不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應

張鴻敏, 楊方社, 李 浩, 亓 潘, 韓 琛

(西北大學 城市與環(huán)境學院, 陜西 西安 710127)

不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應

張鴻敏, 楊方社, 李 浩, 亓 潘, 韓 琛

(西北大學 城市與環(huán)境學院, 陜西 西安 710127)

[目的] 探討不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對水流流速和水深的影響，并分析和溝床糙率系數(shù)的變化及其主要影響參數(shù)，為“沙棘植物柔性壩”這一水土保持生態(tài)工程在山區(qū)溝道的推廣應用提供理論依據(jù)。[方法] 基于野外水流試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，運用理論分析的方法，探討“沙棘植物柔性壩”對水流的影響及溝道糙率的變化。探討在不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對流速變幅值、水深沿程分布的影響，并對糙率系數(shù)的變化進行了分析。[結(jié)果] 流速變幅值的大小與沙棘柔性壩壩長、種植密度和床面坡度有關(guān)；在沙棘柔性壩較長的試驗床中,流速變幅值隨著坡度的增大而增大;在沙棘種植密度較大的試驗床中,上游區(qū)的雍水深度和糙率系數(shù)值隨坡度的增大而增大。[結(jié)論] “沙棘植物柔性壩”對壩前水流流速有明顯的衰減阻滯作用，其中柔性壩壩長和植物種植密度是影響“沙棘植物柔性壩”阻水效應的主要因素。

沙棘植物柔性壩; 床面坡度; 水流流速; 水深; 粗糙率系數(shù)

文獻參數(shù)： 張鴻敏, 楊方社, 李浩, 等.不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應[J].水土保持通報，2017,37(1)：023-028.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.004； Zhang Hongmin, Yang Fangshe, Li Hao, et al. Water blocking effect of “seabuckthorn plant flexible dam” under different slopes[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：023-028.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.004

隨著水土流失和生態(tài)環(huán)境的惡化，植物措施已經(jīng)成為攔沙防洪和生態(tài)修復的一種重要的技術(shù)方法，早在70年代，國外一些學者[1]對植物的高植物樹干對水流和泥沙的干擾作用進行了研究；接著一些學者[2]對樹木加糙后的漫灘水流阻力增大等特性、天然植物的護岸、消浪和防洪作用進行了試驗研究和分析，認為植物對水流作用的最大效果是極大地降低了植物群內(nèi)的水流流速。Panigrahi K[3]選用剛性圓柱桿作為模型植物在室內(nèi)水槽內(nèi)進行植物阻水的模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在河道中種植植物能夠延緩水流流速，而且還能引起水流能量的損失；Yagci O等[4]在實驗室水槽中選用不同的挺水植物來研究植物對水流的結(jié)構(gòu)和紊動能特征變化，發(fā)現(xiàn)直立狀的植物比扁平狀的植物有更好的阻水效應；Sadeghi M A等[5]運用挺水植物在室內(nèi)水槽內(nèi)進行試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)河道中的植物引起水流紊動將進一步加劇水流橫向動量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

