0 引 言

坡面流是由降雨或融雪在扣除地面填洼、截留以及下渗等损失后在重力作用下沿着坡面运动的浅层明流，它是坡面侵蚀的初始动力，同时也是造成土壤及母质破坏、搬运、沉积的关键因素[1-2]。坡面流一般水深只有几个毫米，沿程流向不稳定，且不断有质量源、动量源汇入[2-4]，并且易受下垫面条件、降雨强度、地表覆盖度[5-7]和试验坡度等条件影响，使得其相关研究更加复杂，有待进一步深入探讨。

目前，坡面流的研究主要集中在流态分析和阻力分析方面。关于坡面流流态方面， Horton[8]将坡面流流态定义为介于层流和紊流之间的混合流态；Emmett[9]通过试验分析将坡面流定义为不同于层流、过渡流和紊流的“扰动流”；吴淑芳等[10]通过野外放水冲刷试验将水流流态定义为与流量和下垫面相关的一种流态；沙际德等[11]通过理论推导与试验相结合的方法将坡面流流态定义为介于层流和紊流之间的过渡流；张光辉[12]通过变坡水槽试验将水流流态定义为与水深密切相关的过渡流与紊流；张宽地等[13]通过加糙床面的放水试验定义流态指数，提出“层流失稳”的概念。在坡面流阻力方面，其影响要素主要集中在下垫面条件与雨强2个方面。施明新等[14-15]通过模拟糙度的定床冲刷试验，认为阻力随糙度（糙度是反应下垫面粗糙情况的常用指标）增加而增大；而蒋昌波等[16]认为颗粒阻力与形态阻力最本质的区别在于粗糙单元如何与水相互作用，在糙度不断增大的过程中，2种阻力形式会发生转变，故不应单纯认为阻力系数随糙度的增加而增大。又如：陈国祥等[17]通过模拟降雨试验表明降雨具有增加坡面流阻力的作用；张宽地等[18-20]通过相关领域不同方面的试验研究认为阻力系数跟雨强成反比例关系；而潘成忠等[21]通过研究表明雨强对阻力系数无影响；但是，张小娜等[22]通过室内模拟试验得出了阻力系数随着雨强增大呈现先增加后减小的趋势，结论与前者的存在差异。由此可见，对坡面流的研究成果虽然已经有诸多问世，但是存疑颇多，而且只有极少数研究[23]涉及滚波，对滚波的影响有待进一步研究。

本文通过模拟降雨同放水冲刷相结合的方法，对不同雨强、糙度条件下坡面薄层水流的水动力学特性做系统性的研究，阐明雨强、糙度对坡面流水动力特性的影响，并给出考虑雨强、糙度作用的坡面流阻力计算公式，旨在促进坡面薄层流理论的发展。此外，本研究将有助于从泥沙运动学的角度探究坡面层流失稳的本质，为构建坡面流侵蚀模型奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计与方法

本模拟降雨试验在中科院水利部水土保持研究所的人工降雨大厅中进行，采用QYJY-503固定式人工模拟降雨系统，该系统主要分为4大部分：供水系统、降雨系统、控制系统、显示系统。该降雨大厅分为4个相互独立的降雨区，降雨高度均为16 m，降雨均匀度大于0.80，雨滴大小的调控范围是0.4～5 mm，雨强的连续变化范围是30～300 mm/h。

综合坡面薄层水流自身的复杂性和测量数据的准确性2方面因素，确定了如下几项试验设计要点：

1）本试验采用可调坡度的钢架水槽，并在底部铺设3 cm厚的硅酸盐玻璃，以此保证槽底的水平。坡度调节采用单个油压升降立柱并配合双刚性支架来实现，试验所用钢槽长6.00 m、宽0.50 m、深0.25 m，试验坡度为15.0°。

2）为保证落在钢槽底板上的雨滴动量相近，还原自然降雨条件下坡面流的情况，本试验降雨高度均控制在16 m。考虑黄土高原临界侵蚀雨强为30.0～36.0 mm/h，而最大峰值雨强为144.0 mm/h[24]，本试验雨强共设置5个梯度：0、60.0、90.0、120.0、150.0 mm/h。每场模拟降雨开始前，都需要通过雨量筒对雨强进行率定，调整为设计雨强。

3）考虑到黄土高原地区多年平均降水量（550 mm）及最大暴雨强度（144.0 mm/h[24]），并结合预试验获得的坡面流失稳的可能单宽流量范围0.210～0.952 L/(min·m)，钢槽上游放水单宽流量确定为0.176、0.331、0.481、0.658、0.991 L/(min·m)，共5个处理。考虑到光面条件下坡面流特殊水力现象（即光面条件下，坡面流失稳流量变化范围太大）的研究，去掉雨强150.0 mm/h，同时单宽流量增加了3个处理，分别为1.322、1.655、2.488 L/(min·m)。钢槽的尾部设置有漏斗形的集水装置，每个流量工况开始前，都需通过体积法测流量3次，取其平均值作为本试验流量。

4）为模拟天然下垫面的糙度，试验共计6种模拟糙度，包括硅酸盐玻璃光面（糙度近似为0），另外5种是通过粘贴水纱布与砂子结合的方法来实现，粘贴的水纱布分别为240、120、240目，按照国标换算后的粒径分别为0.061、0.12、0.70 mm，粘贴的砂子换算后的粒径分别为1.77、3.68 mm。本文采用了尼库拉兹在20世纪30年代提出的床面糙度表示方法，糙度尺寸用粗糙度系数ks表示，其值代表粘贴砂砾的平均直径[13]。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0128/484.html

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