变坡度变雨强下坡面流阻力特性时空分布研究

摘要

坡面流是形成河道水流的主要组成部分，也是土壤侵蚀及泥沙输移的重要动力。研究坡面流，无论是对丰富和完善水力学理论，还是解决水土侵蚀等工程问题，都具有重要意义。为研究坡面薄层水流阻力规律，以室内人工降雨试验数据为基础，通过基于物理概念的分布式水文数值模型试验，在大坡度范围(5°-55°)和大雨强范围（30mm/h-240mm/h）内，虚拟150种工况，以Darcy-Weisbach阻力系数f为研究对象，定量的研究了阻力系数的时空分布规律，分析了雨强和坡度对阻力系数的影响以及阻力系数和雷诺数的关系，并从流速、水深、粘性底层厚度和能量的角度分析了原因。最后对数值模拟试验结果进行回归分析，得到了考虑坡面点的空间位置的阻力系数公式。研究显示:在坡度和雨强一定的前提下，在时间上，坡面流阻力系数呈减小趋势，最终趋于平稳，在空间上，向下游出口处，阻力系数沿程递减;阻力系数受雨强影响显著，在一定坡度下，雨强越大，阻力系数越小，阻力系数与雨强呈指数为负的函数关系;在一定雨强下，阻力系数与坡度基本呈正相关关系，且雨强越大，坡度对阻力系数的影响越弱;f-Re呈负相关关系。粘性底层厚度随坡度和雨强的增大而减小，总能量随雨强的增大显著增加，这是上述阻力系数变化规律的本质原因。
　　本研究的创新点为:1）采用人工降雨物理模型试验数据和InHM分布式水文数值模型试验相结合的方法，实现了超大陡坡下的阻力特性研究，研究坡度最大可达55°;2）实现了定量的全坡面上阻力系数时空分布式研究。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．2 国内外研究进展

1．2．1 坡面流实测技术

1．2．2 坡面流阻力特性规律的研究

1．3 存在问题与不足

1．4 研究内容和方法

1．4．1 研究目标和内容

1．4．2 技术路线

2 试验方法

2．1 室内人工降雨土槽试验

2．1．1 试验装置

2．1．2 土壤参数

2．1．3 室内人工降雨工况设置

2．1．4 室内人工降雨试验的数据处理与分析

2．2 InHM数值模型试验

2．2．1 INHM模型概述

2．2．2 模型参数率定与验证

2．2．3 虚拟工况设计

2．2．4 INHM数值模型试验的数据处理与分析

3 坡面流阻力特性时空分布规律

3．1 坡面流阻力特性时间分布规律

3．2 坡面流阻力特性空间分布规律

4 坡度和雨强对坡面流阻力特性的影响

4．1 阻力系数与坡度及雨强的关系

4．2 坡度和雨强对流速、水深的影响

4．3 坡度和雨强对粘性底层厚度的影响

4．4 阻力系数与雷诺数的关系

5 沿程分布式坡面流阻力系数公式

5．1 多元回归沿程阻力系数公式

5．2 与其他公式的对比分析

6 结论与讨论

6．2 讨论

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间学术成果

硕士期间参与科研项目