國內(nèi)學者時鐘等[6]、黃本勝等[7]運用不同的水力學參數(shù)對植物水流的流速特性進行了描述和研究，取得了不少成果。新疆農(nóng)業(yè)大學邱秀云等[8]在室內(nèi)利用模型樹沙棘，進行了沙棘植物對水流阻滯特性渾水模型試驗；拾兵等[9]在四川大學的高速水力學國家重點實驗室內(nèi)，用羽毛模擬沙棘植物，開展了沙棘植物滯流攔沙機理方面的試驗，也取得了不少成果；楊克君等[10]探討了不同灘地植物(喬木、灌木和野草)對復式河槽流速分布的影響，發(fā)現(xiàn)植物水流流速的垂向分布有一定的影響；李波等[11]在室內(nèi)進行了模型試驗，研究在岸邊布置不同排列方式的挺水植物對水流的影響，發(fā)現(xiàn)阻水效果隨挺水植物的布置方式不同而不同；閆靜等[12]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)植物非淹沒條件下的縱向平均流速可以表示為流量、渠寬、水深和植物密度的函數(shù)；惠二青等[13]在室內(nèi)水槽種植灌木植被和灌木—草本植被進行試驗，發(fā)現(xiàn)植被之間水流縱向流速垂向分布近似為雙曲線，植被冠層以上流速垂向分布符合冪函數(shù)曲線。羅憲等[14]在室內(nèi)水槽選用竹簽模擬喬木探討了不同灘地植被密度、植被高度對復式河槽流速分布的影響。張瑋等[15]通過草皮護坡糙率試驗發(fā)現(xiàn)草皮糙率值的大小與草皮的莖葉大小、植被的韌性、植株的密度和水流流速密切相關(guān)。葉一隆等[16]在實驗室玻璃水槽中種植布袋蓮來探究該植物對渠槽曼寧系數(shù)的影響，通過計算求得覆蓋布袋蓮之渠槽曼寧系數(shù)隨著流速變化。

以上這些試驗研究都是在室內(nèi)進行的，大多數(shù)選用的是模型樹，并非真實的植物，具有一定的局限性，西安理工大學李懷恩等[17]應用PIV(particle image velocimetry)技術(shù)開展了沙棘植物對水流表面流速影響的試驗，采用粒子圖像跟蹤測速技術(shù)對水流流速進行試驗，但是PIV法測得的流速只是沙棘柔性壩表面流速，未能測量水流表面以下的流速，所以在野外進行對水流表面以下流速的測定和研究是有必要的。

河道中種植植物能不僅能降低河床的水沙侵蝕效應來維持河床的穩(wěn)定性，而且攔截水中的懸浮顆粒物，使得河流水質(zhì)得到改善[18]?！吧臣参锶嵝詨巍焙推胀ɑ炷链髩我粯泳哂袛r沙蓄水的作用，在小流域溝道中按一定的行距和株距，在垂直于水流方向種植的一排排沙棘植物體。河道中的普通混凝土大壩直接切斷了上下游的水力聯(lián)系，并切斷了上下游生物的棲息通道，使之喪失了溝道生態(tài)系統(tǒng)的連通性。沙棘柔性壩可減緩溝道水流流速，使泥沙沉積于柔性壩的底部，在沙棘植物根部逐漸形成一個凸起的壩體，以此進一步增強沙棘柔性壩的攔沙效應。而沙棘柔性壩不僅具有透水、自我繁殖、柔性變形與動態(tài)生長、自然增高的作用，而且還能貫通上下游動植物的棲息環(huán)境、發(fā)揮攔沙保水與恢復溝道生態(tài)系統(tǒng)的作用[19]。為了研究在不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應，在野外試驗基地，采用ZLY-I型智能流速儀來測量水流流速，水深采用最小刻度為1 mm的50 cm鋼尺沿邊墻水面線沿程進行測量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，本文擬就“沙棘植物柔性壩”對水流流速以及水深沿程分布的影響進行分析和討論，并對曼寧糙率系數(shù)進行計算和探討，以期有助于人們對植物滯流攔沙機理的認識,并為“沙棘植物柔性壩”這一攔沙生態(tài)工程的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 試驗概況和設(shè)計

1.1 研究區(qū)概況

本次試驗是在陜西省寶雞市眉縣首善鎮(zhèn)余管營村的野外沙棘試驗基地開展的，試驗地土壤為黃黏土,土壤有機質(zhì)含量為8.18～34.34 g/kg，pH值范圍在7.15～8.5，屬于微堿性土壤。沙棘植物是在2015年3月栽植的，均采用交錯梅花型布置方式進行栽植，種植參數(shù)和沙棘植物的平均生長情況如表1。

