坡面流在组合植被下的水力特性试验研究

摘要

植被是影响坡面流水力特性的重要因素，坡面中植被的存在会改变水流结构，增大动能损失，延缓水流的流速，进而影响坡面水流流态和水流阻力的变化规律及水流冲刷和输移泥沙的能力。在流域坡面中的植被，无论属于自然生长还是人工种植，都会因植被类型不同、生长状况差异等原因，使其茎杆粗度呈现明显的差异性即坡面植被是茎杆粗度不同的植被的组合，因此有必要研究茎杆粗度不同的组合植被对坡面流水力特性的影响，为精确模拟坡面产汇流过程、构建坡面土壤侵蚀预测模型提供理论支持。　　本文采用塑料圆柱吸管作为模拟植被，分别在9种植被组合类型(2mm&3mm、2mm&4mm、3mm&4mm、4mm&5mm、2mm&6mm、3mm&6mm、4mm&6mm、5mm&6mm、3mm&5mm)、5种底坡坡度(0.0%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%)及3种组合植被排列方式(横向排列、纵向排列、交错排列)下进行室内水槽试验，通过对试验数据的处理与分析，研究组合植被茎秆粗度、组合植被排列方式及底坡坡度对坡面流水力特性的影响规律。研究结果表明：　　(1)组合植被交错排列时，在同一水深下，保持其中一种植被茎秆粗度不变，随另一种植被茎秆粗度的增大，流速v、雷诺数Re、弗劳德数Fr皆逐渐减小，而达西-魏斯巴赫阻力系数f逐渐增大，沿程能量损失hf在水深h＜0.02m时无显著变化，在水深h≥0.02m时逐渐增大。　　(2)组合植被交错排列时，在同一水深下，雷诺数Re、弗劳德数Fr、达西-魏斯巴赫阻力系数f均与任一组合植被茎秆直径(D、d)均呈幂函数关系；在同一组合植被下，雷诺数Re、弗劳德数Fr、达西-魏斯巴赫阻力系数f均与水深h呈幂函数关系。　　(3)在同一水深、坡度下，三种组合植被排列方式对应的坡面流流速、雷诺数由大到小分别为：v纵向排列＞v横向排列＞v交错排列，Re纵向排列＞Re横向排列＞Re交错排列；当水深h＜0.05m时，三种组合植被排列方式对应的弗劳德数由大到小为：Fr纵向排列＞Fr横向排列＞Fr交错排列，当水深h≥0.05m时，三种组合植被排列方式对应的弗劳德数无显著差异；当水深范围为h＜0.03m时，三种组合植被排列方式对应的沿程能量损失由大到小为：hf纵向排列＞hf横向排列＞hf交错排列，水深范围为h≥0.03m时，组合植被排列方式对应的坡面流沿程能量损失无显著差异；三种组合植被排列方式下达西-魏斯巴赫阻力系数大小排序为：f交错排列＞f横向排列＞f纵向排列，此规律在0.02m≤h≤0.05m时较为显著。　　(4)组合植被交错排列时，在同一水深下，随着底坡坡度增大，坡面流流速v、沿程能量损失hf、雷诺数Re、弗劳德数Fr均逐渐增大。当坡度i＜1.0%时，坡度变化对的达西-魏斯巴赫阻力系数f无显著影响；当坡度i≥1.0%时，坡度变化对一定水深范围内的达西-魏斯巴赫阻力系数f有显著影响，且其影响的水深范围大小与坡度呈正相关。此外，在同一水深下，弗劳德数Fr、雷诺数Re均与底坡坡度i呈指数函数关系。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1植被茎秆粗度对坡面流水力特性影响研究

1.2.2植被排列方式对坡面流水力特性影响研究

1.2.3植被条件下底坡坡度对坡面流水力特性影响研究

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3 主要创新点

1.4 技术路线

2 试验设置

2.1 试验装置

2.1.1试验设备

2.1.2量测仪器

2.2 水力特性表征参数的选择

2.3 试验原理

2.4 试验设计

2.4.1茎秆粗度试验设计

2.4.2排列方式试验设计

2.4.3底坡坡度试验设计

3 组合植被茎秆粗度对坡面流水力特性影响研究

3.1 试验数据

3.2 组合植被茎秆粗度对坡面流水力特性影响规律

3.2.1茎秆粗度对流速的影响

3.2.2茎秆粗度对流态的影响

3.2.3茎秆粗度对能量损失的影响

3.2.3茎秆粗度对水流阻力影响

3.3 本章小结

4 组合植被排列方式对坡面流水力特性影响研究

4.1 试验数据

4.2 组合植被排列方式对坡面流水力特性影响规律

4.2.1不同排列方式下流速的变化规律

4.2.2不同植被排列方式下流态的变化规律

4.2.3不同植被排列方式下能量损失的变化规律

4.2.4不同植被排列方式下水流阻力的变化规律

4.3 本章小结

5 植被组合下底坡坡度对坡面流水力特性影响研究

5.1 试验数据

5.2 植被组合下底坡坡度对坡面流水力特性影响规律

5.2.1底坡坡度对流速的影响

5.2.2底坡坡度对流态的影响

5.2.3底坡坡度对能量损失的影响

5.2.4底坡坡度对坡面水流阻力的影响

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

作者简历

致谢

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