含沙水流在植被斑塊中的輸沙規(guī)律及阻力機(jī)制試驗

李佳頤，宋艷暾，蔡崇法，郝蓉，占昌華，溫希望

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

水流是土壤侵蝕的動力和泥沙輸移的載體。從坡面水流到河道連續(xù)體系中，侵蝕輸沙過程隨時空尺度的變化更加復(fù)雜[1-2]。河漫灘景觀是汛期淹沒沉積、非汛期出露侵蝕的灘地，屬于低梯度河流景觀。河漫灘景觀因梯度較低，水流能量較小，泥沙顆粒通常以懸浮形式輸移，受年際水位變化影響易產(chǎn)生含沙水流，是潛在的流域侵蝕源區(qū)。地表含沙水流潛入河流、湖泊、水庫等地時形成的一種特殊水沙運(yùn)動現(xiàn)象被定義為重力流。STURM等[3]根據(jù)含沙水流與環(huán)境流體（河水、湖水）之間密度差的大小將懸移質(zhì)形成的重力流分為異輕流（hypopycnal flow）、等密度流（homopycnal flow）和異重流（hyperpycnal flow）三類。據(jù)PARSONS等[4]試驗觀察，異輕流和等密度流均會逐步發(fā)育為異重流。MULDER等[5]認(rèn)為異重流是一種準(zhǔn)穩(wěn)定濁流，流體密度或濃度水平較低且沿著運(yùn)移路徑緩慢變化。在淡水環(huán)境中，考慮對流現(xiàn)象（finger convection）下形成異重流的沉積物臨界濃度很低（＜1 kg/m3）[4-6]。因此，灘區(qū)形成的含沙水流在水力學(xué)中多為異重流（hyperpycnal flow），又稱濁流（turbidity currents），特指含沙水流遇到密度較小流體時，在密度差的驅(qū)動下下潛并沿河床底部長距離運(yùn)移、且不與環(huán)境流體相混的水流過程。異重流形成的關(guān)鍵是與環(huán)境流體存在密度差異，按密度差的形成原因可將異重流分為鹽度異重流、溫度異重流和泥沙異重流。泥沙異重流為最常見的形式，是海陸間泥沙輸移的主要動力，與侵蝕源匯系統(tǒng)密切相關(guān)[5]。河流沉積物輸移途中在河漫灘等低梯度地區(qū)發(fā)生的暫時性沉積為泥沙異重流的形成提供了大量碎屑物質(zhì)，為便于理解文中仍將這種特殊的水沙運(yùn)動現(xiàn)象稱為含沙水流。

隨景觀梯度降低，植被逐漸成為推動水流結(jié)構(gòu)、泥沙侵蝕輸移和景觀格局等時空演變的主要驅(qū)動因素[7]。植被特性、泥沙特性及由兩者決定的河床表層土壤抗侵蝕性均對河漫灘景觀的自身穩(wěn)定性和抗侵蝕性產(chǎn)生影響。土壤抗侵蝕性和水動力條件是決定侵蝕強(qiáng)度或侵蝕能否發(fā)生的兩個關(guān)鍵因子。土壤侵蝕3個子過程中（土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積），土壤分離過程與水動力關(guān)系的研究較多[8-9]，水動力條件影響泥沙輸移和泥沙沉積過程的研究較為薄弱[10]。因此，植被條件下的水沙輸移及沉積過程受到廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外已開展了大量含植被水沙運(yùn)動的研究，植被特性對流體結(jié)構(gòu)及阻力機(jī)制的影響逐漸成為含植被水沙運(yùn)動研究重點。開閘式水槽試驗法（lock-exchange flume studies）已在研究中廣泛采用，如TANINO等[11]在開閘式平坡水槽試驗中利用鹽水配置的流體對植被阻力展開試驗研究；BARCELONA等[12]利用開閘式水槽試驗對比了流體在植被與無植被情況下的演變規(guī)律；王雨杭等[13]利用開閘式斜坡水槽試驗開展了剛性植被對流體運(yùn)動特性的影響研究。近些年，學(xué)者通過植被阻力系數(shù)CDa[14-17]、曼寧糙率系數(shù)n[18]等參數(shù)量化植被阻力，利用水槽試驗及數(shù)值模擬探究了植被高度、密度、淹沒度、柔韌性、斑塊長度、排列方式等植被特性對水流-植被-泥沙間流固耦合關(guān)系的影響[17,19-21]。如V?STIL?等[15]根據(jù)植被特征參數(shù)量化植被阻力，描述了植被中懸移質(zhì)泥沙侵蝕和沉積規(guī)律，同時指出縱向平流是為河漫灘提供細(xì)泥沙的重要途徑。多項研究表明[22-24]，植被的存在降低了流體時均速度和紊動能，對懸移質(zhì)泥沙沉積模式產(chǎn)生影響。近年來研究發(fā)現(xiàn)植被形態(tài)和冠層結(jié)構(gòu)是決定植被改變流體結(jié)構(gòu)及泥沙輸移能力的重要因素[25]，但目前仍缺乏其對流體運(yùn)動規(guī)律及阻力機(jī)制影響的定量研究[26]。

