人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验.pdf

'第27卷第4期282011年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验张宽地1，一，王光谦3，王占礼2，刘俊娥2，吕宏兴1※(1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌712100；2．中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨陵712100；3．清华大学水利水电工程系，北京100084)摘要：为了探求坡面薄层水流水力特性，从流体力学与泥沙运动学观点出发，研究均匀粗糙尺度床面(人工加糙粒径为0．380mm)，5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0．33—0．43之间变化，水力关系可用流态指数综合反映；滚波流速随着流量增加逐渐增加，坡度对其影响较小；波长随着流量呈单驼峰形式变化，即先随流量的增加而增加，达到峰值后又减小，峰值对应的单宽流量为0．278L／(s·m)；滚波频率随流程的增加逐渐衰减，同时随着单宽流量的增加，平均衰减系数增大；试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0．64左右，紊流失稳临界弗劳德数在2．13左右。关键词：坡面水流，水力学特性，弗劳德数，流态，滚波流doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．04．006中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)一04-0028—07张宽地，王光谦，王占礼，等．人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验[J]．农业工程学报，2011，27(4)：28—34．ZhangKuandi，WangGuangqian，WangZhanli，eta1．Experimentsonhydrauliccharacteristicsofrollwaveforsheetflow诵tllartificialroughbed明．Transactionsof也eCSAE，2011，27(4)：28—34．(inChinesewithEnglishabstract)0引言坡面流(overlandflow)系指降雨或融雪在扣除地面截留、填洼与下渗等损失后在重力作用下沿坡面表层流动的一种特殊水流，是坡面径流的起始阶段，有时也包括雨水在坡面上游下渗后，经过表层土壤，以壤中流(Interflow)的形式在坡面下游复而流出地面，再度形成的一种片状水流【l-2]。坡面流不同于一般的明渠水流，从水力学看，它是一种流向不稳定的薄层水流，其水深一般只有几毫米甚至为零点几毫米的浅水明流，沿程不断有质量源和动量源汇入，使其随时间和空间有较大的变化，且受坡度、雨强、地表状况多因素的影响，这些特点都造成了坡面流的研究工作难度较大。坡面薄层水流是土壤水蚀过程的主要动力，搞清坡面薄层水流的水动力学特性是进一步研究侵蚀过程规律的基础。坡面流水动力学特性主要包括流态、阻力规律和平均流速，平均流速是阻力的另外一种表达形式，因此，关于坡面流水动力学特征主要集中在流态和阻力规律的研究。坡面水流的流态作为坡面薄层水流基本的水动力学特性，一直被视为研究中的热点问题之一，国内外众收稿日期：2010．10．18修订日期：201lm4．11基金项目：国家自然科学基金项目(41001159)，国家“973”计划课题(2007CIM07201)：高校博士点基金项目(20090204110019)。作者简介：张宽地(】978一)，男，宁夏隆德人，讲师，博士生，主要从事水工水力学及坡面水流的研究。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：zhanglcuandi428@126．COl※通信作者：吕宏兴(1955一)，男，陕西陇县人，教授，博士生导师，主要从事水力学及河流动力学的教学与研究工作。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：Ivhongxing@tom．