【摘 要】
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在坡面流研究中,植被覆盖下水流的运动特性一直是人们关注的焦点。植被的存在,改变了原有的水流结构,增大地表粗糙度,大大降低水流对土壤的侵蚀。在水流冲刷下,植被由于自身的柔韧性会发生倒伏现象,自然界中倒伏现象较为普遍,不仅存在于农田、河道,对坡面径流也有重大影响。为深入探索植被倒伏条件下水流结构的内在规律、揭示水土流失防治机理,开展坡面流倒伏植被水流特性的影响研究。本研究采用弯曲定型的刚性植被来模拟处
【基金项目】
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国家自然科学基金项目《考虑阻力作用的分布式坡面汇流多流向流量分配算法研究》编号:41471025;
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在坡面流研究中,植被覆盖下水流的运动特性一直是人们关注的焦点。植被的存在,改变了原有的水流结构,增大地表粗糙度,大大降低水流对土壤的侵蚀。在水流冲刷下,植被由于自身的柔韧性会发生倒伏现象,自然界中倒伏现象较为普遍,不仅存在于农田、河道,对坡面径流也有重大影响。为深入探索植被倒伏条件下水流结构的内在规律、揭示水土流失防治机理,开展坡面流倒伏植被水流特性的影响研究。本研究采用弯曲定型的刚性植被来模拟处于倒伏状态下的柔性植被,并设置7组固定坡度、5组倒伏角度以及3组茎秆直径进行室内明渠流模拟试验。在数据处理过程中,主要采取回归拟合法、列表差值法、图像比较等处理方法对倒伏角度、茎秆粗度、坡度三种因素与水流阻力、流态的关系进行研究。研究结果表明:(1)在固定坡度与植被茎秆直径的条件下,当植被处于同一水深时,Darcy-Weisbach阻力系数随水深的增大而减小,成明显的反比例关系,雷诺数与弗劳德数则随之而增大,成正比例关系。当植被处于同一倒伏程度时,Darcy-Weisbach阻力系数与水深的关系受植被淹没程度的控制,随水深的增大,雷诺数随之增大,而弗劳德数则减小;对于以上规律,通过回归拟合方法进行分析,根据拟合出的方程显示可知,Darcy-Weisbach阻力系数、雷诺数、弗劳德数与水深的关系较为简单,与倒伏角度的关系则成复杂的复合函数关系。(2)固定坡度与倒伏角度,在任一直径条件下都有随水深的增大,Darcy-Weisbach阻力系数先增大,之后逐渐趋于平缓,雷诺数随水深增大成线性增大趋势,弗劳德数则随之下降,最后趋于平缓。在同一水深条件下,Darcy-Weisbach阻力系数随直径的增大而增大,雷诺数与弗劳德数则随之减小。以上规律不仅存在于倒伏状态,在植被直立状态同样存在。根据列表差值量化分析得出:在直立状态下,当直径每增加1 mm,阻力系数就平均增长46.10%,雷诺数平均减小2.07%,弗劳德数平均减小9.96%;植被在倒伏状态下,直径每增加1 mm,阻力系数增大率为36.46%,雷诺数减小率为1.44%,弗劳德数减小率为 7.96%。(3)在任一坡度下,对于同一倒伏角度来说,随水深增大,Darcy-Weisbach阻力系数呈现先逐渐增大,之后减小的趋势,雷诺数成直线型增大,弗劳德数随之减小。且随坡度增大,不同倒伏角度下的Darcy-Weisbach阻力系数与水深的关系曲线出现聚拢现象,直至坡度为3.0%时曲线完全聚拢,雷诺数的增大率和弗劳德数的减小率都随之增加;当固定倒伏角度时,小水深下Darcy-Weisbach阻力系数与坡度成正相关,大水深下则成负相关。
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