研究坡面薄层流水动力学特性是研究水力侵蚀的基础。然而由于流态的复杂性和观测手段的限制,目前对坡面薄层流流速及结构特征的认识十分有限,对多因素交互影响下薄层流动力特性的变化尚未达成一致认识。本文采用高频粒子图像测速系统(Particle Image Velocimetry,PIV),探讨了纵垂面坡面薄层流的二维时均流速剖面特征,比较分析其与明渠水流的异同;进一步探究了单株模拟植被上游对称面的薄层流结构特征。通过开展人工模拟降雨试验,系统研究了地表粗糙度、模拟降雨、模拟植被影响下的坡面薄层流水动力学参数的变化规律,并比较了坡面薄层流总阻力与各个阻力分量之间的关系。主要结论如下:1、由雷诺应力分布拟合得到的摩阻流速u*可有效用于坡面薄层流流速剖面及特征参数的估算,据此,流速剖面可划分为受粘性应力影响的内区及受雷诺应力影响的外区,且内外区的界线可变。从床面至水面的流速特征,可划分为4个亚区:粘性底层、缓冲层、对数区及半深度区。根据内外区界限位置y/H,积分常熟C和阻尼系数A的性质,得到本实验条件下薄层流区分于明渠流的水深临界值为1.8 cm;2、提取单株模拟植物上游薄层行近流的时均和瞬时流速特征,通过概率密度函数的曲线特征发现薄层流中的两种流动状态,即回流和下降流,其中下降流由于薄层流动量较小而不能穿过紧贴床面的涡旋,从而直接冲击床面形成,因而本文认为其为存在于薄层流的特殊流动模式。观测并分析时均流场的马蹄涡(Horseshore Vortex,HV)结构特征,阐明其随柱体雷诺数(ReD)变化而呈现3个阶段的运动状态变化,同时验证了地表粗糙度对HV的显著性影响;3、通过开展人工模拟降雨试验发现,坡面薄层流阻力系数与地表粗糙度呈正比关系,与雷诺数Re、雨强呈反比例关系,随着雨强的增加阻力系数减小,降雨具有“减阻”的效果。当坡面有植被时,坡面流阻力系数与Re之间呈正相关,而对于裸坡两者呈负相关。通过配对t检验表明颗粒阻力与降雨阻力,颗粒阻力与植被阻力线性叠加结果显著小于总阻力,证明线性叠加原理不适用于坡面流阻力的计算中;4、分析了植被的盖度与空间格局对坡面薄层流的影响,盖度对坡面薄层流的影响大于植被空间格局对坡面薄层流的影响,随着坡度的增加植被空间格局的作用逐渐减小。当盖度一定时,空间均匀分布(角尺度为0)格局对坡面薄层流产生的阻力最大。以上研究成果可为土壤侵蚀机理奠定理论基础,同时,为森林经理提供一定的技术支持。