com多学者对坡面薄层水流的流态进行了大量的研究工作，提出了各种不同观点(如层流、伪层流、扰动层流、过渡流、紊流)[3-13]，但究竟处于哪个流区还是值得探究的问题。关于阻力规律，已有的研究多从传统水力学观点出发，应用水力学中二元流雷诺数判断坡面薄层水流流态，得到了不管是水流处于层流区还是紊流区中，相同水流紊动强度(即Re相同)情况下，试验点均落在层流线与光滑过渡线以上，而且随着床面粗糙度如越大，阻力系数A越大。同样当雷诺数在层流范围的情况下，阻力系数与雷诺数的关系并非如尼库拉兹和蔡克士大所做试验那样表现出层流的特性(gO在进入层流区后阻力系数仅是一条与雷诺数相关的直线)12,5-7,13]，故对于坡面水流阻力规律的探讨虽有不少研究成果，但尚存疑颇多。近年来，坡面薄层水流特殊运动形式(滚波)日益受到土壤侵蚀界的关注，初步得到了一些有益的成果[14-16】，但对于滚波演化过程及失稳临界条件的研究尚显不足。本文通过人工加糙床面薄层水流放水试验，试图得到判别和反映坡面薄层水流流态界定的新方法，以揭示坡面薄层水流阻力机制和滚波演化发展规律，为坡面土壤侵蚀研究提供理论依据。1材料与方法1．1试验水槽系统鉴于坡面薄层水流属于非均匀非恒定流、边界条件复杂，试验测量难度较大，为了便于量测和控制浅层水流的边界条件，本研究专门设计了均匀突起粗糙尺度下定床阻力试验。其“定床”是指水流通过床面时，床面形态不发生改变，只是浅层明流绕过床面时发生水面失 ∞4M％☆№*^Im#“Ⅻ∞E镕被*Lm^7##”m№稳和流志的转批””1，敞定抹阻力试验ur以更加准确的研究滚波演化和水流失稳临羿长件。试验山供水水渊、捉水系统、稳流装置、平水设施、试验水梢、划水系统5部分组成，H鲋栅陶见幽I所示。卜1r——i罴i————-一目IA验}*镕日}意目Fig1SchemaIlcofthe⋯nmenImSetup薄培水流较刚槊水流水深橙浅，而水}i!【强度卫较大．㈨此．试验模，¨的、P祭性直接戈乐剑水i笨，流迷等毕术水力要素的肌删精慢，虽终影响试骑的Ⅲ靠于牛，为便于水渫、流速等基本水力要素的观测．试验水椭采用宽浅矩形结构形式．史撑i^构采用50cruX50cm×600cm旧向铁桁架结构．P槌厚12mm的玻璃作为槽底．猷防止水|普纵向弯曲变形。州侧边壁采用3mmJ乒订机玻璃制作，水柏断嘶HJ为LX口×／／--65mX0．6m×02m，试验水槽仃敛长J韭L=60m，坡度¨润托嗣O～20。。为实现床衙均句粗糙尺度，椭底*i贴40n水砂枷．按水砂如田怀h、准换算茸眯沙靴行为038mnl，床Ⅲ粗糙度艏表吓疗法01屉尼痒拉兹在20⋯纪30年代提出的廉_i糙度Rj^，时1一胀面由均匀沙组成的*f况，骨遍认为町用珠面所贴沙粒_|迎径d米1t替也。谢此，试验凡I加糙床而糙度尺1t为038mm。分别选取底坡0为36、6。、9。、12。、15。，洲S为00524、0105I、01584、02i26、02679n种坡度．设计流艟综合考虑葑士高原篾牛侵蚀性降阿雨强的托嗣，删时苛也试验流置范围尽可能的涉投小同水流氏，艟终醴“放水流址分别为250、365、500、625、750、g75、1000、1250、1500、1750、2000、2500、3000、35OO、4000、6000和9000L／rain，即单宽流城★0069、0104、0139、0I74、0208、0243、0278、0347、0417、0486，0556，0694、0833、0972、l1】1、1667和2500L／(sml北17十水1r处理。试骑设4个观测断面，妣洲断I盯¨距为Im+平水设施为驼峰低堰，在水{荷进n段会形成定的收缩水深，为避免水槽起始断面水流不稳给试验特束误差．将第观测断面设在距水槽进口I5m处，侬改为2、3、4、5观测新血．每个观测断畦横向擞5个观测点，每个测点均洲埘水椿、波速和波高。存流量为00694和01042L／(sml时，波速震用颜料示踪法(KMnOa)测定，扎余试验组次均采用浮标法观测。水深采用重庆水文仪器J__f三产的SX402数显§I制仪测定，精度为0叭⋯为聃止水砂纸IuI凸小平对水椿测挝的彬响，用事先控Ir厚度的竹机玻璃板放八床面之E，诎取水深参考零点，并将其移去。再缕÷l{水面氰l波商凑数，测崴值与玻璃板厚度相加嘁即为水面到最大粗糙高度床面的水深测量值，H史n诛流流动过程中．砂牲缝隙也参与流量的输移，则寅际求深必教考虑此部分的水椿，按文献『191近似取o25t，得实际水椿为测龉水椿加J一025k。流鞋测定采用体积法和三角堰法(流嚣小于【250L／min采用体机法，濉牡凡]：1250L／min采=伯堰法)．