不同地表粗糙度红壤坡面流水动力学特性

摘要

[目的]探究不同地表粗糙度、坡度和流量下的红壤坡面流水动力学特性，为理解和预测红壤坡面片蚀过程提供科学依据。[方法]通过5个团聚体粒径(0.25～1,1～3,3～5,5～7,7～10 mm)模拟构建不同地表粗糙度的红壤坡面，试验设计4个流量(2,4,8,16 L/min)和4个坡度(5°,10°,15°,20°),基于运动恢复结构的摄影测量法和电解质示踪法测定坡面地表粗糙度和流速，计算出每个工况下的地表粗糙度和水动力学参数。[结果]在试验设计条件下，坡面流平均流速介于0.022～0.531 m/s,雷诺数在63～1 155,弗劳德数范围为0.1～4.1,阻力系数区间为0.13～68.86。地表粗糙度与阻力系数呈正相关(p<0.01),与雷诺数(p<0.05)、弗劳德数和流速(p<0.01)的呈负相关。坡度与坡面流平均流速和弗劳德数呈正相关(p<0.01)。单宽流量与雷诺数、弗劳德数和平均流速呈正相关(p<0.01),与阻力系数呈负相关(p<0.01)。[结论]地表粗糙度增加导致坡面流阻力增大，水流惯性力减小，是决定平均流速、弗劳德数和阻力系数的关键因素。单宽流量通过改变坡面流水深和水流惯性力主导雷诺数的变化。相较于地表粗糙度和单宽流量，坡度对平均流速、雷诺数、弗劳德数和阻力系数的影响最小。平均流速、弗劳德数与地表粗糙度、单宽流量及坡度间呈良好的幂函数关系。雷诺数、阻力系数则与单宽流量和地表粗糙度呈良好的幂函数关系。

关键词

流速 / 坡面流 / 地表粗糙度 / 红壤 / 片蚀