坡面植被形态变化的水流阻力特性试验研究

摘要

坡面水流阻力是坡面流水动力特性的参数，是模拟坡面产汇流过程中重要指标，同时对防治坡面水力侵蚀、合理种植防护林和科学建设生态河流均有重要指导意义。植被是影响坡面水流阻力的重要因素，坡面往往存在各种类型和生长状态的植被，这些植被可以改变水流结构，增加动能损失，减缓水流的流速，进而影响坡面水流阻力的变化规律，因此研究植物对坡面水流阻力的作用是揭示坡面流水动力学规律的基础。由于含植物水流复杂多变的特性，仅从理论上分析不能准确掌握植被特性对坡面水流阻力的影响作用，因此要借助试验手段研究植物对坡面水流阻力的影响。目前的大部分模拟试验研究了含植物水流的特性变化，并对试验数据进行分析与内在规律总结，只得到一些定性结果或经验公式，为了更加精确植物对水流的作用，仍需要做进一步定量研究，以期可以得到普遍适用的定律与公式。本文通过室内定床冲刷试验，在变化的水深条件下，模拟研究了植物的不同偏转角和叶片面积在3种坡度（0.00％、0.50%、1.00%）下对水流阻力特性的影响，分析了雷诺数、沿程能量损失和水流阻力系数随平均水深和试验坡度的变化规律，进而揭示植物偏转角度和叶片面积变化对水流阻力特性影响的作用机理。
　　主要得出以下结论：
　　①植物在水流作用下发生偏转，可以增大水流粘滞力，减小水流惯性力，使水流结构更加平稳，减小水流的能量损失与阻力。植物偏转角对雷诺数影响很小，沿程能量损失和Darcy-Weisbach系数都随植物偏转角增大而减小；建立含植物偏转角的Darcy-Weisbach系数计算公式，并用实测数据对该公式进行验证，发现该公式对模拟不同偏转角条件下的水流阻力系数适用性良好。
　　②植物叶片是水流阻力的主要来源，植物叶片面积的增大使水流粘滞力增大，惯性力减小，水流紊动状态减轻。雷诺数随植物叶片面积增大而减小，水流沿程能量损失和Darcy-Weisbach系数随植物叶片面积增大而增大，且随着叶片面积的增大，沿程能量损失和水流阻力系数增大的幅度减小；建立含植物叶片面积的Darcy-Weisbach系数计算公式，通过对实测数据的分析，该公式同样适用于植物不同叶片面积条件下Darcy-Weisbach系数的计算。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2植物对坡面流阻力作用研究进展

1.2.1刚性植被对水流阻力研究进展

1.2.2柔性植被对水流阻力的研究进展

1.3研究目标及研究内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线图

2试验设置

2.1试验装置

2.1.1试验设备

2.1.2模拟植物

2.1.3量测仪器

2.2试验原理

2.2.1雷诺数

2.2.2沿程水流能量损失

2.2.3水流阻力系数

2.3试验方法

2.3.1植物偏转角试验

2.3.2植物叶片面积试验

3植株偏转角的水流阻力特性试验研究

3.1试验数据

3.2试验结果分析

3.2.1偏转角对雷诺数的影响

3.2.2偏转角对沿程能量损失的影响

3.2.3偏转角对水流阻力系数的影响

3.3试验结论

4植株叶片面积的水流阻力特性试验研究

4.1试验数据

4.2试验结果分析

4.2.1叶片面积对雷诺数的影响

4.2.2叶片面积对沿程能量损失的影响

4.2.3叶片面积对水流阻力系数的影响

4.3试验结论

5结论

参考文献

附录

硕士在读期间参加科研项目与发表论文

致谢