地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

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1、灌溉排水学报２０１５年７月第３４卷第７期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）０７－００８３－０５地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响施明新１，吴发启２，田国成２，张陆军３，王青４（１．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌７１２１００；２．西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌７１２１００；３．上海勘测设计研究院有限公司，上海２００４３４；４．西安黄河工程监理有限公司，西安７１００００）摘要：通过不同粗糙度床面薄层水流的定床试验，研究了坡面流平均流速、径流深、雷诺数、弗劳德数和阻力系数随粗糙度和流量的变化规律。结果

2、表明，地表粗糙度延缓了坡面流流速，并增大径流深，且粗糙度越大，其作用越明显；地表粗糙度的增加明显降低了坡面流的紊动性，水流流态由过渡流转变为层流，流型由急流变为缓流；随粗糙度的增加，阻力系数增大，径流沿程损失增大，从而削弱径流侵蚀力。关键词：粗糙度；坡面流；水动力学参数中图分类号：Ｓ１５７文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．０７．０１７施明新，吴发启，田国成，等．地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（７）：８３－８７．［１］坡面流是指由降雨形成、在重力作用下沿坡面运动的浅层水流。坡面流是造成坡面土壤及其母质

3、被［２］破坏、剥蚀、搬运和沉积的关键因素，自然坡面条件下坡面水流的运动规律及水动力学特性比较复杂。为了深入认识坡面流水动力学特征，国内外学者通过径流冲刷或人工模拟降雨试验做了大量研究工作，主要集［３］［４］［５］中在流态和阻力规律二方面。其中，关于水流流态，Ｈｏｒｔｏｎ认为坡面流处于一种混合状态，吴普特将［３］坡面流称为“搅动层流”，而张宽地等认为坡面薄层水流处于层流失稳区。坡面流阻力的影响因素众多，主要包括坡度、地表状况、含泥沙量和植被状况等；由于坡面流的复杂性和试验条件、方法等的差异，试验结果存在较大差异，水流阻力规律至今未达成一致。为此，采用室内径流冲刷试验，通过控制地表粗

4、糙度和上方来水量，排除降雨、植被、土壤和下垫面变化等因素的干扰，分析不同粗糙度对坡面流水动力学参数变化规律的影响，建立相关数学模型，为进一步研究坡面流水力特性奠定基础。１材料与方法１．１试验设计自然坡面条件下的薄层水流，多是动床非恒定沿程变量流，很难直接观测。因此，为了定量描述坡面流水力特性，设计定床阻力试验方案，具体如下：１）试验在８ｍｍ厚有机玻璃板制作而成的矩形试验水槽（长６ｍ，宽１ｍ，深０．３ｍ）内进行。为了重复试验，在纵坡面用有机玻璃板将其分隔成２个试验水槽（６ｍ×０．５ｍ×０．３ｍ）。水槽试验系统包括蓄水池、水泵、水平尺、玻璃转子流量计、消能池、稳流前池、试验水槽段、尾

5、门和循环水廊道等装置。２）试验在有机玻璃床面（ｄ＝０）和人工模拟粗糙床面下进行。人工模拟粗糙床面：首先，用震动筛对自然级配的砂粒进行筛分，使砂粒粒径分为０．５～１．２５、１．２５～２．５、２．５～５、５～１０ｍｍ；其次，在床面内壁均匀平整地涂上一层相当厚度的清漆；最后，将筛分的砂粒分别均匀地粘在床面上，形成不同的地表粗糙度（ｄ）。收稿日期：２０１４－０１－１０基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７１２８８）作者简介：施明新（１９９０－），男，江西德安人。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｍｉｎｇｘｉｎｓｍｘ＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：吴发启（１９５７－）

6、，男，陕西黄陵人。教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｆａｑｉ＠２６３．ｎｅｔ８３３）根据黄土高原经常侵蚀性降雨雨强的范围及径流情况，设计单宽流量（ｑ）为０．０４、０．０８、０．１２、０．１６、０．２０、０．２４Ｌ／（ｓ·ｍ），相当于雨强０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｍ／ｍｉｎ。冲刷试验场次设计采用粗糙度和流量的完全组合试验（５×６），重复１次，共６０场冲刷试验。４）按水流方向设４个观测断面，距离水槽进水口１ｍ处为第１个观测断面，依次为２，３，４观测断面，断面间距为１ｍ，观测段分别为１．０～２．０、２．０～３．０、３．０～４

7、．０、４．０～５．０ｍ。每个观测断面按横向左、中、右３个测点来测量水流流速和径流深。５）供水系统由蓄水池、水泵、玻璃转子流量计组成，通过调节玻璃转子流量计阀门控制流量。试验前后，率定流量计以保证实际流量与设计流量相符。１．２测定方法向试验水槽供水，调节流量计阀门，使供水流量达到设计流量，待水流稳定后开始试验。试验开始和结束时，记录稳流槽中水银温度计（精度为０．１℃），取其平均值作为该次试验的水温，以计算水动力粘滞系数。采用ＳＸ４０－１型水位测针测定径流深，精度为０．０１ｍｍ，取各