精度分别为00l和01L，试验过程巾记录试验水流温度，以计算水流的运动黏滞系数．奉试验兆进行了5×1785组试验。12水力要素关系的理论分析对jf自然羿钾牛卷侵蚀阿．由r地表突起的随机性， 农业工程学报2011生溢流与聚集宏观上呈顺坡而下，但其演变过程受输水、攻沙、耗能等因素的非谐调机制的共同作用，故呈现横向摆动、兼并等不稳定现象[21，但对于定床坡面水流而言，最简单的形式或最理想的假定即为倾斜坡面的漫流问题，其水力要素之间的关系从形式上可借鉴明渠水流的公式近似求解。对于无降雨的恒定均匀流，紊流区情况下，用指数形式的曼宁公式计算阻力系数，可得到单宽流量q(m2／s)与水深JIl(m)的关系。q：三S1／2Jll5／3(1)n式中，以为曼宁糙率系数，S为坡面坡度，h为坡面流水深，m。层流区情况下上式不适用，可采用Poiseuille公式f5】q：—gS—h3(2)3y式中，g为重力加速度，9．81m／s2；v为水的运动黏滞系数，m2／s。Horton假定坡面流是紊流与层流流态相互交错的混合流【3】，综合以上两式给出：9：昭MIIl坞(3)式中，足为反映坡面阻力的综合系数，尬，尬为由水流所处流区决定的指数，尬在层流时取3，在紊流时取5／3，这里的层紊流按明渠水流的经典雷诺标准来划分。坡面水流流态的特殊性使得研究者尝试以试验手段确定式(3)中的参数，并以指数必为主要研究对象，来探讨水流流区的归属问题和水力指数的关系。水深和流量作为2个基本的水力要素，在定床坡面水流也可以直接测量，在试验分析中两水力参数可直接表达为：h睨qm(4)式中流态指数m=l／M2。在坡面漫流假定下，流速y(m／s)与流量的关系可以通过连续性方程求解：q=hV(5)将上式转化为：．土11VOCq卜”，和y芘hm(6)另外，根据胎的定义：Re=—VR—(7)y式中，R为水力半径，m；v为水的运动黏滞系数，m2／s；对于薄层水流，水力半径R近似等于水深h，故上式又可表示为：Re=vh：里(8)l，由此可以看出，坡面薄层水流雷诺数与单宽流量成正比，在试验水温变化不大时，式(3)可改写为：hOC．Re”(9)根据Darey-Weisbach阻力系数，的定义：，=丁89hS(10)将式(5)、(7)带入(8)，并简化得：f∞q3“～，或厂芘Re3”一2(11)将式(1)和(2)分别代入式(11)，可以导出紊流情况下，f芘Re-0一；层流情况下，f芘Re～。以上讨论说明在坡面漫流假定下，不同试验得到的不同水力要素关系往往具有等价性，因此，坡面流水力关系的讨论和流态的分析可以仅围绕m进行。2结果与分析2．1流区指数m根据理论分析可知，坡面漫流阻力系数厂与雷诺数Re的关系符合幂函数关系，根据流区不同，其幂指数3m一2不同，理论上，层流区时m为0．6，紊流区时m为0。33左右，故本文将m定义为流态指数。在Emmett[51的坡面恒定均匀流试验中，光滑床面下，按RP判定的紊流区时m--0．6；层流区时，m围绕在0．33附近，分别与式错误l未找到引用源。和错误l未找到引用源。的理论值相符合。加糙床面下，紊流区时m--0．57，小于明渠公式的理论值；层流时m=0．36～O．43，与理论值的区别被认为是由测量误差引起。在张光辉【8】进行的50~250坡度，2．0～11．6mm水深，Re=968～18067范围内，人工加糙定床坡面流试验中，得到水流处于以紊流区为主，过渡流区为辅的混合流区，并在此基础上，根据所有试验数据拟合，得到m=0．458，基本是o．33与0．6的均值。李凤英掣20】也进行了类似的试验研究，在RP为867"-"1041范围内，得到m=0．504。杨锦、吕宏兴【21】通过床面贴沙试验，在雷诺数RP为2180～11468范围内，得到人工加糙床面下，m=0．589，接近理论值0．6。需要指出，流区不同m值应有所区别，但以上试验雷诺数都比较大(大于明渠层流失稳临界值500)，未能涉及到小雷诺数时的水力要素的关系研究，本文主要针对小雷诺数情况下，对坡面水力参数关系进行试验研究和总结，其结果见表1。由表1关系可知，各组次水力要素关系中，m值均在O．33到0．43之间，当坡度较大时，流态指数m值越接近于层流区的0．33，当坡度越小时，m值越大。另外还可以看出，当坡度变化较大时，m值的变化不大，故坡面薄层水流的平均流速V主要由单宽流量q来控制，坡度S对流速的影响不明显，该结论与张光辉【8】试验结果一致。由此表明，对于坡面漫流而言，用流态指数m较为准确的反映各水力参数之间的关系，其阻力系数与雷诺数的关系与理论推导结果完全一致。