坡面流是坡面侵蚀的主要动力,水深极浅,易受植被因素影响,流动复杂。基于传统一维宏观测量技术,以往的研究已经证实,植被通过调整流速、流态、阻力等水动力参数发挥水土保持作用。随着植被生态建设的深入发展,植被的空间配置问题得到广泛关注,深入解析典型空间配置参数影响下的水动力特性,成为研究热点和前沿课题。本文通过开展室内坡面流试验,将模拟植被设置三类不同的空间配置方式,每类配置方式下设置多组流量过程,将高频率高分辨率粒子图像测速系统(Particle Image Velocimetry,PIV)用于坡面流局部二维流场的观测,同时采用超声波水位计获取沿程水位信息,系统分析不同植被配置条件下的水动力参数(流速、流态、阻力)的变化特征,同时重点关注局部二维水流结构(涡旋结构和紊动特性),以期丰富植被影响下的水动力特性研究视角,同时获取最佳植被配置参数,为植被生态建设提供依据。主要结论如下:(1)在单根植株上游位、平行位、下游位位置布设辅助植株,观测主植株上游的水动力参数和涡旋结构。结果显示,辅助植株可明显改变流场中的高流速区域;下游放置辅助植株时,观测区内的雷诺应力、剪切力和紊动强度值最小,马蹄涡的旋转强度最小,马蹄涡数量最多,涡旋中心位置距床面距离最远,因而主植株下游设置辅助柱体成为最佳配置方式。不同流量条件下,雷诺应力随流量变化呈现单峰特性;随着柱体雷诺数的增加,流动分离点急剧向上游移动,主马蹄涡的旋转强度与水深呈现负相关关系,伴随流量的增大会使马蹄涡旋转强度减小,植株局部的水体稳定性增强。(2)植被均匀布设条件下,以水流流向与植物排列行向之间的角度作为控制变量,设置0°、15°、45°三种空间配置方式。在三种工况下,坡面流的平均流速、雷诺数、弗劳德数与流量呈正相关关系;通过t检验表明,45°排列下的阻力系数显著大于0°和15°;流量越大,45°排列方式的增阻作用显著性降低,但主马蹄涡旋转强度增大且更加靠近植被茎秆的基部,增加基部侵蚀风险。水流刚进入植被区时,单根植株前的回流流速、主马蹄涡旋转强度均受到夹角变化影响,45°配置对植物基部的冲刷侵蚀作用最强,但水流整体流速和能量均最小。因而,45°植被行向夹角配置方式的整体阻水效果最佳,植株基部的局部侵蚀风险最高。(3)45°植株行间夹角条件下,设置高、中、低三类植株密度和上坡、中坡、下坡三类坡位,探究两类因素完全组合方式下(共6种)的水动力变化,设裸坡作为对照组。结果发现,6种工况下的平均流速、雷诺数和弗劳德数差异显著,均远大于裸坡坡面,起到了显著的阻流效果。沿程方向,植被坡面因包含植被覆盖区和无植被裸露区,水深、总能量和阻力系数均表现出显著的波动下降趋势。所有工况中,稀中密(SMD)的植被配置在增加流动阻力、储存总能量、减少侵蚀冲刷以及稳定水流方面均表现出最佳结果。以此配置为例,进一步分析流速轮廓线、雷诺应力沿水深方向和沿程方向的变化规律,流速和雷诺应力沿水深方向出现分层现象,最大流速和雷诺应力值出现在出口断面的坡面底层,发生局部冲刷的风险最高。