量的范畴。为了能达到试验的要求，试验水流的单宽流量分别设置为5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、20.0、25.0、30.0、40.0>60.0>90.0L/mino4）鉴于进行试验的水杷中的水流比较深，使得水流的水动力学特征参数很容易因为外界条件的变化而发生变化，因此在试验水槽的制作以及后期的安放等坏节的质量都做出了相对比较规范的操作要求，主要是为了保证所有的试验材料为整体装置，避免接缝对水流的干扰，使床面均匀平滑，无明显局部扰动产生。

7、1.2测定方法在试验过程中，要在水槽的坡面水流达到平稳后反复准确地测量单位时间内的单宽流量、流速、水深，同时注意气泡对试验的影响。在试验屮,用染色剂法[11]分别在水槽进口1m以下和水槽末端0.3〜5.0m的位置观测流速，水深测量在粗糙床面采用自上而下的方法，水深计算方法见公式（l）o式（1）中，h为实际中采用的有效水深（rrnn）；IP是测针的读数（mm）；HO是试验采用的有机玻璃的厚度，本研究定位为5mmo本研究屮量测流速采用染色剂法，测定的区域位于距水槽末端0.6m以上的2.0-3.0m范围以内；水层较深02.0cm

8、）时采用染色剂法，即在测定时将KMnO4溶液用塑料管注入水流中，记录染色水流流经测定区域所用的时间，再用测定区域长度除以时间即得水流表面速度［11,12］。水深使用精度为0.01mm的重庆水文仪器制造厂生产的SX40-1型水位测针测定。2结果与分析2.1水流的平均流速通常，谢才公式用來表征水流的层流，而