多因素交互影响下坡面薄层流水动力学特性研究

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坡面薄层水流是研究土壤侵蚀的基础,其涉及水土流失过程中泥沙的启动、搬运等较多重要方面。由于坡面薄层水流极其容易受边界条件影响,因此目前对于坡面薄层水流的研究尚存在诸多疑问。本文基于两组室内定床水槽冲刷试验,系统研究在流量、坡度、刚性植被覆盖、底面粗糙度和降雨等多因素交互影响下的坡面薄层水流的流速、流型流态、阻力系数等变化特性,得到的结果如下:  (1)底面粗糙度和植被覆盖率对坡面薄层水流流速影响均呈负相关关系。二因素与流速修正系数分别呈负相关以及正相关关系。坡度可增加植被覆盖率和底面粗糙度对流速的影响。降雨对流速的影响并不固定,本文认为可分为三个阶段进行讨论;植被覆盖率和底面粗糙度可以抑制降雨对流速的影响。4种影响因素对坡面薄层水流流速影响程度排序为:0.837(流量贡献率)>0.403(坡度贡献率)>-0.296(底面粗糙度贡献率)>-0.1459(植被覆盖率贡献率)。  (2)坡面薄层水流的流型主要集中于过渡区以及虚拟层流区。植被覆盖率、底面粗糙度和降雨对流型流态都有影响,随着植被覆盖率、底面粗糙度和降雨强度的增加,流态逐渐向缓流区延伸。流态指数(m)与底面粗糙度和植被覆盖率皆呈正比关系,即随着底面粗糙度和植被覆盖率的增加,坡面薄层水流的能量趋向以阻力做功的方式转化。在底面粗糙度相同的情况下,流态参数(c、d)值随着植被覆盖率的增加而减小;当植被覆盖率相同情况下,c、d值随着底面粗糙度的增加而减小。各条件下,c值均大于d值,表明流量对流速的影响程度要大于坡度对流速的影响程度。试验中,出现n值接近0.33的情况,故认为在一定的条件下阻力将不受坡度的影响。  (3)坡度为15°时,随底面粗糙度和植被覆盖率增加,坡面薄层水流阻力系数增加;雷诺数与达西阻力系数呈幂函数递减关系。坡面薄层流阻力系数与降雨强度呈负相关关系;降雨的“减阻”能力对下垫面光滑的试验组影响最为明显,而对其他试验组次影响相对较弱;随着雷诺数的增加,降雨对坡面薄层流阻力系数的影响下降。当坡度在3~12°时,植被覆盖条件下阻力系数与雷诺数的变化规律与植被覆盖率、坡面坡度、水流紊动强度等多种因素有关。植被覆盖率存在一定阈值,当植被覆盖率小于该阈值时,阻力系数随雷诺数增加而减小;当植被覆盖率大于该阈值时,阻力系数随雷诺数增加而增大。通过t检验,坡面流总阻力与颗粒阻力和形态阻力线性叠加结果差异显著,表明两种阻力线性叠加在坡面总阻力计算时的有限局性。
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