坡面流是形成河道水流的主要組成部分,也是土壤侵蝕及泥沙輸移的重要動力。研究坡面流,無論是對豐富和完善水力學理論,還是解決水土侵蝕等工程問題,都具有重要意義。為研究坡面薄層水流阻力規(guī)律,以室內(nèi)人工降雨試驗數(shù)據(jù)為基礎,通過基于物理概念的分布式水文數(shù)值模型試驗,在大坡度范圍(5°-55°)和大雨強范圍(30mm/h-240mm/h)內(nèi),虛擬150種工況,以Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f為研究對象,定量的研究了阻力系數(shù)的時空分布規(guī)律,分析了雨強和坡度對阻力系數(shù)的影響以及阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的關系,并從流速、水深、粘性底層厚度和能量的角度分析了原因。最后對數(shù)值模擬試驗結(jié)果進行回歸分析,得到了考慮坡面點的空間位置的阻力系數(shù)公式。研究顯示:在坡度和雨強一定的前提下,在時間上,坡面流阻力系數(shù)呈減小趨勢,最終趨于平穩(wěn),在空間上,向下游出口處,阻力系數(shù)沿程遞減;阻力系數(shù)受雨強影響顯著,在一定坡度下,雨強越大,阻力系數(shù)越小,阻力系數(shù)與雨強呈指數(shù)為負的函數(shù)關系;在一定雨強下,阻力系數(shù)與坡度基本呈正相關關系,且雨強越大,坡度對阻力系數(shù)的影響越弱;f-Re呈負相關關系。粘性底層厚度隨坡度和雨強的增大而減小,總能量隨雨強的增大顯著增加,這是上述阻力系數(shù)變化規(guī)律的本質(zhì)原因。本研究的創(chuàng)新點為:1)采用人工降雨物理模型試驗數(shù)據(jù)和InHM分布式水文數(shù)值模型試驗相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了超大陡坡下的阻力特性研究,研究坡度最大可達55°;2)實現(xiàn)了定量的全坡面上阻力系數(shù)時空分布式研究。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：S157;TV131
【部分圖文】：

２．１．１試驗裝置??本文釆用的試驗裝置是由針管式模擬降雨系統(tǒng)、固定式液壓升降試驗土槽、徑流收集??裝置三部分組成。試驗裝置實物如圖２．１所示，示意圖如圖２．２所示。其中，針管式模擬??降雨系統(tǒng)的雨滴發(fā)生器配有１?３００個間距為２．８?ｃｍ的針頭注射器，針頭直徑約０．５８?＿，??雨滴發(fā)生器的降雨面積為ｌｍｘｌｍ，距離土槽垂直高度１２ｍ，以確保模擬降雨的雨滴末速??最大可能的接近天然降雨的雨滴末速。模擬降雨系統(tǒng)可以通過限流管控制流量進一步實現(xiàn)??控制雨強的作用，而且，雨滴發(fā)生器通過電機驅(qū)動，可以通過在軌道上的來回移動實現(xiàn)固??定降雨、移動降雨的多種情景的模擬，滑軌上以不同顏色標出固定距離（２０?ｃｍ）用以實??現(xiàn)不同的移動速度。固定式液壓升降試驗土槽可調(diào)節(jié)坡度，土槽尺寸為長５?ｍ，寬ｌｍ，??深０．５?ｍ，在模擬降雨試驗中，為減少邊界條件的影響，鋪設的土壤的尺寸為長４?ｍ，寬１??ｍ，厚０．３?ｍ。在坡面下游出口處，放置一個金屬容器，用于收集和測量徑流。整套模型??裝置的原型已經(jīng)在國家自然科學基金青年

圖２．２試驗裝置示意圖??

參數(shù)飽和導水率ｆａ的率定，另外９場的試驗數(shù)據(jù)用于驗證。首先，以洪峰流量為對象，以??相關系數(shù)ｒ和納什效率系數(shù)Ｅ為數(shù)值模擬效果優(yōu)劣的衡量標準，率定階段尺＝０．９８，五＝０．８２，??驗證階段，穴＝０．９２，?￡＝０．７４，如圖２．３?（ａ）所示，說明參數(shù)率定可靠，模型模擬效果良好。??另外，由于本次阻力特性規(guī)律研究需要用到分布式精細化的數(shù)據(jù)，如坡面沿程的流速、水??深等，因此，為了保證數(shù)值模擬的結(jié)果的可靠度，用坡面流速數(shù)據(jù)（表２．４）對率定結(jié)果??做進一步驗證。流速驗證顯示及＝０．８０，五＝０．５７，如圖２．３?（ｂ）所示，進一步證明數(shù)值模擬??效果良好。??６Ｑ「?〇洪峰率定?／?０２＜ｉｒ?，??？洪峰驗證?／?°＇２＇?？流速驗證?／／??一?５０－——１：１線?／〇???１：１線?／??＾?１／＾?０?２０?－?／??３?４０?－?＾?Ｘ??＿?３?０．１５?－?？?��；？??痗?３０．?ｍ?？／?？?？?？??ｒ：?Ｘ?ｒ：：聲??＞°－Ｘ?０?０５?；?Ｚ?？??０?＾￣１￣１￣￣１￣￣１￣￣１￣１￣１?０．００?￣１￣１￣１￣１￣１￣￣１￣１￣１￣１??０?１０?２０?３０?４０?５０?６０?０．００?０．０５?０．１０?０．１５?０．２０?０．２５??實測洪峰流量（ｍｌ／ｓ）?實測流速（ｍ／ｓ）??（ａ）洪峰流量率定驗證?（ｂ）流速驗證??圖２．３洪峰流量及流速對ＩｎＨＭ模型參數(shù)（Ａｓ）的率定驗證??２３??
【參考文獻】

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本文編號：2844555