阻力形式对坡面流流速修正系数的影响.docx

1、doi；10.6041/j.issn.1000-1298.2013.10.021阻力形式对坡面流流速修正系数的影响*赵春红'高建恩很王飞I张通3张梦杰I(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西物凌712100)摘要：坡面流平均流速是建立坡面土壤侵蚀过程模型的基础参数，主要通过示踪法测定的水流表层流速乘以修正系数a获得，因此对a的合理取值是准确计算平均流速的关键。在收集和整理前人试莪资料的基础上，利用室内水槽冲刷试验，研究了不同阻力形式(颗粒阻力、输沙阻力、植被阻力)对

2、坡面流流速修正系数的影响。结果表明：坡面流流速修正系数随颗粒阻力、输沙阻力增加而减小,随植被阻力增加而增大，两者均可用薜廉数表示；不同阻力形式主要通过改变坡面流流速分布影响流速修正系数，颗粒阻力和输沙阻力主要使流速梯度变大，而植被阻力主要使流速梯度变小。利用逐步回归分析给出了多种阻力形式作用下流速修正系数的预测公式.与实测值对比，吻合较好。关键词：坡面流阻力形式流速修正系数示踪法预测中图分类号：P333.4文献标识码：A文章编号：1000-1298(2013)10)1304)6EffectsofResistanceFormsonVelocityCorrectionFactorofOverlan

3、dFlowZhaoChunhong1GaoJian,en1,2WangFei'ZhangTong3ZhangMengjie1(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChinaAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China3.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,N

4、orthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)Abstract：Meanflowvelocityisoneofthemostimportanthydraulicvariablesinsoilerosionmodeling,whichisnormallyestimatedbymultiplyingsurfacevelocityofflowwithacorrectionfactor(a).Soareasonableavalueisimperativeforpreciseestimationofmeanflowvelocity.Thee

5、ffectsofgrainresistance,transportresistanceandvegetationresistanceoncorrectionfactorawereinvestigatedthroughindoorscouringexperimentonthebasisofthedatasetscollectingfromtheliterature.Theresultsshowedthatadecreasedasgrainresistance,transportresistanceincreasedandincreasedasvegetationresistanceincreas

6、ed.Theeffectsofdifferentresistanceformsonaweremainlyachievedbychangingthevelocityprofileofoverlandflow.Thegrainresistanceandtransportresistancemadethevelocityprofilessteeper,whilethevegetationresistancemadethevelocityprofilesgentler.Thepredictionequationofaundervariousformsofresistancewasproposedbyu

7、singstepwiseregressionanalysisandthepredictedvaluesagreedwellwiththemeasuredones.Keywords：OverlandflowResistanceformVelocitycorrectionfactorTracingtechniquePrediction引言坡面流平均流速是坡面土壤侵蚀模型中最重要的水动力学参数之一，旦是计算其他水动力参数的基础，直接关系到坡面水蚀的土壤分离、泥沙输移和沉积过程，历来受到各国学者的重视。目前，测量坡面流流速的方法主要有示踪法(染色剂、盐溶液和流危法等，还有一些以光学为基础并结合收稿日期

8、：2013-04-03修回日期：2013-05-09“卜二五”国家科技支撵汁划资助项目(2O11BAD31BO5)和国家科技更大专项资助项目(2009ZX07212-002-003-002)作者简介：赵春红.博土生，主要从事上壤侵蚀与坡面流水动力学研究.E-mail：xhaochunhongl987通讯作者：成也恩.研究员.博士牛导师.主要从华水土资源高效利用与保育研究,E-mail：woiianen自动化量测技术的方法，如热成像流速仪、Doppler流速仪等，但这些桁密仪器不仅价格昂贵、维护费用高，而IL对使用条件要求严格，多用于清水F1水深较大的水流'。因此，示踪法仍是野外及室内研

9、究土壤侵蚀时测ht坡面流流速最常用的方法。但示踪法测依的流速是坡面流表层流速，要:获得平均流速就需要对示踪法测ht的流速进行修正，即流速修正系数。它表示坡面流平均流速与表层流速的比值。国内外许多学者对a的取值和影响因索进行了相关研究A。然而，不同研究者给出的a值差异很大，这对a的合理取值造成了很大的困难。不同试验条件F坡面流承受的阻力形式不同是造成a值差异大的一个重要原因，H前专门进行这方面的研究很少。本文在收集和整理以往研究资料的基础上，利用室内水槽冲刷试验，研究不同阻力形式，即颗粒阻力、输沙阻力和植被阻力对坡面流流速修正系数a的影响，并给出多种阻力形式作用下的a值预测公式，以期为揭示阻力特