1.2 試驗設(shè)施

本試驗基地的主要試驗設(shè)施包括：蓄水池、矩形量水堰、消力池、沙棘柔性壩試驗床、排水渠。試驗設(shè)施的布置見圖1，從機井抽出來的水進入蓄水池，蓄水池長8 m，寬4 m，深1.2 m，試驗中，水流從蓄水池流出進入量水堰，從量水堰流出的水流經(jīng)過引水渠進入消力池，水流平穩(wěn)后最后流入試驗床內(nèi)的沙棘柔性壩。5個試驗床，分別設(shè)有5個獨立引水渠和5個獨立消力池，每個引水渠都有一個閘門，可以任意控制其開和閉。

式中：ρ為從校準曲線上查得試液中硫酸根的質(zhì)量濃度，μg/mL；V1為測定試液的體積，mL；V為試液的總體積，mL；V2為分取試液的體積，mL；m0為試樣的質(zhì)量，g。

本試驗水流的流速用南京瑞迪高新技術(shù)公司的ZLY-I型智能流速儀來測定(圖2)。

表1 沙棘柔性壩交錯梅花型種植參數(shù)及沙棘生長特性平均值

注:a為株距(cm);b為行距(cm);p為排數(shù)。

圖1 試驗設(shè)施實物圖

圖2 ZLY-I型智能流速儀

ZLY-I型智能流速儀可與多個流速傳感器相連，儀器自動測量流速傳感器葉輪的轉(zhuǎn)速，將葉輪轉(zhuǎn)速自動儲存，并在面板顯示屏上顯示轉(zhuǎn)速出來。智能流速儀通過串口通信口與電腦連接通訊，只要將流速傳感器的流速與轉(zhuǎn)速之間的率定關(guān)系輸入電腦專用軟件的數(shù)據(jù)文件中，智能流速儀根據(jù)電腦的指令將流速傳感器的葉輪轉(zhuǎn)速迅速準確的傳送到電腦中，由電腦中的相應程序自動記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應的流速的率定曲線關(guān)系式轉(zhuǎn)換為相關(guān)的流速形成文本文件。試驗所測的流速是指沿橫斷面方向垂直向下距水流表面2 cm深的水流流速。

1.3 水力參數(shù)計算

1.3.1 斷面平均流速 平均流速是水流強度的主要衡量指標，根據(jù)水流的連續(xù)性方程，斷面垂線平均流速v可采用下面公式來進行求解，其計算公式為：

v=Q/A

(1)

A=h(a+b)/2

(2)

式中：A——過水斷面面積(m2)；Q——試驗水流流量(m3/s),本次試驗選取的流量為0.03 m3/s；h——實測斷面平均水深(m)，在植物排前10 cm處斷面兩邊和中間3個點進行測量水深值，然后求取平均值(過水斷面是梯形斷面);a——試驗床溝道水面寬(m)；b——試驗床溝道底寬(m)，本次試驗取1.17 m，b取1.05 m。

(3)

式中：R——水力半徑(m)近似取斷面平均水深h(m)；i——水力坡度，近似取溝道床坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對水流流速的影響

在試驗過程中運用水泵，保持水流流量恒定，且流量值Q=0.03 m3/s,由于沙棘植物柔性壩對壩前水流有明顯的阻力效應[21]，為了探討不同坡度下“沙棘植物柔性壩”對水流流速的影響，在本次試驗中距每個沙棘植物排前10 cm處作為測流速的試驗點來測流速大小，選取的床面坡度分別為1%，5%和10%。

流速儀在斷面處測出8個點的流速值之后求取平均值，運用公式η=(v0-vi)/v0(v0是溝道沿程30 cm處的流速平均值，vi是第i排沙棘植物前的流速平均值)計算出流速變幅值來進行分析不同斷面流速的沿程變化情況。圖3是在不同坡度下各試驗床不同斷面平均流速變幅值η沿程變化狀況圖。

