[发明专利]坡面薄层水流流速修正系数预测方法及装置

说明书

本发明提供了一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法及装置，包括如下步骤：在倾斜设置的冲刷水槽的槽底铺设地表覆被物，模拟自然坡面覆被状况；调整冲刷水槽的倾斜角度，模拟自然坡面的坡度；向冲刷水槽提供稳定水流，并调整水流流量参数值至试验目标流量；测量冲刷水槽内薄层水流的表层流速和水深，进而计算冲刷水槽内薄层水流对地表覆被物的淹没度，以及冲刷水槽内薄层水流的平均流速、雷诺数和修正系数；根据淹没度分别建立非淹没态和淹没态下坡面薄层水流流速修正系数预测模型。本发明能有效提高修正系数预测精度和平均流速计算精度，为开展坡面薄层水流水动力研究提供理论依据，降低实验研究成本。

技术领域

本发明涉及地表水文过程技术领域，特别是涉及一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法及装置。

背景技术

坡面薄层水流的水深一般只有毫米级至几个厘米，由于其水深限制，很多流速测量仪器设备不能直接测量薄层水流流速。因此，在实践中通常采用染色示踪法测量坡面薄层水流流速，该方法量得到的流速为坡面薄层水流的表层流速。但在水文模型以及水力学计算中使用的流速参数为平均流速，为获得水流的平均流速，需用表层流速乘以一个流速修正系数α。目前，现有大量研究将流速修正系数视为常数值，通常根据不同水流流态将α取值为0.67(层流)、0.70(过渡流)和0.80(紊流)。

自然坡面分布着大量不同大小的粗糙元，比如石头、草本、枯落物等。当坡面薄层水流流经这些粗糙元时，水流的特性(如流速、水深)会随着粗糙元淹没条件的变化而发生明显的改变。因此，在不同淹没条件下薄层水流的垂直流速分布不再是对数分布，而呈现出不规则的分布形式，如S形分布。此时，修正系数α也随之发生相应的变化，α的值不再是常数。由此可见，在坡面覆被粗糙元的条件下，确定合适而准确的流速修正系数值，直接关系到平均流速的计算精度。

发明内容

本发明提供一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法及装置，用以解决现有技术中无法预测覆被条件下坡面薄层水流流速修正系数的缺陷，实现对覆被条件下薄层水流流速修正系数的准确预测且简单易行，为在野外开展坡面流速测量及相关水文计算提供理论依据和技术支持。

本发明提供一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法，包括如下步骤：

在冲刷水槽的槽底铺设地表覆被物，模拟自然坡面覆被状况；

调整所述冲刷水槽的倾斜角度，模拟自然坡面的坡度；

向所述冲刷水槽提供稳定水流，并调整水流流量参数值至试验目标流量；

测量所述冲刷水槽内薄层水流的表层流速和水深，进而计算所述冲刷水槽内薄层水流对所述地表覆被物的淹没度，以及所述冲刷水槽内薄层水流的平均流速、雷诺数和修正系数；

根据所述淹没度分别建立非淹没态和淹没态下坡面薄层水流流速修正系数预测模型。

根据本发明提供的一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法，所述在冲刷水槽的槽底铺设地表覆被物，模拟自然坡面覆被状况步骤中，还包括：

在所述冲刷水槽的槽底铺设模拟土壤层，将设定尺寸的所述地表覆被物按设定覆被比例Cr铺设于所述模拟土壤层表面。

根据本发明提供的一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法，所述向所述冲刷水槽提供稳定水流，并调整水流流量参数值至试验目标流量步骤中，还包括：

通过调节供水水箱与所述冲刷水槽连接管路上的变频水泵和球阀，使进入所述冲刷水槽的水流的流量调整至试验目标流量Q。

根据本发明提供的一种坡面薄层水流流速修正系数预测方法，所述测量所述冲刷水槽内薄层水流的表层流速和水深，进而计算所述冲刷水槽内薄层水流对所述地表覆被物的淹没度，以及所述冲刷水槽内薄层水流的平均流速、雷诺数和修正系数步骤中，还包括：