另一方面，从坡面水流阻力系数厂与雷诺数RP的函数关系可知，当阻力系数厂正比于Re。1时，如按流态指数m可认为水流处于层流区，但方程的系数远大于明渠层流区中的24，这就是坡面水流的增阻现象，关于增阻现象目前没有定论。为探明坡面水流阻力机制，许多学者对于薄层水流是否符合明渠流区判别准则提出了 第4期张宽地等：人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验31质疑，并引入流道和绕流理论得到流态判别的新方法[2,13-14]。同时，为区别于传统的明渠层流，许多学者提出了不同的观点，如EmmcttIs!提出的“扰动流”(disturbedflow)；姚文艺【6]提出的“伪层流”；吴普特【7】提出的“搅动层流”。其实不管是“扰动流”还是“伪层流”，均以降雨对薄层水流的扰动增阻作用来考虑定义的，但降雨是否增大薄层水流的阻力，目前尚无定论。吴普特【7】认为降雨减少水流摩阻系数，但潘成忠【9】研究表明，降雨对坡面阻力系数无显著影响。其实，从本试验可以看出，即使在无降雨条件，坡面水流仍存在“增阻”现象，因此，要想阐明薄层水流“增阻”现象的本质，就必须探明坡面水流特殊流动形态(滚波)的演化规律，寻求坡面薄层水流内部产生紊动的真正原因。2．2坡面滚波流事实上当水层薄到～定程度时，坡面水流要保持水面相对平稳已不现实，在坡面比降较陡时，坡面漫流基本上以急流状态顺坡汇集，坡面流流道千变万化。坡面凸起高度的随机性、水面边壁状况的不规则或雨滴打击扰动等因素，必然会对水流产生微小的扰动，在一定临界水力条件下，黏滞力无法抑制扰动波的衰减，最终会导致坡面水流以一种特殊的流动形式(滚波)沿坡向下运动，以至于出现大波追及小波，小波聚叠形成大波并以滚雪球形式向前传播，该水流现象在水力学中称为“滚波流”。2．2．1滚波波速从物理上来看，各种不同的水波，大致可以分为两大类：一类是所谓的振荡波(振动波)，另一类则称为推移波[18l。振动波的特征是，水中的扰动能够以相当大的速度传播到遥远的地方，而水的质点却只有以小得多的速度在平衡位置附近振动，即做周期运动。因此振荡波的平均流量为零，推移波与振荡波不同，沿着波的传播方向也伴随一定的流体质量转移，很显然坡面薄层水流的滚波现象从性质上来讲属于推移波。所谓滚波波速”是指推移波的波形沿坡面传播的速度，也称为相速度。因坡面薄层水流为非常复杂的不定常水流问题，其波动属于浅水长波，在数学上既属于双曲波，又属于色散波，水流过水断面的水力要素严格意义上来说，各不相同，且滚波随着波长不断的演化和发展，故为了能更准确地研究滚波各要素的变化规律，特将试验各场次距进口段4．5m处的特定断面波速列出，见表2。表2均匀粗糙尺度床面下坡面滚波波速Table2Velocityofrolwaveovefhomogeneousroughbedm．S。1由表2可以看出，滚波流波速与单宽流量成正比关系，随流量的增大，波速“逐渐增大，但小流量情况下，波速变化幅度较大，当流量增大时，波速增幅减小，其变化趋势与坡面平均流速的变化趋势一致。滚波波速与试验坡度也成正比关系，但相对与单宽流量来讲，其增幅不大，由此可以看出，波速主要受单宽流量g的控制，坡度S对其影响较小。2．2．2滚波波长波长A是指波顶与波顶的距离，或者波底与波底之间的距离。因薄层水流滚波与风波、海洋涨潮波的特性截然不同，其波底相对比较平坦，坡峰相对陡峭，和正弦波的形状差距较远，故定义滚波坡长为两孤波之间的距离。从试验现象和实测数据分析结果表明，在滚波成熟区，波长随流程长度的增加而愈长，且近似呈线性关系变化，但测试断面波长与流量的关系却十分的相似。为此，本文选取滚波演化发展比较成熟的4．5m断面为典型断面，来研究滚波波长的演化规律。由表3可以看出，对于特定断面4．5m断面，在单宽流量较小时，坡面滚波波长A随单宽流量增加时，尔后，随着单宽流量的增加而减小，呈单驼峰变化趋势。如当坡度为0．1051时，单宽流量由0．0694L／(s·Ⅱ1)增大到0．2778L／(s·in)，波长A由0．228m增加到0．399m。当流 32农业工程学报2011盈量继续增大到0．3117L／(s·m)时，滚波消失，即波长减少到零，从试验现象可知，波长A峰值对应的单宽流量随坡度S的增大逐渐增加，但增加程度不大，基本均在0．2778L／(s·蛐左右。如以波长峰值对应单宽流量为界，将波长增加的流量区间称为涨波段，将波长减小对应的流量区间称为退波段，则可以看出，坡面滚波涨波段比较平缓，退波段比较陡峭。表3均匀粗糙尺度床面下坡面滚波波长Table3LengthofroUwaveoverhomogeneousroughbedm流量／(L·s-i．