10、征对坡面流示踪法流速修1E系数的影响机理和平均流速的准确计算提供理论支撑。1材料与方法根据本文的研究内容，所需数据资料主要通过两种方式获得。颗粒阻力和输沙阻力对流速修正系数a值的影响主要通过收集、整理和分析以往的试验资料完成，而植被阻力对。值的影响由于目前研究较少，其数据资料主要通过专门的试我获得。在收集和整理以往试验数据时，为消除坡度、床而变形、水流型态等因素对结果造成的影响，所选择的数据均满足一定条件，11体要求见下文分析。收集数据基本概况如表I所示。表1收集数据及试验敷据概况Tab.1Overviewofliteraturedatasetsandexperimentaldata资料来源中

11、伉粒样d/mm坡度7/(°)箪宽流Vg/m:'1水深A/mm念沙质S/kg-m''IE诺数Re修lE系数affift文献80.4,0.671.2(1.00-6.00)xI0*50.84-1.33026-1020.56-0.618文献90.7(0.13-1.46)xl0-J2.37-5.790295-31880.330.8671文献II0.285-20(0.66-5.26)xIO"51.88-6.360100032050000.23-0.7842文献130.742.7(0.64-1.44)xIO'J4.507.000-40i60

12、0-35000.64-0.8015本丈0.0129(1.00-3.00)xIO”2.8210.540-150780-38000.340.861201.1试验材料及测定方法利用室内水槽放水试验专门研究了植被阻力对。的影响，试验在中科院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与V地农业国家重点实验室人工.降雨大厅进行。试验水槽K8.0m,宽0.5m,槽壁为有机玻璃板，槽底为铝划板。共设轮4种不同下垫面，其中3种为人工加槌坡面，设有大尺度糙度源,用来模拟植被阻力对水流的影响，另外一种为光滑坡面，作为对照坡面(图Do人工加糙坡面就是分别利用3种不同管径的PVC管材来模拟地表不同植被茎，管材直径D分别为2.

13、0、3.2和4.0cm。将不同直径的PVC管材截成K度为20cm的短管作为不同的植被槌度单元，保证每种糙度单元都能突出水面。利用同等直径的打孔器在槽底打出排列均匀的孔，然后用PVC管材专用胶将与孔同等K径的槌度源粘于床面，并保证床面不发生漏水现象。植被糙度源在床面上呈梅花形排列,排列密度为136个/m4种下垫面的糙度源覆盖度在00.17之间变化。为充分模拟野外实际坡而流，水槽上方来水为含沙水流，水流通过浑水输送装置供应。试验用沙图14抻不同卜垫面Fig.1Fourunderlayingsurfaces(a)光滑坡而(b)/>=2.0ctn(c)/>=3.2cm(d)I)=4.0cm

14、为黄土高原典型的武功黄土，中伉粒径0.012mm.P密度2.6g/cm5o试验坡度为9。,放水流ht分别为5x10'、7.5x101.0x101.25x10和1.5xIO-5m'/s(即单宽流量q分别为1.()x101.5xl0-2.0x102.5x10”和3.0x10-5m2/s),含沙最S分别为0、30、60、90、120、150kg/n。试验采用完全组合，共进行120组试验。每次试验开始前，首先率定流量,保证每次流量均在设计数值允许范围内。待坡面水流稳定后，开始测定水流表层流速及深度。沿水槽纵向将坡面每隔1m分成8等分，从坡顶自上而下依次选择34、45、56、67和78m

15、5个断面作为观测断面，每个观测断面沿横向每隔10cm平分成5等分4个测点。表层流速采用染色示踪法测定，3次重复。水深采用重庆水文仪器厂生产的数显测针测定，测定精度为0.01mmo测定位置选择在沿水槽从上到下3.5、4.5、5.5、6.5和7.5m处，仍重复3次。多次测量数据的平均值作为表层流速、水深测量:值。试验过程中，每2min收集一次径流泥沙过程样，并利用温度计测定水流的温度来计算水流粘滞系数。试验结束后，量取浑水水样体积，并静止水样5h,把水样上部的清水倒掉，剩下的沙样放入干燥箱干燥后称最，以水槽出口处实测含沙站为水流实际含沙浓度。试验历时15min左右。1.2数据分析流速修正系数计算式