此外，泥沙自身屬性對水沙輸移及沉積過程的影響尚不清晰，而這正是明晰自然環(huán)境中含沙水流輸沙規(guī)律的關(guān)鍵。研究利用以菖蒲（Acorus calamusL.）和茼麻（Abutilon theophrastiMedicus）為原型制作的仿真植物，按隨機(jī)分布方式布設(shè)不同密度的植被斑塊，并用天然泥沙配置不同粒徑級配含沙水流，在開閘式平坡水槽試驗中探究了具有自然植物冠層形態(tài)特征的植被斑塊對含沙水流輸沙規(guī)律和阻力機(jī)制的影響，同時研究了泥沙粒徑級配因素與含沙水流運(yùn)動規(guī)律間的反饋機(jī)制。本研究可為河漫灘景觀水力侵蝕機(jī)制的深入研究提供參考，為流域侵蝕輸沙過程和河流水沙資源管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗布置

試驗在長450 cm、寬30 cm、高40 cm 的矩形平坡水槽中進(jìn)行（圖1），水槽的邊壁和底板由甲基丙烯酸酯樹脂制成，其無色透明的特性便于觀察。開閘式平坡水槽試驗系統(tǒng)由可拆卸垂直閘門分成蓄水段（150 cm）和試驗段（300 cm）兩部分，在蓄水段配置初始含沙量C0為6 g/L 的含沙水流。試驗通過可拆卸閘門將兩種不同密度的流體分離開，以產(chǎn)生突然釋型含沙水流。當(dāng)閘門被移開時含沙水流沿水槽底部向密度較小的環(huán)境流體中流動，環(huán)境流體在其上方反向流動。水槽底部放置15個直徑4 cm、高1.8 cm 的泥沙收集器ST0 至ST14。以閘門處為含沙水流運(yùn)動起點（0 cm），閘門左側(cè)（-）20 cm 處放置ST0，閘門右側(cè)（+）試驗段每隔20 cm 處放置ST1 至ST14，鋪設(shè)PVC 板以固定泥沙收集器和仿真植物。用攝像機(jī)記錄含沙水流運(yùn)動過程。

圖1 水槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laboratory flume

本試驗中提出以葉片長寬比R（leaf length-width ratio）作為衡量單株植物冠層形態(tài)特征的指標(biāo)，即葉片長寬比R較大的植物其冠層形態(tài)較大。因本試驗主要考慮冠層葉片形態(tài)特征產(chǎn)生的影響，在制作仿真植物時已確保每株植物的株高及葉片垂向排列情況基本一致。選取兩種仿真植物布設(shè)植被斑塊（圖2），菖蒲（Acorus calamusL.）葉片長寬比R為18.15，冠層葉片形態(tài)為條形，以該植物組成的植被斑塊在文中表示為R18.15S；茼麻（Abutilon theophrastiMedicus）葉片長寬比R為1.47，冠層葉片形態(tài)為圓形，以該植物組成的植被斑塊在文中表示為R1.47R。

圖2 仿真植被斑塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of the simulated vegetation patches

式中R為葉片長寬比；L為單株植物葉片長度，cm ；W為單株植物葉片寬度，cm。

將單株仿真植物按隨機(jī)函數(shù)生成的點位布置于水槽底部，以布設(shè)隨機(jī)分布的植被斑塊。為了更好的描述植被密度，使用固體植被部分SPF（solid plant fraction）對植被密度進(jìn)行了量化，固體植被部分SPF定義為植被斑塊中植物莖占用的河床面積[27]，計算式如下：