圖3 不同坡度條件下各試驗床不同斷面平均流速變幅值沿程變化趨勢

從圖3中可以看出，在各排沙棘的作用下，平均流速的變幅值都是大于零的，這說明在各排沙棘的作用下，對沙棘植物排前水流流速的衰減是非常明顯的。從1號床的流速沿程變化可以看出，在10%坡度條件下，其流速衰減效應是最好的，其次是5%，然后是1%；流速變幅值在前兩排沙棘植物前是增加的，這可以說明在前2排沙棘植物的阻擋作用下，流速減小的幅度是比較大的；坡度為1%時，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排沙棘植物前，其變幅值為0.394，往后的斷面的流速變幅值都小于該值，而且有波動現(xiàn)象；坡度為5%時，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排沙棘植物前，其變幅值為0.592，往后斷面的流速變幅值都小于該值，波動幅度比較大；坡度為10%時，在4.5 m處的流速變幅值是最大的，即第6排沙棘植物前，其變幅值為0.621。由此可以看出，在壩長較長時隨著坡度的增大，流速的變幅值也在增大，而且流速變幅值的最大值所對應的斷面是沿程往后移動的。

從2號床和3號床的流速沿程變化中可以看出，在3個不同坡度下2號床流速變幅值的波動起伏現(xiàn)象比3號床要大，和1號床與4號床相比較，2號床與3號床的流速變幅值都比較小，由于2號床的沙棘種植密度比3號床的要大，2號床種植的沙棘對水流流速的衰減效應比3號床要明顯，尤其是在前2排沙棘前，第3排和第4排前的流速變幅值都在減小，往后斷面的流速變幅值卻在增大，坡度為1%時，在3.7 m處的流速變幅值是最大的，即第5排植物前，其變幅值為0.453，坡度分別為5%和10%時，在4.55 m處的流速變幅值是最大的，即第6排植物前，其變幅值分別為0.474，0.358。即隨著坡度的增加，流速變幅值的最大值所對應的斷面是沿程往后移動的。在3號床坡度為1%時，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排植物前，其流速變幅值為0.431，坡度為5%時，在3.7 m處的流速變幅值是最大的，即第5排植物前，其流速變幅值為0.351，坡度為10%時，在4.5 m處的流速變幅值是最大的，即最后一排植物前，其流速變幅值為0.291，也可以看出流速變幅值的最大值所對應的斷面是沿程往后移動的。

1號床和4號床相比較，發(fā)現(xiàn)4號床的流速變幅值沿程波動狀況比1號床要平緩一些，各斷面處的流速的變幅值都大于零，說明各沙棘植物排前的流速都小于初始值v0，沙棘植物排的阻水效應非常明顯；坡度為1%時，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排植物前，其流速變幅值為0.466；坡度為5%時，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排植物前，其流速變幅值為0.435；坡度為10%時，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排前，其變幅值為0.971，這是因為該試驗床的最后兩排長勢不是很好，與前面的沙棘長勢相比，后2排沙棘的株高都比較矮小，阻水效應也就減弱了；當坡度從1%增加到5%時，流速變幅值的最大值所對應的斷面沿程是往后移動的，而且隨著坡度的增大，流速的變幅值也在增大。

2.2 不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對水深的影響

在本次試驗中測量了沙棘植物前的水深，選取的測水深點和測速點一樣，都是距沙棘植物排前10 cm處，選取斷面中間和兩邊3個點進行測量，然后求取平均值。圖4是在3個不同坡度條件下，即1%，5%和10%，恒定流量Q=0.03 m3/s時沙棘植物前水深的沿程變化狀況。

