坡面薄層水流水力特性試驗(yàn)研究

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1、坡面薄層水流水力特性試驗(yàn)研究摘要：為了解坡面薄層水流在坡度、單寬流量及水流流床等外界條件發(fā)生變化時(shí)，其水流水動(dòng)力特證參數(shù)的變化規(guī)律，從水力學(xué)的加度出發(fā),在室內(nèi)開展阻力試驗(yàn)，分別對(duì)3。、6。、9。、12°、15°等5種不同坡度、不同級(jí)配人工沙粒鋪設(shè)的粗糙床面展開水流水力學(xué)試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)得出的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步探明了坡面水流流態(tài)為過渡流區(qū)的延伸，得出坡面薄層水流阻力系數(shù)、雷諾數(shù)、佛汝德數(shù)與單寬流量的變化規(guī)律及相互之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞：坡面流；流態(tài)；雷諾數(shù)；佛汝德數(shù)中圖分類號(hào)：TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0439

2、-8114(2013)22-5455-04坡面水流主耍指的是大氣降水或冰山融雪后產(chǎn)生的水流在自身重力的作用下沿著坡面向下運(yùn)動(dòng)的薄層水流，是形成河道水流的主要部分，有時(shí)也稱為片流或漫流。坡面水流的流態(tài)和徑流常被用來表示薄層坡面水流的動(dòng)力學(xué)特征［1］。由于坡面水流的流態(tài)歸屬于坡面薄層水流的研究領(lǐng)域,因此與土壤、植被壞境、降雨及其沖刷的坡溝細(xì)度、密度等參數(shù)有著十分密切的關(guān)系［2-4］,其中的相關(guān)參數(shù)不同會(huì)使得坡面薄層水流的流態(tài)發(fā)生較大改變。一些研究人員認(rèn)為坡面地表的徑流既是地表徑流的匯集演進(jìn)過程，也決定坡面土壤侵蝕發(fā)生的過程和侵

3、蝕量［5］。當(dāng)水流侵蝕能力超過土壤抗蝕性后就可能發(fā)生跌坎并產(chǎn)生細(xì)溝，形成坡面細(xì)溝流，最終可出現(xiàn)淺溝和切溝流［6］。坡面薄層水流所流過的土壤表面的粗糙度對(duì)坡面水流流態(tài)變化也會(huì)冇所影響，且這種影響引起的水流動(dòng)力學(xué)相關(guān)的特征變化也比較明顯?，F(xiàn)在也用糙率表征水流床面的粗糙度，它也是坡面水流水動(dòng)力學(xué)特性的直接影響因素，糙率又稱為有效糙率［7,8］o當(dāng)前大部分研究是針對(duì)坡面水流在沒有植被覆蓋的裸土表面上展開［3］,隨著坡面粗糙程度不同引起的水流水力學(xué)特性的研究相對(duì)較少。很多研究者認(rèn)為粗糙床面主要是通過增加水流流過的阻力使得包含薄面水流

4、的近壁水流流區(qū)發(fā)生變化［9］。本研究通過對(duì)不同粗糙流床展開試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出粗糙度不同的土壤坡面水流的水流特性，以期為坡面水流的侵蝕研究以及坡面水流水動(dòng)力學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)。1試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)際中坡面上的水流人多數(shù)是流床發(fā)生變化的非恒定水流，其流動(dòng)過程中的有關(guān)流態(tài)參數(shù)也不斷發(fā)生變化，要直接進(jìn)行比較全面的觀測(cè)非常困難，因此可以對(duì)其進(jìn)行定量描述。本試驗(yàn)將坡面薄層水流看作二維水流，采用專門的坡面流設(shè)計(jì)定床阻力試驗(yàn)，沿水力方向設(shè)置5個(gè)觀測(cè)斷面，對(duì)水深和流速進(jìn)行觀測(cè)記錄。1）試驗(yàn)用的水槽為5nmi厚的有機(jī)玻璃

5、制作，長(zhǎng)600cm,寬60cm,深20cm,其底板的坡度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，變化范圍在0。?15。。在供水箱設(shè)置閥門和試驗(yàn)水杷連接，加上自來水的閥門，共設(shè)置5個(gè)調(diào)流閥門，穩(wěn)流板2道，讓水流比較平緩地流進(jìn)試驗(yàn)水槽。考慮到薄面水流的水力學(xué)特性受邊界條件影響較大，為使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為精確，需要對(duì)出口的流速進(jìn)行控制，保證水流平緩穩(wěn)定，因此在出口水箱中設(shè)置穩(wěn)流板和溢流板。2）為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在人工粗糙流床進(jìn)行，選取坡度為3°、6。、9。、12°、15°[10],同時(shí)在流床底部用油漆黏上自然級(jí)配粒徑均勻的沙粒，形成沙粒糙度。3）由于研

6、究坡面薄層水流的主要應(yīng)用是為水土流失提供理論支持，因此流量不應(yīng)該超出實(shí)際降雨量的范疇。為了能達(dá)到試驗(yàn)的要求，試驗(yàn)水流的單寬流量分別設(shè)置為5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、20.0、25.0、30.0、40.0>60.0>90.0L/mino4）鑒于進(jìn)行試驗(yàn)的水杷中的水流比較深，使得水流的水動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)很容易因?yàn)橥饨鐥l件的變化而發(fā)生變化，因此在試驗(yàn)水槽的制作以及后期的安放等壞節(jié)的質(zhì)量都做出了相對(duì)比較規(guī)范的操作要求，主要是為了保證所有的試驗(yàn)材料為整體裝置，避免接縫對(duì)水流的干擾，使床面均勻平滑，無明顯局部擾動(dòng)產(chǎn)生。

7、1.2測(cè)定方法在試驗(yàn)過程中，要在水槽的坡面水流達(dá)到平穩(wěn)后反復(fù)準(zhǔn)確地測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的單寬流量、流速、水深，同時(shí)注意氣泡對(duì)試驗(yàn)的影響。在試驗(yàn)屮,用染色劑法[11]分別在水槽進(jìn)口1m以下和水槽末端0.3?5.0m的位置觀測(cè)流速，水深測(cè)量在粗糙床面采用自上而下的方法，水深計(jì)算方法見公式（l）o式（1）中，h為實(shí)際中采用的有效水深（rrnn）；IP是測(cè)針的讀數(shù)（mm）；HO是試驗(yàn)采用的有機(jī)玻璃的厚度，本研究定位為5mmo本研究屮量測(cè)流速采用染色劑法，測(cè)定的區(qū)域位于距水槽末端0.6m以上的2.0-3.0m范圍以內(nèi)；水層較深02.0cm

8、）時(shí)采用染色劑法，即在測(cè)定時(shí)將KMnO4溶液用塑料管注入水流中，記錄染色水流流經(jīng)測(cè)定區(qū)域所用的時(shí)間，再用測(cè)定區(qū)域長(zhǎng)度除以時(shí)間即得水流表面速度［11,12］。水深使用精度為0.01mm的重慶水文儀器制造廠生產(chǎn)的SX40-1型水位測(cè)針測(cè)定。2結(jié)果與分析2.1水流的平均流速通常，謝才公式用來表征水流的層流，而