式中SPF為固體植被部分，用于表示植被密度，%；N為植物數(shù)量；d為植物莖直徑，cm；A為植被斑塊所占面積，cm2。在本試驗中SPF設(shè)置為1%、2%，試驗水深12 cm。

為突出天然泥沙的非球狀不規(guī)則自然特征，試驗采用從湖北省梁子湖河漫灘收集的泥沙配置3 種粒徑比例的含沙水流，并使用馬爾文3 000 粒度分析儀對其進(jìn)行分析。將粒徑10～100 μm 的泥沙歸為粗粒徑懸移質(zhì)（粗粉粒和細(xì)砂粒），為弱黏性顆粒；粒徑1～10 μm 的泥沙歸為細(xì)粒徑懸移質(zhì)（黏粒和細(xì)粉粒），為極黏性顆粒。按粗粒徑懸移質(zhì)初始占比將沙樣分為S66%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為66%的泥沙樣品）、S75%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為75%的泥沙樣品）、S82%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為82%的泥沙樣品）。少數(shù)體積較大的泥沙顆粒很快從含沙水流中沉淀出來，因此在分析中未考慮。

1.2 試驗方法

1）配置含沙水流：去除泥沙樣品中的樹葉、根系等雜物，篩分去除大于0.5 mm 的顆粒，在水槽蓄水段按一定比例配置含沙水流，充分?jǐn)嚢韬髮⒑乘畼拥够匦钏?，混合均勻，使得每次試驗的含沙水流初始含沙量C0為6 g/L。

2）水槽試驗過程及流速測定：將仿真植物和泥沙收集器固定在水槽底部，注水至預(yù)設(shè)水深，關(guān)閉閘門后，在蓄水段中配置初始含沙量C0為6 g/L 含沙水流。打開閘門，含沙水流在密度差的驅(qū)動下流入試驗段。使用攝像機(jī)全程記錄含沙水流運(yùn)動過程，通過影像資料對含沙水流鋒面進(jìn)行邊緣檢測，得到含沙水流的時間演變規(guī)律并確定其流速。當(dāng)含沙水流運(yùn)動到水槽末端后，將泥沙收集器同時蓋上蓋子，以避免泥沙再次受到含沙水流影響。試驗結(jié)束后，緩慢排干水流，取出泥沙收集器。

3）泥沙的處理及分析：首先對泥沙進(jìn)行預(yù)處理：向收集的泥沙中加入2 ml 30%的雙氧水，水浴加熱至有機(jī)物完全去除且懸液無氣泡產(chǎn)生，待其冷卻后調(diào)節(jié)pH 值為7，使用離心機(jī)離心去除上清液，按一定的水沙比加入超純水，搖勻后取0.5 ml 測樣。利用激光粒度儀進(jìn)行分析，得到沉積泥沙的粒徑級配。

1.3 試驗工況

采用3 種沙樣、2 種仿真植物和2 種植被密度組合，確定試驗工況（表1）。試驗使用圖像二值化處理后得到的植物莖直徑d和單位體積內(nèi)冠層正面面積a（a=Nd/A，其中N為植株數(shù)量，A為植被斑塊所占床面的面積，cm2）計算得到的無量綱植被斑塊密度Dn（non-dimensional canopy density，Dn=ad）量化植被斑塊特征，試驗參數(shù)見表1。試驗中Dn值（0.01 ＜Dn＜ 0.1）均在觀察到的自然植被冠層密度范圍內(nèi)[28]。

表1 試驗參數(shù)表Table 1 Test parameter table

1.4 含沙水流運(yùn)動狀態(tài)分析及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 含沙水流運(yùn)動狀態(tài)分析

為明確含沙水流演化過程和輸沙規(guī)律，根據(jù)含沙水流運(yùn)動狀態(tài)將其演化過程劃分為慣性力階段（inertial regime）、自相似階段（self-similar regime）、阻力主導(dǎo)階段（drag-dominated regime）和粘滯力主導(dǎo)階段（viscous regime）[11,29-31]。

在慣性力階段，含沙水流以恒定的速度運(yùn)動，其運(yùn)動速度只與有效重力加速度g′ 和水深H有關(guān)。該階段含沙水流頭部運(yùn)動位置x與時間t成正比[11]。