m1)坡度s五面五面五忑F石磊i磊再函F丽磊i而0．05240．2280．2880．3460．3660．3510．3720．3990．000．105l0，1420．2630．2010．2260．2380．2980．3180．oo0．1584o．1210．1530．1570．1830．2230．2360．0450．21260．1310．1550．1630．1720．1810．2050．2150．0920．26790．12l0．1520．1580．164O．1830．1980．2050．1232．2．3滚波聚合滚波是坡面水流失稳后形成的一种非周期性的波动现象。波长、波速随流程长度而不断演化发展，其演化阶段由可概括为3个：演化初始段(小振幅阶段)，波周期变化较小；过渡段，波动频率逐渐开始衰减和初步出现滚波的聚合现象；成熟段，此时波形比较明显，且发生显著的聚合现象，该聚合可以是小波聚合大波，也可以是大波吞并小波。滚波聚合现象可以从滚波频率F来间接反应，滚波随流程不断的聚合叠加，对应于波动频率F逐渐的衰减。表4列出了滚波发育比较成熟，较易观测的试验(坡度为90)条件下，滚波频率F的变化规律。表4坡度为90时，坡面滚波频率Table4Frequencyofrollwaveonslopeof9。注：无数据表示该断面处，滚波为初始阶段，波长较小，无法测量。总体上，坡面滚波频率F随着流程的增加逐渐的衰减，同时随着单宽流量的增加，平均衰减系数口(频率减少值与流程长度的比值)增大，如单宽流量由0．0694L／(s·m)增大到0．2778L／(s·m)时，平均衰减系数卢由0．12增大到0．31左右。滚波衰减率口越大，表明滚波聚合越剧烈，滚波能量聚集越大。这也从侧面说明侵蚀动床形成跌坑的主要机理，随着流程的增加，集流区域增大，水流强度不断增强，侵蚀能力增加，同时滚波聚合增加了水流紊动强度之外，也加剧了径流搬运输沙能力，是土壤侵蚀由面蚀阶段发展到细沟侵蚀。随后，过水断面由宽浅变为窄深，流速垂线分布均匀，滚波消失，进而束水攻沙。2．2．4滚波临界条件对于本试验条件下，当水流强度达到一定临界条件下，水面失稳成滚雪球状流动，坡度不同，滚波所处流量区间不同。当S--0．0524，g=0．069～0．3083L／(s·m)时，大约在0+0．0～O+1．0时为滚波初始阶段，坡长较小，大约为5～10cm左右，由于波周期较小，无法测量；在0+1．0～0+1．5时为过渡段，波周期开始增加，频率衰减并出现波的聚合过程；在0+1．5断面之后，滚波发育成熟，波与波之间清晰可见，坡长随着流程不断增加，而频率随着流程逐渐衰减。此时，波形前锋整齐、陡峭，且较为平滑，横断整个断面。随流量的增加，滚波初始段也在逐渐向下坡段推移，直至g大于0．3083L／(s·m)时，滚波消退。因该失稳段水流雷诺数均小于580，故称为“层流失稳区”。当试验流量大于0．9850L／(s·m)时，坡面滚波又重新产生，但波形相对比较凌乱，波峰如舌形排列，该失稳现象称为“紊流失稳区”。最后，由于水流弗氏n增大，水流强度加大，边壁对水面影响凸现，出现陡坡急流菱形波即成熟紊流区。单宽流量口在0．3083～0．9850L／(s·岫之间时，水面平稳，无失稳现象，因为该区间是层流失稳区与紊流失稳区的过渡段，故将其称为过渡区应该是比较合乎情理的。如上所述，坡面滚波流按水面是否存在失稳现象，将坡面水流分为层流失稳区、过渡区、紊流区(包括紊流失稳区)3个流区。关于三区的临界水力条件，严格意义上，当坡度不同时，其值应该有一定的差别。如对于本试验条件下，当坡度从0．0694增加到0．2778时，滚波消退临界流量由0．3083L／(s．m)增大到0．3306L／(s·m)，但增幅不大，按平均0．3189L／(s·m)考虑，带来的误差相对于测量精度来讲是可以接受的。表5列出各流区平均临界流量与水力参数。表5滚波临界水力参数Table5Criticalhydraulicpropertiesofrollwave临界水力参数层流失稳0．0691．100．06392O．64滚波消退0．3191．99O．1603501．16紊流失稳1．1223．05O．36812002．13注：6=11．6v／u‘，u’为摩阻流速，¨‘=√丽7。．，为水力坡降：中，¨为平均流速、h为I晦界流量对应的平均水深。从失稳的临界水力参数来看，层流失稳区的临界弗氏数n为0．64，略大于数值解Fr=0．527的结果【161，究其原因主要是试验流量小于0．