人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验.pdf

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1、第27卷第4期282011年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验张宽地1，一，王光谦3，王占礼2，刘俊娥2，吕宏兴1※(1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌712100；2．中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨陵712100；3．清华大学水利水电工程系，北京100084)摘要：为了探求坡面薄层水流水力特性，从流体力学与泥沙运动学观点出发，研究均匀粗糙尺度床面(人工加糙粒径为0．380mm)，5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水

2、力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0．33—0．43之间变化，水力关系可用流态指数综合反映；滚波流速随着流量增加逐渐增加，坡度对其影响较小；波长随着流量呈单驼峰形式变化，即先随流量的增加而增加，达到峰值后又减小，峰值对应的单宽流量为0．278L／(s·m)；滚波频率随流程的增加逐渐衰减，同时随着单宽流量的增加，平均衰减系数增大；试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0．64左右，紊流失稳临界弗劳德数在2．13左右。关键词：坡面水流，水力学特性，弗劳德数，流态，滚波流doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．04．006中图分类号：X

3、705文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)一04-0028—07张宽地，王光谦，王占礼，等．人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验[J]．农业工程学报，2011，27(4)：28—34．ZhangKuandi，WangGuangqian，WangZhanli，eta1．Experimentsonhydrauliccharacteristicsofrollwaveforsheetflow诵tllartificialroughbed明．Transactionsof也eCSAE，2011，27(4)：28—34．(inChinesewithEnglishabstr

4、act)0引言坡面流(overlandflow)系指降雨或融雪在扣除地面截留、填洼与下渗等损失后在重力作用下沿坡面表层流动的一种特殊水流，是坡面径流的起始阶段，有时也包括雨水在坡面上游下渗后，经过表层土壤，以壤中流(Interflow)的形式在坡面下游复而流出地面，再度形成的一种片状水流【l-2]。坡面流不同于一般的明渠水流，从水力学看，它是一种流向不稳定的薄层水流，其水深一般只有几毫米甚至为零点几毫米的浅水明流，沿程不断有质量源和动量源汇入，使其随时间和空间有较大的变化，且受坡度、雨强、地表状况多因素的影响，这些特点都造成了坡面流的研究工作难度较大。坡面薄层水流是土壤水蚀

5、过程的主要动力，搞清坡面薄层水流的水动力学特性是进一步研究侵蚀过程规律的基础。坡面流水动力学特性主要包括流态、阻力规律和平均流速，平均流速是阻力的另外一种表达形式，因此，关于坡面流水动力学特征主要集中在流态和阻力规律的研究。坡面水流的流态作为坡面薄层水流基本的水动力学特性，一直被视为研究中的热点问题之一，国内外众收稿日期：2010．10．18修订日期：201lm4．11基金项目：国家自然科学基金项目(41001159)，国家“973”计划课题(2007CIM07201)：高校博士点基金项目(20090204110019)。作者简介：张宽地(】978一)，男，宁夏隆德人，讲师

6、，博士生，主要从事水工水力学及坡面水流的研究。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：zhanglcuandi428@126．COl※通信作者：吕宏兴(1955一)，男，陕西陇县人，教授，博士生导师，主要从事水力学及河流动力学的教学与研究工作。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：Ivhongxing@tom．com多学者对坡面薄层水流的流态进行了大量的研究工作，提出了各种不同观点(如层流、伪层流、扰动层流、过渡流、紊流)[3-13]，但究竟处于哪个流区还是值得探究的问题。关于阻力规律，已有的研究多从传统水力学观点出发，

7、应用水力学中二元流雷诺数判断坡面薄层水流流态，得到了不管是水流处于层流区还是紊流区中，相同水流紊动强度(即Re相同)情况下，试验点均落在层流线与光滑过渡线以上，而且随着床面粗糙度如越大，阻力系数A越大。同样当雷诺数在层流范围的情况下，阻力系数与雷诺数的关系并非如尼库拉兹和蔡克士大所做试验那样表现出层流的特性(gO在进入层流区后阻力系数仅是一条与雷诺数相关的直线)12,5-7,13]，故对于坡面水流阻力规律的探讨虽有不少研究成果，但尚存疑颇多。近年来，坡面薄层水流特殊运动形式(滚波)日益受到土壤侵蚀界的关注，初步得到