不同宽度条件下坡面流水动力学特性研究

发布时间：2020-09-04 08:52

　　水力侵蚀是土壤侵蚀中危害非常严重的一种侵蚀方式,坡面流是水力侵蚀的主要动力来源,研究坡面水流水动力学特性进而揭示土壤侵蚀动力的来源与机制,对研究土壤侵蚀动力有非常重要的作用。本研究运用室内放水冲刷法,研究不同宽度条件下坡面流水动力学特性及不同宽度条件对崩岗土体水流分离能力的影响,试验设计两个不同床面(光滑与粗糙床面),三个坡面长度(3,6,9 m),三个冲刷槽宽度(用槽宽表示)(10,20,30 cm)和五个单宽流量(用q表示)(0.02,0.04,0.06,0.08,0.1 m~2/min)。结果表明:(1)在光滑床面上,伴随q的递增,流速、坡面水流深度、雷诺数(用Re表示)、侵蚀动力学参数均表现为增大趋势;阻力系数、曼宁粗糙系数呈缩小趋势;弗劳德数(用Fr表示)在各个坡面上情况不同。在q为0.02 m~2/min,流速、Fr、阻力系数、曼宁粗糙系数、单位水流功率、断面单位能量、水流剪切力与水流功率受到槽宽的影响较明显;当q为0.04,0.08 m~2/min,坡面流水深、Re受到槽宽的影响极为明显。在其他流量下槽宽对水动力参数的影响不明显。q与阻力系数、曼宁粗糙系数表现为极显著负相关(P0.01),与其他水力学参数及各侵蚀动力学参数表现为极显著正相关(P0.01)。坡面长度与水流深度、Re、水流剪切力、水流功率表现为极显著正相关(P0.01),与曼宁粗糙系数表现为显著正相关(P0.01)。槽宽与水深、阻力系数、曼宁粗糙系数、水流剪切力、水流功率表现为极显著正相关(P0.01),与Re表现为显著正相关(P0.05)。(2)在粗糙床面上,伴随q的持续增加,坡面水流深度、流速、Re、侵蚀动力学参数均表现为增大趋势;阻力系数表现为逐渐缩小趋势;Fr、曼宁系数随流量的变化和其他水动力学参数不同。在q为0.02 m~2/min,流速、水深、Fr、阻力系数、曼宁粗糙系数、单位水流功率和断面单位能量受到槽宽的影响较明显;当q为0.04m~2/min,单位水流功率和断面单位能量受到槽宽的影响较明显;在q为0.08 m~2/min,水深、Re受到槽宽的影响较明显;其他流量下水动力参数受到槽宽的影响不明显。q和阻力系数、曼宁粗糙系数表现为极显著负相关(P0.01),和其他水动力学参数、侵蚀动力学参数表现为极显著正相关,坡面长度和曼宁粗糙系数、阻力系数表现为显著负相关(P0.05)。槽宽和阻力系数表现为极显著正相关,和水深、水流剪切力表现为显著正相关。(3)光滑床面下(Cr=0)水流分离能力远大于粗糙床面下水流分离能力(Cr=3.51),光滑床面上的侵蚀泥沙量变化程度较粗糙床面变化剧烈。不同粗糙床面下槽宽对水流分离能力的影响较光滑床面下影响更为明显;不同床面下各单宽流量条件的水流分离能力均具有显著性差异,不同床面上各槽宽下水流分离能力均不具有显著性差异。下垫面性质显著影响坡面流水流分离能力。
【学位单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S157.1
【部分图文】：

试验装置图,试验装置,冲刷槽

不同宽度条件下坡面流水动力学特性研究第二章材料与方法2.1 试验装置本试验于 2018 年 8 月-12 月在福建省金山水土保持科教园径流小区进行。设计两个不同床面（光滑与粗糙床面），三个坡面长度（3，6，9 m），三个冲刷槽宽度（10，20，30 cm）和五个单宽流量（0.02，0.04，0.06，0.08，0.1m2/min），水槽深度为 0.05 m。试验用冲刷槽上方分别设计对应宽度溢流槽，保证试验用水均匀平稳从水箱中流出。本试验中采用蠕动泵进行流量控制，蠕动泵产自河北保定兰格恒流泵有限公司，型号为 WT600-4F-C，其可调整误差在20 mL/min。实验装置图见图 2-1、2-2。

冲刷槽,试验设计,试验过程,宽度

图 2-2 不同宽度冲刷槽2 试验设计与试验过程1）不同宽度条件下坡面流水动力学特性的试验设计与过程水流流动受水槽边界的影响，具体包括过水断面的形状、面积、湿周及半径等。通过蠕动泵控制流量，进行室内人工放水冲刷试验，冲刷槽试验坡度为 15°。该试验中设计两种不同粗糙程度的床面，分别为塑料膜（光床面以及塑料格网粗糙床面（Cr=3.51），粗糙床面粗糙度运用链条法原理。两种不同粗糙程度的床面形成的过程为：首先将塑料膜按照所需长度与裁剪好，使用双面胶并结合 520 胶水将塑料膜均匀粘贴在水槽上，形成光面。之后将塑料格网通过胶水和凤尾夹均匀固定在光滑床面上，形成粗糙。试验设定三个坡面长度（3，6，9 m），三个冲刷槽宽度（10，20，30 c五个单宽流量为（0.02，0.04，0.06，0.08，0.1 m2/min）。该部分试验均设重复，共计进行试验 270 场。试验开始前，使用蠕动泵对试验流量进行校正，用温度计对水温进行测

水分分布,粗糙程度,土样

图 2-3 两种不同粗糙程度床面（2）不同宽度条件下崩岗土体坡面流水流分离能力的试验设计与过程试验前将采集土壤进行自然风干后过 5 mm 筛，去除土壤中所含杂物。之后将其含水率控制为 18%，密封 48 h 等待其水分分布均匀，将处理好的土样按照设定容重（1.40 g/cm3）分层均匀填入底部有若干小孔（直径为 10 cm）的圆形土样盒中，之后将土样吸水 24 h 后待用。试验开始前，将饱和土样静置 1 h去除重力水，将土样盒放入土样室，保持土样表面与水槽底部保持相同高度。试验坡度为 15°，坡面长度为 3 m，设定三个水槽宽度（10，20，30 cm）。结合冲刷槽宽度设定五个单宽流量（0.02，0.04，0.06，0.08，0.1 m2/min）。该部分试验均设置 3 个重复，共计进行试验 45 场。

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