16、为a=v/v,(1)其中v=q/h(2)式中妙,示踪法测定的坡面流表层流速，m/sv坡面流平均流速，m/sh水深,m根据Hirsch等mF】的研究结果，坡面流植被阻力主要与植被糙度源覆盖度C和分布密度e两个参数有关。糙度源覆盖度C为单位面积床面上糙度源的垂直投影面积；糙度源分布密度e为单位面积床面上糙度源的等效分布密度，为无量纲参数，两个参数的计算公式分别为C=NA'/A(3)e=NAn/A(4)式中4床面面积,n?N床面面积4范围内糙度源数目A'单个糙度源在床面上的投影面积,a/4一糙度源与水流垂直方向迎水面的投影面积，m，含沙水流雷诺数处计算式为式中浑水运动粘滞系数,m2/

17、s根据试验泥沙情况，、选用沙玉清公式计算Um=气(6)1"应其中v=0.01775/(1+0.0337/+0.000221?)(7)式中v清水运动粘滞系数,m2/sSr体积含沙址，&泥沙中值粒径，mmI水温，T水流阻力系数/计算式为了曹(8)V式中g重力加速度，取9.8m/s2J水流能坡，采用坡面比降近似代替试验数据统计情况如表1所示。2结果与分析2.1颗粒阻力对流速修正系数的影响颗粒阻力是指由高度小于10倍水流粘性底层厚度的土壤颗粒或微团聚体引起的阻力'，它与坡面水流条件、土壤颗粒粒径等因素均有关系。图2显示了不同试验条件F水流颗粒阻力对坡面流a值的影响。为消除其他

18、因素对a值的影响，保证水流所受的阻力仅为颗粒阻力，图2中选择比较的试验数据均满足：水流均为清水；水槽均为定床粘砂；水槽坡度相同。由图可知，颗粒阻力越大，。值越小，两者呈极显著新函数关系。造成这种现象的原因是：坡面颗粒阻力越大，对底部水流的阻碍作用也越大,进而引起坡面流底部流速大大减小，而水流顶部的流速受颗粒阻力影响较小，故颗粒阻力越大，流速梯度越陡，流速分布越不均匀,a值越小。图2不同试验条件卜颗粒阻力对a的影响Fig.2Effectofgrainresistanceonaunderdifferentexperimentalconditions.(a)文献9数据(b)文献11数据Dunkerl

19、ey,8-测量了层流条件下清水流经不同粒径粘沙床面时的«值，得出床面粘沙中值粒径为0.67mm时水流平均a值为0.568,中值粒径为0.4mm时a值平均为0.585,两者均大于Li等、给出的层流下粒径为0.74mm时平均a值0.37,小于Horton等$给出的层流时光滑壁面的理论流速修正系数a=0.67,表明颗粒粒径越大，a值越小，进一步证实了上述结果，即a值随颗粒阻力增大而减小。这与Ali等：成研究不同泥沙颗粒粒径对坡面流平均流速影响的结果恰好相反，这主要由试验条件不一致造成的。Ali等的试验是在动床条件下进行的，坡面流阻力不仅包括颗粒阻力，还包括了输沙阻力、沙波、细沟等形态阻力，

20、因此得出的流速修正系数随泥沙粒径增大而增大并不是颗粒阻力单因素作用的结果，而是多种阻力形式下的综合体现。2.2输沙阻力对流速修正系数的影响(a) g=1.0xl0'm2/s广!.5xio"m2/s 9-2.0x10Jm2/s 9=2.5x0"'mJ/s.o"3.0x|0''n)J/s阻俨图3不同试驳条件下输沙阻力对a的影响Fig.3Effectoftransportresistanceonaunderdifferentexperimentalconditions(a)文献13数据(b)文献11数据(c)本文试脸数据输沙阻力是指坡面流