式中x為含沙水流頭部運(yùn)動位置，cm；g′為有效重力加速度，cm/s2；H為水深，cm；t為運(yùn)動時間，s。

式中g(shù)為重力加速度，cm/s2；ρc為含沙水流密度，g/cm3；ρa(bǔ)為環(huán)境流體密度，g/cm3。

含沙水流受到上方環(huán)境流體回流的影響時，若流體阻力較小可假定阻力系數(shù)CDa為常數(shù)，則含沙水流進(jìn)入自相似階段，該階段運(yùn)動由浮力和慣性力主導(dǎo)。隨著時間的推移，流動速度變慢，其頭部運(yùn)動位置隨時間演變規(guī)律為x∝t2/3[29]。

含沙水流流經(jīng)含植被或其他障礙物區(qū)域時，所受阻力增加，含沙水流會逐漸從慣性力階段轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇χ鲗?dǎo)階段[30-32]，其演變規(guī)律為x∝t1/2[33]。在阻力主導(dǎo)階段，含沙水流所受植被阻力大于慣性力和床壁阻力，可通過植被阻力系數(shù)CDa量化植被產(chǎn)生的阻力，其計算方法見式（7）。

式中q0為單寬流量，cm2/s；?為植被斑塊所占的體積分?jǐn)?shù)。

式中?為植被斑塊所占的體積分?jǐn)?shù)；a為單位體積內(nèi)冠層的正面面積[34]，cm-1；Dn為無量綱植被斑塊密度，Dn=ad。

當(dāng)流體擴(kuò)散到足夠薄時，流體運(yùn)動狀態(tài)由兩種流體之間的黏滯力決定，含沙水流進(jìn)入黏滯力主導(dǎo)階段，其演變規(guī)律為x∝t1/5[11]。

1.4.2 植被阻力系數(shù)CDa計算

使用植被阻力系數(shù)CDa量化植被冠層形態(tài)對水流演變的影響。計算式如下[35]：

式中CDc為單株植物阻力系數(shù)。

式（7）中單株植物阻力系數(shù)單株植物CDc計算式[36]為

式中Rec為以植物莖直徑為特征長度的莖稈雷諾數(shù)，冠層內(nèi)尾流紊動的產(chǎn)生與Rec有關(guān)，其計算式[36]為

式中U為冠層內(nèi)時均流速，cm/s；υ為清水運(yùn)動黏滯系數(shù)，cm2/s，υ=0.008 97 cm2/s。

因清水和含沙水流的黏性和容重等性質(zhì)不同[37]，研究考慮了泥沙粒徑級配對流體運(yùn)動黏滯系數(shù)的影響，使用清水和含沙水流的運(yùn)動黏滯系數(shù)分別計算莖稈雷諾數(shù)Rec，其中含沙水流運(yùn)動黏滯系數(shù)υm計算式[38]為

式中sυ為體積含沙量百分?jǐn)?shù)；d50為泥沙中值粒徑，μm。

1.4.3 無量綱沉積通量DF計算

使用無量綱沉積通量DF（non-dimensional depositional flux）量化含沙水流中泥沙沉積的量。無量綱沉積通量DF越大，表示泥沙沉積的量越小，其計算式[31]為

式中D為非黏性泥沙沉積通量；c0為初始濃度，g/L；v0為閘門處的初始流速，cm/s。

非粘性泥沙沉積通量表示單位時間內(nèi)通過某一斷面流體中泥沙量，本文使用非黏性泥沙沉積通量，計算式如下[39]：

式中ω為天然泥沙顆粒沉降速度，cm/s；c為水槽底部泥沙濃度，g/L。

式（12）中ω預(yù)測式[40]為

式中dK為泥沙有效粒徑，μm；d*為無因次顆粒參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 含沙水流的輸移及沉積規(guī)律

圖3 繪制出無量綱沉積通量DF沿程變化規(guī)律。從圖中可看出，所有試驗工況下含沙水流無量綱沉積通量DF沿程均呈下降趨勢且下降幅度有所差異，表明含沙水流輸移過程中發(fā)生的泥沙沉降受植被冠層形態(tài)和泥沙粒徑級配影響。

圖3 固體植被部分SPF 為2%的植被斑塊中含沙水流的無量綱沉積通量變化規(guī)律Fig.3 Variation pattern of non-dimensional depositional flux of sand-bearing flow in vegetation patches with 2% SPF of solid plant fraction

