模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究_赵冰清.pdf

节水灌溉Water Saving I模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究赵冰清1，陈恬玥1，孙晓敏2，郭子璇1，岑由东1，杨青君1，张宽地2，3（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100）摘 要：探究植被覆盖下的坡面流阻力特性对土壤侵蚀模型的建立有着重要意义。通过3个坡度、7个流量和10个草被覆盖度下的定床冲刷实验，系统分析坡面薄层水流的流型流态与阻力特性。实验结果表明，坡面水流流态受到草被覆盖度与坡度的综合影响，主要分布在层流区及过渡流区。通过等效粗糙度和坡面水流流动阻力规律，推导出等效阻力系数fe的计算公式，公式表明草被覆盖度是影响水流阻力的重要因素，fe值随覆盖度增加而整体增大，实验结果显示当覆盖度在0%37.68%的范围内时，等效阻力系数始终小于1.5；而当覆盖度在56.52%94.2%的范围内时，fe由0.6973.042增长至2.44014.393。淹没度及雷诺数对等效阻力系数的影响与覆盖度密切相关，覆盖度低于18.84%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而呈减小趋势；而当覆盖度高于65.94%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而以较大的速率上升。研究结果以期为水土流失综合治理提供理论支撑。关键词：坡面流；植被覆盖；阻力系数；等效粗糙度；流态中图分类号：S157.1 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2022233赵冰清，陈恬玥，孙晓敏，等.模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究 J.节水灌溉，2023（3）：106-115，122.DOI：10.12396/jsgg.2022233.ZHAO B Q，CHEN T Y，SUN X M，et al.Experimental study on overland flow resistance characteristics under simulated grass coverJ.Water Saving Irrigation，2023（3）：106-115，122.DOI：10.12396/jsgg.2022233.Experimental Study on Overland Flow Resistance Characteristics Under Simulated Grass CoverZHAO Bing-qing1，CHEN Tian-yue1，SUN Xiao-min2，GUO Zi-xuan1，CEN You-dong1，YANG Qing-jun1，ZHANG Kuan-di2，3（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi Province，China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi Province，China；3.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering of Ministry of Education in Arid Areas，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi Province，China）Abstract：It is important to explore the resistance characteristics of overland flow under vegetation cover for the establishment of soil erosion model.In this study,the flow pattern and resistance characteristics of slope thin-layer flow were systematically analyzed through fixed-bed scouring experiments under three slopes,seven flows,and ten types of grass covers.The experimental results showed that the slope flow pattern was affected by the interactive influence of grass cover and slope,which were mainly distributed in laminar and transition flow areas.Using the equivalent roughness and the law of resistance on overland flow,a calculation formula for the equivalent resistance coefficient was derived.The formula shows that grass cover is an important factor that affects the flow resistance,and the equivalent resistance coefficient increases with the increase of coverage.The experimental results also showed