变坡度变雨强下坡面流阻力特性时空分布研究

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坡面流是形成河道水流的主要组成部分,也是土壤侵蚀及泥沙输移的重要动力。研究坡面流,无论是对丰富和完善水力学理论,还是解决水土侵蚀等工程问题,都具有重要意义。为研究坡面薄层水流阻力规律,以室内人工降雨试验数据为基础,通过基于物理概念的分布式水文数值模型试验,在大坡度范围(5°-55°)和大雨强范围(30mm/h-240mm/h)内,虚拟150种工况,以Darcy-Weisbach阻力系数f为研究对象,定量的研究了阻力系数的时空分布规律,分析了雨强和坡度对阻力系数的影响以及阻力系数和雷诺数的关系,并从流速、水深、粘性底层厚度和能量的角度分析了原因。最后对数值模拟试验结果进行回归分析,得到了考虑坡面点的空间位置的阻力系数公式。研究显示:在坡度和雨强一定的前提下,在时间上,坡面流阻力系数呈减小趋势,最终趋于平稳,在空间上,向下游出口处,阻力系数沿程递减;阻力系数受雨强影响显著,在一定坡度下,雨强越大,阻力系数越小,阻力系数与雨强呈指数为负的函数关系;在一定雨强下,阻力系数与坡度基本呈正相关关系,且雨强越大,坡度对阻力系数的影响越弱;f-Re呈负相关关系。粘性底层厚度随坡度和雨强的增大而减小,总能量随雨强的增大显著增加,这是上述阻力系数变化规律的本质原因。本研究的创新点为:1)采用人工降雨物理模型试验数据和InHM分布式水文数值模型试验相结合的方法,实现了超大陡坡下的阻力特性研究,研究坡度最大可达55°;2)实现了定量的全坡面上阻力系数时空分布式研究。
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