坡面汇流的试验研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com水利学报SHUILIXUEBAO第7期，，锚坡面汇流的试验研究j墨●-—彰_—一查岂——旦—一王安智敏‘西安空军工程学院机场建筑系)·提要f2f／7i角本文根据大量的室内模拟降雨汇流试验，分析了降雨强度．雨型、面形状、坡度及粗糙度等因素对坡面汇流的影响．着重探讨了雨强与洪峰流量及忙流时间的关系．雨型对洪峰流量的影响规雒等问题，对坡面汇流的理论研究及小流域的径流计算都具有孤c宴的煮业关键词坡面模拟降雨·试验研究·雨型，丝!’避!嚏一．、前言坡面流问题是水文研究的重要基础．天然坡面受降雨、坡面特性的综合影响，

2、汇流状况比较复杂．由于水层薄、流动不稳定，野外观测比较困难．因此，室内模拟降雨试验已成为坡面流研究的重要手段．目前，国内外已有不少模拟降雨试验装置，用于产、汇流及坡面侵蚀等研究“．本文利用空军工程学院研制的室内模拟降雨汇流试验装置，分析了降雨强度、雨型、坡面形状、坡度及表面粗糙度勾图1下垫面形状示意对坡面流的影响，以探讨坡面汇流的规律精，验证现有的坡面汇流理论二、试验装置及试验内容(一)试验装置模拟降雨汇流试验装置由供水系统、降雨系统、量测控制系统和下垫面组成．降雨面积105m2，由一系列水管上均匀布置的1600多个喷嘴滴水来模拟降雨．降雨过程由微机控

3、制，雨强可在2mm／min内变化．下垫面为12×8．5m的水泥或沥青坡面，划分成两块，形状为矩形、梯形和三角形，见图1．坡面一侧有矩形边沟，出口用三角堰测流．系统能自动记录两个三角堰的水位过程，并由计算机换算成流量过程后自动打印．试验装置的详细介绍见文献[3】．}本文于1992~1tl2月21日收到●—‘84·●维普资讯http://www.cqvip.com(=赋验内容为了研究降雨及坡面特性对汇流的影响，进行了下列试验．1．降雨降雨分为均匀和不均匀雨强两种．均匀雨强从0,6至2．Omm／min共8种，历时5—_8min，坡面水流达到稳定状态；不均匀降

4、雨共有lO种雨型，包括多种三角形和梯形，平均雨强均为1mm／min．降雨历时2_{min．2．下垫面下垫面形状有矩形、三角形和梯形；坡度分别为0．8％、1．6％、3．2％；材料有水泥混凝土和沥青砂两种，水泥表面拉毛，糙率较大，而沥青表面较光滑．各种降雨强度、雨型、下垫面坡度、形状及糙率的组合共约700种，每种重复2、3次，共计模拟了1600多场降雨．三、试验资料分析试验资料的分析可从水文学和水力学两个方面进行．本文主要从水文学角度，分析各单项因素对坡脚或沟槽出口流量过程的影响，从而揭示坡面汇流的一些规律．(一)雨强的影响雨强是坡面汇流的主要影响因素．当

5、均匀降雨持续一段时间后，坡面出El达到稳定的最大流量Q根据水量平衡原理，Q与雨强，和汇水面积，成正比，eP：Q(1)试验结果完全与之相符，见图2．雨强同时影响流量过程线的形状，当雨强增大时，坡面水层增厚，流速加快，汇流时间缩短．在雨强均匀时，从降雨开始到流量达到稳定的时间为汇流时间．图3是汇流时间T与雨强，的关系，在双对数纸上呈直线趋势，可用下式表示：T=f／I”．(2)式中，n为指数，一般在0．4左右；T。为参数，与坡面长度、坡度、糙率等有关，详细分析见文献[4]．田2稳定流量Q与雨强，f冉关系田3汇巍时间f与雨强州冉关系由于坡面流速随雨强而变，引起

6、了坡面汇流的非线性，涨水和退水段的流量不满足倍比原理．但平衡段的流量与雨强成正比，满足线性关系．若对均匀降雨下的流量过程一85—维普资讯http://www.cqvip.com无量纲化，即绘出Q(Q／Q)和(f／f)的关系，可以发现雨强对Q一t关系并无影响．图4是8种雨强的无量纲涨水过程点据，图中点据都在平均线周围，没有随雨强变化的规律．这与奥弗顿(D．E．Overton)~人分析结果是一致的”，也与坡面流的运动渡理论相符．坡面运动波方程为：f丛+型：r{at。9x‘。(3)Q=ah，式中Q为单宽流量，h为水深，，为净雨强，t为时间，X为距离，、m为参

7、数．当雨强均匀，可求得解析解．其中坡脚的平衡流量：Q儿，(4)式中为坡面长．此式与式(1)一致，因单宽坡面的面积等于坡长．涨水段的流量为：Q／Q=“／f)。，(5)此式中Q／Q与／f是单值关系，与雨强无关．这与图4的结果一致．式中为：【■)，(6)此式与式(2)一致，其中I的指数为一1)／m，当采用曼宁公式，取m=5／3时．指数为0．4，也与试验结果相符．类似地可得退水段的流量过程：一+()_o-c式中f，为降雨停止以后的时间．可见无量纲化的退水过程也与雨强无关．这说明在时间无量纲化后，不但平衡段符合倍比原理，在涨水和退水段也可用倍比原理，这为流域汇流

8、非线性改正提供了一条新思路．笔者据此提出的变动面积一时间曲线法就是这一原理的应用，取得一定的效