复杂下垫面降雨径流侵蚀的流动变异特性研究

With the development of economic construction, a large number of engineering accumulations, high steep slopes and channels are eroded by storm runoff, and the slope runoff forms non - Newtonian fluid with strong erosion capacity due to the variation of flow, which caused strong destruction and threatened social security. The study was weak in the characteristics of fluid variation and shallow water depth, complicated water quality, and the flow variation law influenced by both roughness of bed surface and rainfall. The methods like unconventional scale model which can reflect the internal flow structure of sheet runoff , were used for exploring the fluid and flow variation of sheet runoff. The fluid and the flow variation characteristics of the high concentration sheet flow would be researched and the resistance variation feature would be investigated and the appropriate flow equation would be analyzed in the function of rainfall runoff erosion on the complex underlying surface . The results would be able to provide theoretical support for solving the problems of the flow variation, such as the unknown dynamic mechanism of rainfall-runoff erosion, low calculation accuracy of relevant models and weak theoretical basis, etc.

随着经济建设发展，大量工程堆积体、高陡边坡及沟道在暴雨径流侵蚀作用下，坡面径流由于流动的变异形成侵蚀能力强大的非牛顿流体，从而产生强烈的破坏作用而给社会安全带来威胁。针对受床面大糙度和降雨双重影响的工程堆积体及坡沟侵蚀降雨径流的流动变异规律研究薄弱问题，采用能反映薄层径流内部流动结构的非常规比尺模型等试验方法，研究薄层径流的流体和流动变异规律。重点研究复杂下垫面降雨径流侵蚀不同污染高浓度薄层水流的流体变异特性、高浓度薄层水流的流动变异特性和复杂下垫面降雨径流侵蚀流动的阻力变异特征及适宜的方程描述，为解决目前在水动力侵蚀领域面临的降雨径流侵蚀动力机制有待深化、相关模型的计算精度低及理论基础薄弱等问题提供理论支撑。

针对坡沟侵蚀的降雨径流流体变异特征和水深浅、水质复杂、且受床面大糙度和降雨双重影响而导致的流动变异规律等科学问题研究薄弱，采用实体模拟与数学模拟的研究方法，研究了薄层径流的流体、流动及阻力的变异规律。结果表明：.（1）流体的变异特性研究。发现受污染的薄层径流会由牛顿体分别变异为宾汉或膨胀流体。如随着氮素浓度的增加，由牛顿体变异为膨胀体的临界氮素浓度约为183kg/m3。对于含有氮素的侵蚀水流，当含沙量大于235kg/m3时，流体变异为粘塑性流体。氮浓度每增加100kg/m3，屈服应力增加0-0.57N/m2。泥沙的颗粒级配与含沙量对侵蚀流体屈服应力的产生起决定性作用。分别给出了不同污染物、浓度侵蚀流体变异的临界浓度阈值、流型曲线、流变参数计算模型和流体类型分区图。.（2）流动变异研究。研究了薄层降雨径流的流动变异特性，提出了薄层降雨径流的“双紊动源”模型，给出了高陡边坡侵蚀径流的水动力学参数计算方法，研究了黄土丘陵沟壑区沟道典型工程堆积体土地整治工程（GLCP）对极端暴雨径流流动变异的影响。GLCP可以提高地表径流的拦截效率，流域下游的拦截效率大约是中游和整个流域的2倍，是上游的7倍，给出了GLCP的流域发展的合理阈值为0.8%。GLCP可以增加土壤入渗和地下水补给，减少侵蚀污染及流动变异。.（3）阻力变异研究表明，随着雨强的增大，坡面薄层水流的阻力系数呈增加的趋势。变异特征为当雨强为75m/h时，坡面Darcy-Weisbach阻力系数（f）变化范围为3.0-6.5，当雨强为90mm/h时，坡面f变化范围为5.1-25.0，当雨强为105mm/h时，坡面f变化范围为5.4-17.9。给出了不同浓度水沙污染径流的切应力与流速梯度的关系和高陡边坡降雨径流侵蚀产沙的计算方法。.本研究新发现的降雨侵蚀产沙污染径流的流体变异成为“伪膨胀体”或宾汉流体及给出的流动阻力变异的“双紊动源模型”，对深入认识坡面降雨径流的流动侵蚀机制和高陡边坡及各类工程堆积体的生产应用具有重要意义。