that when the coverage was in the range of 0%37.68%,the equivalent resistance coefficient was always less than 1.5;when the coverage was in the range of 56.52%94.2%,the equivalent resistance coefficient increased from 0.697 to 3.042 to 2.440 to 14.393.The influence of submergence and Reynolds number on the equivalent resistance coefficient was closely related to the coverage.When the coverage was less than 18.84%,the equivalent resistance coefficient 文章编号：1007-4929（2023）03-0106-10收稿日期：2022-09-07基金项目：国家自然科学基金委员会（41877076,52179079）。作者简介：赵冰清（2001-），女，本科生。E-mail:。通讯作者：孙晓敏（1986-），女，副研究员，硕士，主要从事水土保持和流域泥沙研究。E-mail:。106模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究 赵冰清 陈恬玥 孙晓敏 等decreased with the increase of the submergence and Reynolds number;when the coverage was higher than 65.94%,the equivalent drag coefficient increased at a large rate with the increase of the submergence and Reynolds number.The results are expected to provide theoretical support for the comprehensive control of soil and water loss.Key words：overland flow；vegetation cover；drag coefficient；equivalent roughness；flow regime0引 言水土流失是土壤退化、农业生产力降低的关键因素之一，影响全球生态系统平衡1。中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，大部分集中在北方生态系统脆弱的地区，如黄土高原、毛乌素沙地等地2，水土保持工作也一直是生态文明建设的重要内容、提升生态系统质量和稳定性的有效手段。近20年来，中国大力推进退耕还林保护措施，水土流失状况得到了一定的缓解3。坡面流作为水土流失的源动力，其特性广受研究学者的关注，而植被不仅可以涵养水源，还可有效控制水土流失的发生和发展4。在研究植被覆盖条件下的坡面流时，不仅要考虑坡面粗糙度，更需考虑植被的植物学特性。因此，探究植被覆盖条件下坡面流水动力学特性至关重要。一直以来，坡面流的水动力学特性是学者们研究的焦点。坡面流的分区从天然条件下的层流、过渡流、急流3个流区5到植被覆盖条件下提出的层流亚临界流6，再到“混合层流”7以及“扰动流”8。不少学者研究了植被对水流流型流态的影响。Zhao等9认为植被的存在会影响坡面流的雷诺数；张宽地等人10研究表明植被薄层水流主要分布在层流区和过渡流区，并未达到紊流。尚海鑫等人3指出随着植被覆盖密度的增加，水流流态由急流演变为缓流。不同学者对于植被覆盖条件下的水流流态的研究结果不相一致。植被是维护生态环境中必不可缺的一环11。在农田中，植被生长方向对水流有各向异性的影响，而在明渠中植被可以改变水流结构，对坡面流的能量具有一定的消散作用6,12,13。研究影响植被覆盖条件下的坡面流阻力系数的因素常从植被类型、覆盖度、刚度、直径、植被分布模式等方面入手。Abrahams 等人14指出草地对入渗水流的阻力大于灌木丛；Zhang等15认为低覆盖度下，阻力系数随着水深和雷诺数的增加而减小，高覆盖度则反之；Wu和Yang16发现水流阻力与淹没植被的相对弯曲刚度呈正相关；Li等17提出刚性植被因湍流漩涡的存在，产生了比柔性植被更为显著的水流阻力；Zhao等9&Zhang等18指出达西阻力系数随着植被直径的增加而增加；Zhang等18对比毛细蒿4种分布模式（棋盘格、带状、长条带、小斑块）与裸坡在不同降雨强度下的水流特性，得出草芽和根系影响流速的变化规律。总的来说，植被对于坡面流阻力系数的影响已有许多显著的研究成果，但尚未有人从多方面进行综合研究并对结果进行整合。对于坡面流阻力的研究有助于深入了解坡面流的水动力学特性。不少学者曾提出植被覆盖条件下阻力系数的计算模型。Hu和Abrahams19采用量纲分析和回归分析推导出阻力计算公式；Einstein和Banks20和Kim等21认为总阻力可由所有形式的阻力线性叠加而得。基于此原理，Wang等22得出降雨条件下阻力系数计算模型，尚海鑫等人3以总阻力减去颗粒阻力计算植被形态阻力。而相反，Li23和Pan等24则认为在一定条件下线性叠加原理不适用于坡面流阻力系数的计算；此外，Zhang等25通过建立曼宁粗糙系数与覆盖度、弗汝德数、雷诺数等参数之间的幂函数关系式揭示其影响规律；Cheng等26推导出由植被水力半径重新定义的摩擦函数用于研究计算阻力系数；Liu等27基于植被密度以及形态阻力建立了刚性植被阻力系数计算模型。然而，坡面流的水流结构在植被覆盖条件下十分复杂，水流阻力不仅来源于植被的，还源于实验装置，加之各类偶然误差，阻力难以精准量化，一定程度上增加了研究难度。并且有些学者采用软件对实验数据直接进行拟合