薄層水流速度、彌散系數(shù)與泥沙含量關(guān)系的初步探討

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1、第18卷第2期水土保持學(xué)報(bào)Vol.18No.22004年4月JournalofSoilandWaterConservationApr.,2004薄層水流速度、彌散系數(shù)與泥沙含量關(guān)系的初步探討X1,32,33夏衛(wèi)生,雷廷武,趙　軍(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410081;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,北京100083;3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所重點(diǎn)室,陜西楊陵712100)摘要:利用坡面薄層水流的電解質(zhì)脈沖數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了不同坡度和含沙量下的電解質(zhì)彌散系數(shù),發(fā)現(xiàn)在泥沙含量較低時(shí)

2、,彌散系數(shù)與水流速度有較好的線性相關(guān)性,但泥沙含量較高時(shí),泥沙含量對(duì)彌散系數(shù)作用更加強(qiáng)烈,彌散系數(shù)與速度的相關(guān)性較差,說(shuō)明彌散系數(shù)受泥沙含量和水流速度影響,但三者的關(guān)系函數(shù)有待于進(jìn)一步探討。關(guān)鍵詞:坡面水流;　電解質(zhì)脈沖;　彌散系數(shù)中圖分類號(hào):152.7　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　　　文章編號(hào):100922242(2004)0220078202ElementaryStudyonRelationshipofVelocityandDispersionCoefficientandSedimentConcentrat

3、ionofLaminarFlow1,323XIAWei2sheng,LEITing2wu,ZHAOJun(1.CollegeofResourceandEnvironmentScience,HunanNormalUniversity,Changsha,Hunan410081;2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversiyt,Beijing100083;3.InstituteofSoilandWaterCon

4、servation,ChineseAcademyofScienceandMinistryofWaterResources,Yangling712100)Abstract:Thedispersioncoefficientsofelectrolytesoluteinflowofdifferentslopeandsedimentconcentrationarecalculatedusingthemathematicalmodelofelectrolytepulsetransferringinlaminarfl

5、ow.Thedispersioncoefficientislinerrelatedtothevelocityofflowwhenthesedimentconcentrationisrelativelylow;Thesedimentconcentrationishigh,itaffectsinten2sivelythedispersioncoefficient,andmaketheirlinerrelationshipbad.Theseresultsshowsthattherelationbetweend

6、isper2sioncoefficientandsedimentconcentrationandvelocitydeservestomorediscuss.Keywords:slopeflow;electrolytepulse;dispersioncoefficient在坡面土壤侵蝕過(guò)程中,徑流中的水流速度和泥沙含量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,水流速度與流量或水流深[1～4]度決定了徑流的剝蝕能力和挾沙能力,從而使坡面徑流的泥沙處于動(dòng)態(tài)平衡,當(dāng)坡面表面徑流為漫流形態(tài)時(shí),水流一般為層流,在細(xì)溝發(fā)育時(shí)水流大多為過(guò)

7、渡流或偽層流(坡度<30°),在坡度>30°時(shí),表現(xiàn)為紊流,同時(shí)水流形態(tài)還與流量有關(guān)。溶質(zhì)運(yùn)移理論表明,水流中的溶質(zhì)彌散與流速和流體的密度有關(guān)。在坡面土壤侵蝕中,坡面水流密度與泥沙含量成正比。水流中溶質(zhì)的水動(dòng)力彌散系數(shù)分為分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散,分子擴(kuò)散在坡面水流中相對(duì)于機(jī)械彌散是可以忽略不計(jì)的,而土壤水、地下水和明渠的溶質(zhì)運(yùn)移研究表明,機(jī)械彌散系數(shù)可[5～8]能是水流速度與泥沙含量的函數(shù)。如果能確定函數(shù)的有關(guān)系數(shù),就有可能在測(cè)量水流速度的同時(shí)確定測(cè)量距離內(nèi)的平均含沙量。因此本研究將對(duì)坡面中鹽液的彌散系數(shù)與

8、泥沙含量和水流速度的關(guān)系進(jìn)行初步研究,為動(dòng)態(tài)測(cè)量徑流中的泥沙含量提供有益的參考。1　坡面徑流中溶質(zhì)遷移的數(shù)學(xué)模型根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移理論,鹽液濃度的控制方程為:5C5C55C+u=DH(1)5t5x5x5x　　在加溶質(zhì)(如鹽溶液)時(shí)如果時(shí)間較短,可以認(rèn)為是一個(gè)電解質(zhì)脈沖。由此可得邊界條件為:C(0,t)=C0δ(t);C(∞,t)=0;C(x,0)=0,其中,C為水流中的溶質(zhì)濃度,若用電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)為溶質(zhì)(電解液)的遷移2強(qiáng)度(V),是x和t的函數(shù);