坡面流阻力研究进展.PDF

水 利 学 报 2012年2月 SHUILI XUEBAO 第43卷 第2期 文章编号：0559-9350（2012）02-0189-09 坡面流阻力研究进展 1，2 1，2 2，3 4 蒋昌波 ，隆院男 ，胡世雄 ，彭玉平 （1. 长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410076； 2. 水沙科学与水灾害防治 湖南省重点实验室，湖南 长沙 410076； 3. 美国宾夕法尼亚州立EastStroudsburg大学，USA 18301-2999；4. 郑州大学 工程力学系，河南 郑州 450002） 摘要：坡面流阻力的研究对了解坡面流水流特性、汇流过程、土壤侵蚀和坡面产沙机理都非常重要。本文分5个 方面总结了坡面流阻力研究的必威体育精装版进展：（1）坡面流阻力系数与雷诺数的关系；（2）光滑床面上的坡面水流阻力； （3）粗糙床面上的坡面水流阻力；（4）降雨对坡面流阻力影响的研究；（5）坡面流阻力的计算模型。综合前人研究 发现，阻力系数与雷诺数在不同的条件下呈正相关或负相关关系；用叠加法计算不同条件下的坡面流阻力有其合 理的一面，也有不足之处；粗糙动床条件下的坡面水流阻力计算模型更接近实际情况。最后，本文指出了当前坡 面流阻力研究存在的主要问题和未来需要突破的主攻方向。 关键词：坡面流；水流阻力系数；颗粒阻力；形态阻力；波阻力 中图分类号：TV148 文献标识码：A 1 研究背景 坡面流是指由降雨形成、在重力作用下沿坡面运动的浅层水流。它是降雨量超过土壤入渗及地 面洼蓄能力后产生的，经由地表汇入河道，是形成河道水流的主要组成部分，有时也称为片流或漫 ［1］ 流 。坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀及产沙的主要动力因素，研究其阻力规律对于认识坡面汇流、 土壤侵蚀、产沙的机理是极其重要的。 坡面流阻力是反映坡面流特性的一个关键参数，其特性远比河道水流复杂，受坡面地形地貌特 征、土壤质地、植被覆盖密度和类型以及降雨强度和历时等条件影响，形式颇为复杂，因而在理论 上很难描述和模拟。 20世纪70年代以来，人们主要通过实验对坡面流阻力进行了大量的研究工作，包括室内或室外 模拟降雨、放水冲刷两种方法。对坡面流阻力的研究主要是借助于明渠水流阻力概念和相应的表达 方法，如Darcy-Weisbach阻力系数、Chezy系数和Manning糙率系数等。大部分学者主要选择对Dar⁃ cy-Weisbach阻力系数进行研究，其主要原因包括：（1）Darcy-Weisbach阻力系数是无量纲表达式， 易于使用，并有助于在不同流量之间进行比较；（2）该阻力系数有一定的理论基础（StreeterandWy⁃ lie，1985）；（3）它同时适用于层流和紊流。 ［2-3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ Abrahams 、Emmett 、Foster 、姚文艺 、吴普特 、张科利 、丁文锋 、张光辉 、王 ［11］ ［12］ 文龙 、李占斌 分别在不同的条件下研究了坡面水流阻力系数，但因为实验条件、地形条件、 测量方法等方面的不同，得出的结果也不尽相同。人们在水文模型中采用的坡面流阻力系数公式 相对简单，对模拟结果的影响很大。因此，很有必要对前人在这方面的研究进行总结，找出存在的 主要问题，并探讨未来的关键研究问题，以其对将来该方面的研究提供指导作用。本文主要分5个 收稿日期：2010-02-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目51179016）；湖南省科技计划重点项目（2009TP4030-2）；湖南省百人计划 研究基金；湖南省水利厅水利建设基金资助项目 作者简介：蒋昌波（1970-），男，陕西人，教授，主要从事河流、海岸动力过程及其模拟技术研究。E-mail：jcb36@163.com