069L／(s·m)时，滚波其实已经出现，但限于试验观测条件无法观测。滚波消退临界雷诺数为350，弗劳德数厅为1．16，粘深比0．116，即坡面水流滚波消退的水流流型也基本上处于由缓流变为急流的临界流动形态。整个滚波流区对应的黏深比由0．277减768一其押儿：兮一，oo』厄淼黑 第4期张宽地等：人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验33小到0．116，这也反映出，随滚波的演化发展，主流区增大，流速分布趋于均匀化，当达到一定临界条件时，滚波猝然消退，水面平稳。当水流强度继续增大，达到Fr=2．13，雷诺数增大到1200左右，流速增大到0．368m／s，黏滞阻力与形态阻力无法与重力分量平衡，再次出现滚波，产生失稳现象。据此可以将该特定床面下滚波流分为层流失稳区、过渡区、紊流失稳区及紊流区。当雷诺数较小时，水流紊动较弱，但坡面水流水面比降(近似等于坡比)较大，水流惯性力较大，相应流速梯度较大，惯性力破坏作用大于粘滞力平衡作用，水流运动稳定状态失衡，产生滚波。当水层较厚时、惯性力与黏滞力平衡作用相比差距逐渐减小，波动逐渐消退。其实薄层水流滚波的产生符合河流动力学中的最小能耗原理，水流阻力系数增大引起水流的能耗增大，水流要趋于最小的能耗必然通过自身调节尽可能降低能耗，减小沿程阻力系数，使水流趋于新的平衡。滚雪球式的水流运动状态是薄层水流的另外一种平衡状态，通过牺牲部分流体质点而使整体水流运动显得大为光滑。3结论1)从明渠水力学观点出发，通过理论分析和试验结果表明，坡面薄层水流水力参数之间的关系可通过流态指数m来综合反映，水流阻力系数厂与雷诺数胎的贴近度最高。2)坡面薄层水流在一定单宽流量范围内，水面失稳产生滚波现象，滚波流波速与单宽流量成正比关系，随流量的增大，波速逐渐增大，坡面滚波波长A先增加后减小，峰值对应的流量均在0．2778L／(s·m)左右，在同一流量下，当坡度S增加时，波长A逐渐减小，但减小幅度差异较大，小坡度情况下，幅度较大，随着坡度增大，达到S=0．1584时基本趋于稳定值。3)在该试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0．64左右，紊流失稳临界弗劳德数在2．13左右，按水流失稳现象可将薄层水流分为层流失稳区、过渡区、紊流失稳区及成熟紊流区。志谢：本文修改过程中得到了西北农林科技大学沙际德教授的审阅，在此表示感谢。[参考文献]【1】DunkerleyD．Flowthreadsinsurfacerun-off：Implicationsfortheassessmentofflowpropertiesandfrictioncoefficientsinsoilemsionandhydraulicsinvestigations[J]．EarthSurfaceProcessesandLandforms，2004，29(8)：1012—1026．【2】沙际德，蒋允静．试论初生态侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性【J]．水土保持学报，1995，9(4)：29—35．ShaJide，JiangYunjing．AttemptforexpoundingbasicdynamiccharacteristicsofveryshallowflowonpreliminaryCCO—erosionslopes[J]．JournalofSoilandWaterConservation，1995，9(4)：29—35．(inChinese诵tllEnglishabstract)【3】HortonRE，leachHKVanVlietR．Laminarsheetflow[J]．TransactionsoftheAmcriCanc-eop埘7sicalUnion，1934，l5(2)：393--404．[4】WoolhiserDA，HansonCL，KuhlmanAR．OverlandflowonrangelandwatershedsJournalofHydrologyfNZ)1970，9(2)：336--356．[51EmmettWW．Overlandflow．In：kirkbyMJ，ed．HillsolpeHydrology[M]．NewYork：John-Wielyandsons，1978．【6】姚文艺．坡面流阻力规律试验研究叨．泥沙研究，1996(3)：74—82．YaoWenyi．