圖4 不同坡度條件下各試驗床不同斷面水深沿程變化率系數(shù)的變化規(guī)律

從圖4中可以看出，4個試驗床中的水深h沿程變化大致都呈波浪形，入口處的前兩排沙棘植物前的水深迅速減小，然后緩慢增加；隨著的坡度的增大，上游區(qū)雍水深度在增加，這在1號和2號床中表現(xiàn)的比較明顯，1號床和4號床相比較，1號床的上游區(qū)雍水深度明顯比4號床大，同樣，2號床的上游區(qū)雍水深度明顯比3號床大，這說明在坡度較大，沙棘柔性壩的壩長相同的條件下，沙棘植物的種植密度越大，上游區(qū)雍水深度越大。從圖中還可以看出，當坡度為1%時，水深的沿程分布有很大的波動起伏現(xiàn)象，尤其在1號,2號床中，當坡度為5%時，水深的沿程分布也有波動起伏現(xiàn)象，但是沒有1%坡度那樣明顯，當坡度為10%時，水深的波動起伏狀況趨于平緩，這說明在沙棘植物種植密度較大的試驗床中，水深的波動起伏是隨著坡度的增大而減小的。

2.3 不同坡度條件下沙棘溝道床的曼寧糙率系數(shù)

河道中的植物對水流的阻水效應機理是非常復雜的，其主要表現(xiàn)在植物的糙率系數(shù)上[22]，這是水力學計算過程中比較重要的問題；植物的糙率系數(shù)不是一個常數(shù)，而是隨著植物的類型、生長狀況、密度以及水流的深度和流速等不同而變化。在本次試驗過程中運用水泵，保持流量恒定，通過計算得出的雷諾數(shù)大于2 300，說明試驗為紊流；由于試驗床中水流水深沿程是變化的，其底坡線、水面線、總水頭線彼此是不平行的，可以說明試驗本身就是非均勻流；在計算和分析粗糙率系數(shù)時，用每兩個相鄰斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算該兩個斷面之間的沙棘排的粗糙率，因為緊密相鄰的兩個斷面之間的距離較小，為了探討沙棘排的粗糙率系數(shù)，把相鄰兩個斷面之間的水流近似當做均勻流處理，從而可用曼寧公式進行計算。通過測得的數(shù)據(jù)和利用公式(1)，(2)，(3) 將糙率系數(shù)進行計算和分析，表2是通過計算得出的4個試驗床的糙率系數(shù)值。

表2中的數(shù)據(jù)是在4個試驗床內(nèi)不同斷面處通過公式計算求得的，在1號溝道床中選取沿程0.5，2.1，3.7，5.3和6.9 m這5個斷面，在其他3個試驗床中選取沿程3個斷面，通過公式計算出的沙棘柔性壩糙率系數(shù)的范圍大致介于0.03～0.32，這與葉一隆等[16]的研究結(jié)果比較接近，即當河道中種植有布袋蓮時，根據(jù)水流流速的不同，布袋蓮的曼寧糙率系數(shù)的范圍為0.026～0.416。

表2 各個試驗床不同坡度條件下計算出的糙率系數(shù)值

通過不同試驗床對比發(fā)現(xiàn)，在沙棘種植密度較大的試驗床中，不同斷面的糙率系數(shù)值沿程變化幅度比較大，尤其是在1號床中，坡度為10%時沿程變化幅度較明顯，最大值為0.288，在3.7 m處，最小值為0.245，在2.1 m處，平均值為0.262；坡度為5%時，糙率系數(shù)值的最小值為0.091，在2.1 m處，這是由于該處往后的沙棘長勢不是很好，有缺苗的現(xiàn)象，未能及時補苗造成的；坡度為1%時只有微小的波動，由此可以看出隨著坡度的增大，糙率系數(shù)值的變化幅度越大。

通過4個表的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，在大坡度條件下計算得出的糙率系數(shù)值較大，這在1號和2號床中表現(xiàn)的比較明顯，主要由于1號和2號床中種植的沙棘密度較大，坡度較大時測得的沙棘植物排前的水深較深，使得溝道內(nèi)的水流能夠充分接觸沙棘的樹枝和葉子，對水流的阻力進一步增大，由此導致在較大坡度下試驗床的糙率系數(shù)較大。

