探析坡面薄层水流水力特性试验的条件

坡面水流主要指的是大气降水或冰山融雪后产生的水流在自身重力的作用下沿着坡面向下运动的薄层水流，是形成河道水流的主要部分，有时也称为片流或漫流。坡面水流的流态和径流常被用来表示薄层坡面水流的动力学特征[1]。由于坡面水流的流态归属于坡面薄层水流的研究领域，因此与土壤、植被环境、降雨及其冲刷的坡沟细度、密度等参数有着十分密切的关系[2-4]，其中的相关参数不同会使得坡面薄层水流的流态发生较大改变。

一些研究人员认为坡面地表的径流既是地表径流的汇集演进过程，也决定坡面土壤侵蚀发生的过程和侵蚀量[5]。探析坡面薄层水流水力特性试验的条件，当水流侵蚀能力超过土壤抗蚀性后就可能发生跌坎并产生细沟，形成坡面细沟流，最终可出现浅沟和切沟流[6]。坡面薄层水流所流过的土壤表面的粗糙度对坡面水流流态变化也会有所影响，且这种影响引起的水流动力学相关的特征变化也比较明显。现在也用糙率表征水流床面的粗糙度，它也是坡面水流水动力学特性的直接影响因素，糙率又称为有效糙率[7，8]。

当前大部分研究是针对坡面水流在没有植被覆盖的裸土表面上展开[3]，随着坡面粗糙程度不同引起的水流水力学特性的研究相对较少。很多研究者认为粗糙床面主要是通过增加水流流过的阻力使得包含薄面水流的近壁水流流区发生变化[9]。探析坡面薄层水流水力特性试验的条件，本研究通过对不同粗糙流床展开试验，对试验数据进行分析，从而得出粗糙度不同的土壤坡面水流的水流特性，以期为坡面水流的侵蚀研究以及坡面水流水动力学研究提供理论基础。

1 试验方法

1.1 试验设计

实际中坡面上的水流大多数是流床发生变化的非恒定水流，其流动过程中的有关流态参数也不断发生变化，要直接进行比较全面的观测非常困难，因此可以对其进行定量描述。本试验将坡面薄层水流看作二维水流，采用专门的坡面流设计定床阻力试验，沿水力方向设置5个观测断面，对水深和流速进行观测记录。

1)试验用的水槽为5 mm厚的有机玻璃制作，长600 cm，宽60 cm，深20 cm，其底板的坡度可以进行调节，变化范围在0°～15°。

在供水箱设置阀门和试验水槽连接，加上自来水的阀门，共设置5个调流阀门，稳流板2道，让水流比较平缓地流进试验水槽。考虑到薄面水流的水力学特性受边界条件影响较大，为使得试验数据更为精确，需要对出口的流速进行控制，保证水流平缓稳定，因此在出口水箱中设置稳流板和溢流板。

2)为保证试验的准确性，试验在人工粗糙流床进行，选取坡度为3°、6°、9°、12°、15°[10]，同时在流床底部用油漆黏上自然级配粒径均匀的沙粒，形成沙粒糙度。

3)由于研究坡面薄层水流的主要应用是为水土流失提供理论支持，因此流量不应该超出实际降雨量的范畴。为了能达到试验的要求，试验水流的单宽流量分别设置为5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、20.0、25.0、30.0、40.0、60.0、90.0 L/min。