Experimentstudyonhydraulicresistancelawsofoverlandsheetflow[J]．JournalofSedimentResearch,1996(3)：74—82．(inChinesewithEnglishabstractl【71吴普特，周佩华．坡面薄层水流流动型态与侵蚀搬运方式的研究【J】．水土保持学报，1992，6(1)：16—24．WuPute，ZhouPeihua．Researchonthelaminarflowtypeanderosiontransportationmannersontheslopesurface[J]．JournalofSoilandWaterConservation,1992，6(1)：16—24．(inChinesewithEnglishabstract)【8】张光辉．坡面薄层水流水动力学特性的试验研究【J】．水科学进展，2002，13(3)：159—165．ZhangGuanghui．Studyonhydraulicpropertiesofshallowflow[J]．AdvancesinWaterScience，2002，13(2)：159—165．(inChinesewithEnglishabstract)【9】潘成忠，上官周平．降雨和坡度对坡面流水动力学参数的影响【J】．应用基础与工程科学学报，2009，17(6)：843—851．PanChengzhong，ShangguanZhouping．Experimentalstudyoninfluenceofrainfallandslopegradientonoverlandshallowflowhydraulics[S]．JoumalofbasicscienceandengiI!啪rjIl＆2009，l7(6)：843--850．(inChinese诵也Englishabstract)[10]魏霞，李勋贵，李占斌，等．黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验阴．农业工程学报，2009，25(10)：19—25．WeiXia，LiYungui，LiZhanbing，eta1．Experimentsonhydrauliccharacteristicsofrunoffinslope-gullysystemsinLoessPlateau[J]．TransactionsoftheCSAE，2009，25(10)：19--25．(inChinesewithEnglishabstrac0【ll】肖培青，郑粉莉，姚文艺，等．坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征研究【J】．水科学进展，2009，20(2)：236--241．XiaoPeiqing，ZhengFenli，YaoWenyi，eta1．FlowpaRemandhydraulicparametercharacteristicsinhillslope-gullyslopesystem[J]．AdvancesinWaterScience，2009，20(2)：236--241．(inChinese谢tllEnglishabstract)【12】吴淑芳，吴普特，原立峰．坡面径流调控薄层水流水力学特性试验田．农业工程学报，2010，26(3)：14一19．WuShufang，WuPate，YuanLifeng．Hydrauliccharacteristicsofsheetflowwithsloperunoffregulation[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(3)：14一19．(inChinesewithEnglishabstract)【13]敬向锋，吕宏兴，潘成忠，等．坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨叨．农业工程学报，2007，23(5)：56—61．JingXiangfeng,LfiHongxing，PanChengzhong，eta1．PrelinainarystudyOilflowD圳枷determinantmethodofshallowflowonslopesurface[s]．TransactionsoftheChineseSociety 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