各种描述坡面流动规律的坡面流模型中都不可避免要遇到坡面流阻力问题,因此坡面流的阻力规律一直是坡面流研究中备受关注的关键问题之一。
由于坡面地表条件及坡面流运动的复杂性,坡面流阻力规律与一般明渠水流的阻力规律有很大的不同。坡面流阻力不仅与坡面流的流态有关,而且还受到雨滴打击、地表粗糙度、坡面微地貌,以及植被覆盖等因素的影响。由于问题的复杂性,目前仍主要借用明渠水流阻力公式简化处理,并常常采用谢才公式和曼宁公式计算阻力,把问题主要归结为对阻力系数的探讨。
对坡面流阻力系数的探讨主要使用达西-魏斯巴赫阻力系数,建立阻力系数与坡面流流态之间的关系。由于问题的复杂性,一般阻力系数取决于地表粗糙度和坡面流的流态,并根据地表粗糙与坡面流水深和流态的关系进行分区,建立阻力系数与雷诺数之间的定量关系:
式中为坡面流雷诺数。对于层流流态,
为常数;对于紊流和混合流,
为与流态和地表条件有关的参数。
随着认识的深入,人们逐渐认识到阻力的来源有很大的差异,而将其分解为不同的阻力来源。对于各种阻力来源的处理则是直接将分解为不同的部分。目前较一致的认识是,可以根据地表特征差异将坡面流阻力分为4个部分,或者说坡面流阻力主要有4个来源即:颗粒阻力
、形态阻力
、波阻力
和降雨阻力
。颗粒阻力是指由高度小于10倍水流黏性底层厚度的土壤颗粒和微团聚体引起的阻力,主要与地表颗粒粗糙度有关。形态阻力包括地表微地形、植被、砾石等较大的粗糙源产生的分离涡和二次流耗散的能量。波阻力包括更大尺度的地表变形造成的水流表面明显起伏、流速突变或流线分离等产生的阻力。降雨阻力是雨滴打击造成水流延迟产生的相应附加阻力。并且认为这些阻力是可以相互叠加的,即有:
长期以来,坡面流阻力问题得到了大量广泛深入的研究,但由于问题异常复杂,尚无成熟而广泛适用的阻力公式。