3 討論和結(jié)論

(1) 在“沙棘植物柔性壩”的作用下，每個沙棘植物排前的平均流速的變幅值都大于零，“沙棘植物柔性壩”對水流流速有非常明顯的衰減作用，流速變幅值的沿程變化呈先增大，后減小，然后再增大這樣一個趨勢。隨著坡度的增大，植物排前平均流速變幅值的最大值所對應的斷面是沿程往后移動的，表明植物排前的平均流速的最小值所對應的斷面是沿程往后移動的。

(2) 在壩長較長的條件下，坡度越大，植物排前流速的變幅值就越大，說明在壩長較長的溝道試驗床中，當坡度較大時“沙棘植物柔性壩”對的水流流速有非常良好的衰減作用；流速的變幅值的不同主要是由于柔性壩壩長、種植密度和床面坡度等因素造成的。

(3) 坡度越小，沙棘植物排前的水深沿程波動狀況比較明顯，坡度越大，植物排前的水深沿程波動狀況趨于平緩；在沙棘植物種植密度較大的試驗床中，上游區(qū)雍水深度較大，而且隨坡度的增大而增大，這說明植物排前雍水深度的不同主要是由于沙棘植物的種植密度和床面坡度造成的。

(4) 沙棘植物的種植密度是影響溝道床糙率系數(shù)的主要參數(shù)，由于在坡度和種植密度較大的試驗床中的植物排前雍水深度較深，使得水流能充分接觸沙棘的樹枝和葉子，阻水效應進一步增大，由此可以說明糙率系數(shù)隨坡度的增大而增大。

(5) 為了降低河床的水沙侵蝕效應，建議在坡度較大的河道中種植植物盡量增加其柔性壩壩長，若經(jīng)濟狀況還能允許，還可以增大植物的種植密度，這樣不僅能維持河床的穩(wěn)定性，而且還能有效地攔截水流中的泥沙。

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Water Blocking Effect of “Seabuckthorn Plant Flexible Dam” Under Different Slopes

ZHANG Hongmin, YANG Fangshe, LI Hao, QI Pan, HAN Chen

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] The objective of the study is to investigate the effect of the seabuckthorn plant flexible dam (SPFD) on the longitudinal distribution of flow velocity and water depth, and to analyze the variation of the roughness coefficient and related influencing factors, thus providing the theoretical support for the application and extension of the SPFD, one of the ecological engineering for soil and water conservation, in the mountainous region. [Methods] We carried out the field flow experiment and used the theoretical analysis to investigate the effect of the SPFD on water flow and the variation of gully roughness coefficient. We also assessed the effect of the SPFD on the longitudinal distribution of flow velocity and water depth, and analyzed the roughness coefficient variation along the pathway direction under the different slopes of the test bed. [Results] The amplitude of flow velocity variation was related to the dam length, the plantation density of the seabuckthorn and the test bed slopes. The flow velocity variation amplitude increased with the increasing slope of the test bed with the longer SPFD. The heap water depth and the roughness coefficient at the upstream zone increased with increasing slope within the test bed with the higher seabuckthorn plant density. [Conclusion] The seabuckthorn plant flexible dam has obvious blocking effect on flow velocity in the front of the dam, and the dam length and the plant density are the main factors affecting the bloocking effect of the SPFD.

seabuckthorn plant flexible dam; test bed slope; flow velocity; flow depth; roughness coefficient

2016-04-11

2016-07-01

國家自然科學基金項目“沙棘柔性壩攔沙機理及其攔沙效應優(yōu)化的試驗研究和數(shù)值模擬”(51279163)

張鴻敏(1990—),男(漢族),青海省民和縣人,碩士研究生,研究方向為水土保持和非點源污染治理。E-mail:zhm6903@126.com。

楊方社(1975—),男(漢族),陜西省武功縣人,博士,教授,主要從事河流泥沙動力學及生態(tài)工程應用研究。E-mail:yangfangshe978@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0023-06

S175.1