21、由于挟带泥沙而引起的阻力”6),它与水流中泥沙的含量有直接关系。图3显示了不同试验条件下输沙阻力对a值的影响。为分离出输沙阻力对。值的影响，图3中选择比较的试验数据均满足：水槽为定床粘沙；坡度、流量相同;床面糙度相同，即颗粒阻力相同，水流阻力的变化仅为输沙阻力的变化。由图3可知，3种试验条件下,流速修正系数。值与输沙阻力均呈负相关关系，两者定量关系基本可以用极显著的带函数表示。造成这种结果的原因主要是:水流中由于泥沙颗粒的存在，其粘滞性大大增加，水流流速分布发生改变，随含沙量的增加,流速梯度变陡，流速分布也变得越不均匀，导致Q值随之减小"，同时随含沙量的增加,输沙阻力也增加*,故。值

22、随输沙阻力增加而减小。2.3植被阻力对流速修正系数的影响植被阻力统指地表由于植被、砾石等较大尺度粗糙源阻碍坡面水流运动而引起的阻力。对具有植被作用的坡面，植被阻力在坡面流所受不同阻力形式中往往占主导地位，其在一定程度E包含了形态阻力和波阻力的范畴:。为消除其他因素的影响,保证水流a值的变化仅为植被阻力引起的，选择比较的试验数据均满足:水槽为定床;坡度、流量相同;床面糙度、含沙量相同，即颗粒阻力和输沙阻力相同，水流阻力的变化主要为植被阻力的变化。图4显示了不同流量条件下植被阻力与流速修正系数a值的关系，由图可知，5种流址条件下，随植被阻力的增加，流速修正系数a值均呈极显著暮函数趋势增加，两者存在

23、正相关关系。这也主要与坡面流流速梯度变化有关。当坡面上存在植被等较大尺度糙度源时，水流的植被阻力就大大增加,根据以往研究结果：，9-2，J，植被阻力越大，流速梯度越小，流速分布越均匀，故。值也越大。2.4流速修正系数预测公式建立目前，流速修正系数的预测公式主要包括以下3种:Dunkerley81利用染色示踪法研究了不同粗糙床面下a值的变化情况，发现a值与水流的平均水深存在良好的基函数关系，其表达式为a=0.587A-0165(9)Li等回归了a值与坡度人雷诺数Re的关系a=-0.251-0.3271gJ+0.1141g/?e(10)Zhang等在总结前人研究的基础上，引入了含沙量对。值的影响，

24、得出a=-0.551-0.1411gJ+0.2791g/?e-0.0561g(Q,+0.001)(11)式中Q.单宽输沙量，kg/(ms)利用本文收集到的资料及试验数据对式(9)(11)进行了验证，结果如图5a5c所示,并利用决定系数肥、偏差(计算值与实测值的比)及纳什系数NSE3个统计参数对上述公式的预测结果进行了进一步评价，如表2所示。其中，式(9)-(11)处于0-75-1.25范围内的偏差分别占总偏差个数的48.8%、51.6%和72.4%o图5和表2表明，利用单个因素预测a值是远远不够的，如Dunkerley公式；Li公式在。小于0.45时，计算值与实测值符合较好，一旦a大于0.45

25、,计算值偏小;Zhang公式与其他两个公式相比，计算结果相对较好，但Zhang计算的a值与实测值相比整体偏小。故上述3个公式在预测多种阻力形式作用下的流速修正系数a值时是不适用的。0.W0.750.600.30.6实测流速修正系数(a)温照y壁液沔»金0301：_.|.04OT56阳力系致，(a)阻力系数ID联登弟庵63o.O.显朕H=举期恶居左文献8数据O文敲【9数据文献11J数据文*13)数据木文数据。蒙峰巧囊«愚.903说噂,=学的强最太蒲*,isfi*蜃fc左文献I町敖据O文献9J数据文献|11数据实测流速修正系数(b)文献【8数据/。文献数据文献

26、111敖据_"受带文献13J数据木文数蜩实测流速修正系数(c)文献13数犯木文数据图4不同单宽流危条件下植被阻力对a的影响Fig.4Effectofvegetationresistanceonaunderdifferentflowdischargeconditions(a)q=1.0x10'im2/s(b)9sI.5x10*3m2/»(c)<7=2.0x10_,m2/s(d)9=2.5xIO'3m2/s(e)g=3.0x10'3inJ/s无降雨条件下，坡面流流速修正系数主要受颗粒阻力、输沙阻力及植被阻力的影响，表征上述阻力形式

27、的参数主要包括泥沙中值粒径。、雷诺数Re、坡度人体积含沙梢S,、植被糙度源覆盖度C及糙度0实测流速修正系数(d)图5不同预测公式计算流速修正系数a与实测值对比关系Fig.5Comparisonofcalculatedaandmeasuredonesthroughdifferentpredictionequations()式(9)(b)式(10)(c)式(11)(d)式(12)源分布密度e,利用逐步回归方法建立了a与上述参数的表达式，为a=-0.617-0.3401gJ+0.2941g/?e+0.0481g(C+0.001)-0.0491g(S,+0.001)(12)利用式(1

28、2)计算的a值与实测值对比关系如图5d和表2所示，计算值与实测值符合较好，表明式(12)可以用于复杂水流条件下的a值预测。值得指出的是，式(12)没有考虑降雨的影响，这需要进一步深入研究。«2各公式计算的a值与实测值对比的统计分析Tab.2Statisticalanalysisbetweencalculatedaandmeasuredonesthroughdifferentpredictionequations公式决定系数&2偏是范隅纳什系数NSE资料数式(9)0.0030.46-2.25-0.802256式(10)0.4390.55-1.46-0.305256式(11)0.

29、5840.44-1.510.446256式(12)0.7640.55-1.500.7642563结论(1) 在收集和整理前人试验资料的基础上，利参考用室内水槽冲刷试验，研究了颗粒阻力、输沙阻力和植被阻力对坡面流流速修正系数a值的影响。(2) a值随颗粒阻力和输沙阻力的增大均呈极显著宿函数减小趋势，颗粒阻力和输沙阻力主要通过使坡面流流速梯度变大影响a值。(3) a值随植被阻力的增大呈极显著精函数增'大趋势,植被阻力主要通过使坡而流流速梯度变小影响。值。(4) 利用逐步回归分析方法给出了不同阻力形式作用下a值的预测公式，与实测值对比，符合较好。公式表明雷诺数Re、坡面坡度、植被糙度源覆盖度

30、和含沙量是影响a值的主要因素。文献1张宽地，王光谦.吕宏兴，等.模拟降雨条件F坡面流水动力学特性研究J.水科学进展，2012,23(2)：229-235.ZhangKuandi,WangGuangqian,LilHongxing,etal.ExperimentalstudyofshallowflowhydraulicsonahillslopcunderartificialrainfallconditionsJ.AdvancesinWaterScience,2012,23(2):229235.(inChinese)2肖培青.姚文艺.申震洲，等.首芾草地侵蚀产沙过程及其水动力学机理试验研究J.水利

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39、及土壤但蚀动力学-坡面流J.力学进展,2004,34(3)：360-372.LiuQingquan,LiJiachun,ChenLi,etal.Dynamicsofoverlandflowandsoilerosion-overlandflowJ.AdvancesinMechanics,2004,34(3)：360-372.(inChinese)(下转第46页)型更加贴近实际。(2)分析了转向系动态参数对其非线性振动特性的影响规律，特别是模型中包含的双间隙对系统振动特性的影响以及横拉杆刚度、阻尼，转向器的啮合刚度、阻尼等对系统振动特性的影响。指出了转向系动态设计时应该注意的重要问题，为摆振的综合

40、动态设计提供了重要的理论依据。参考O)研究了系统以转向器齿条与横拉杆间的夹角为分岔参数的分岔行为，结果表明转向系的振动不仅和系统的动态参数有关，还与转向器齿条和横拉杆的安装位置有关，安装位置和动态参数匹配不合理会导致轿车转向系周期运动失稳，严重影响车辆的行驶稳定性，设计时应综合加以考虑。1魏道高.蒋艮生.主情后倾角对独立悬架汽车自激摆振极限环特性的影响JL农业机械学报，2012,43(12)：510.WeiDaogao,JiangGensheng.EffectofcasterangleonmultiplelimitcyclesinindependentsuspensionshimmyJ.Tra

41、nsactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2012,43(12)：510.(inChinese)2王威，宋玉玲.薛彦冰.高速下轿车转向系非线性振动的分岔特性研究J.机械工程学报，2012,48(9)：103110.WangWei,SongYuling,XueYanbing.Bifurcationcharacteristicsonnonlinearvibrationofacar*ssteeringsystemwhenitrunsatahighspeedJ.JournalofMechanicalEngineering,2012,48(

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