SOLER等[31]研究表明，含沙水流流經(jīng)植被斑塊時，泥沙沉積作用力可分為慣性力主導(dǎo)、阻力主導(dǎo)和黏滯力主導(dǎo)3個階段。最初以慣性力為主，隨后變?yōu)樽枇χ鲗?dǎo)狀態(tài)，前2個階段過渡轉(zhuǎn)換距離為閘門下游總水深的5.1～7.6倍[32]。本研究中，慣性力主導(dǎo)階段位于水槽0～61 cm 區(qū)域，此階段無量綱沉積通量DF基本保持不變，泥沙沉積主導(dǎo)作用力為慣性力，與SOLER等[32]研究結(jié)果一致。試驗條件下，在一定距離的過渡區(qū)后（x=61～91 cm），無量綱泥沙沉積通量DF下降趨勢增加（圖3），泥沙沉積速度加快。

相同粒徑級配條件下，植被斑塊R18.15S中沿程DF均低于植被斑塊R1.47R，且DF在植被斑塊R1.47R中降幅較小，隨葉片長寬比R值的增加DF降幅增加。本試驗條件下，R值由1.47 變化為18.15，3 種級配濃度的含沙水流S66%、S75%、S82%的DF降幅分別增加了12.87%、26.38%、22.27%。植被斑塊R18.15S的DF值較低且DF降幅較大。由此可見，R值較大的植被斑塊對含沙水流的泥沙攔截作用更強(qiáng)，無量綱沉積通量DF值更低，泥沙沉積的量更大。

同時，本試驗在兩種冠層形態(tài)的植被斑塊R18.15S和R1.47R均表現(xiàn)為含沙水流S66%沉積通量最低、沉積的量最大，含沙水流S82%沉積通量最高、沉積的量最小，并不是粗粒徑懸移質(zhì)含量越高越易沉積，表明無量綱沉積通量DF除受到葉片長寬比R表征的冠層形態(tài)影響外，與其粒徑級配也有密切關(guān)系。懸移質(zhì)泥沙的垂向運(yùn)動（沉積）是由流體紊動、顆粒本身的紊動以及顆粒間碰撞共同作用下的結(jié)果。細(xì)粒徑懸移質(zhì)慣性較小，能夠較好地隨紊動流體運(yùn)動，與周圍流體的相對運(yùn)動速度較小，對尾流內(nèi)擾動很弱、顆粒紊動強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)可忽略不計。而粗粒徑懸移質(zhì)慣性較大，顆粒保持自身運(yùn)動狀態(tài)能力很強(qiáng)，與周圍流體存在較大的相對運(yùn)動，使尾流內(nèi)顆粒紊動效應(yīng)增強(qiáng)。含沙水流S82%中粗粒徑懸移質(zhì)含量高，泥沙顆粒紊動強(qiáng)度最大，導(dǎo)致了無量綱沉積通量DF較高。含沙水流中泥沙顆粒紊動強(qiáng)度與粗粒徑懸移質(zhì)含量呈正比，粗粒徑懸移質(zhì)含量的增加不利于泥沙沉積。本試驗中，含沙水流S82%輸移到180 cm 處時幾乎停止前進(jìn)，其輸移距離最短。因此，試驗條件下泥沙顆粒中粗粒徑懸移質(zhì)（10～100 μm 的弱黏性顆粒）含量高的含沙水流無量綱沉積通量DF最大，即泥沙沉積的量最少且輸移距離最短。

圖4 顯示無量綱沉積通量率隨水流鋒面所受植被冠層阻力的變化趨勢，含沙水流沿水槽運(yùn)動過程中鋒面所受的植被阻力用位移尺度下的無量綱冠層阻力CDaax（non-dimensional canopy dragforce at each position）來表示，其中CDaa為動量吸收尺度（momentum absorption scale），x為含沙水流隨時間運(yùn)動位置。含沙水流在運(yùn)動初期處于慣性力主導(dǎo)階段，直至CDaax≈4.5 時，無量綱沉積通量率基本保持不變，表明含沙水流在此階段能保持其濁度，這與SOLER等[32]研究結(jié)果相似。在慣性力主導(dǎo)階段，無論冠層形態(tài)，無量綱沉積通量率與CDaax無關(guān)且近似恒定，其值為（1 ± 0.05）。進(jìn)入阻力主導(dǎo)階段后，無量綱沉積通量率隨CDaax的增加呈冪律下降，其斜率為（-1.14 ± 0.12）（R2=0.69，P＜＜0.05）。由此可知，試驗條件下的阻力主導(dǎo)階段中，植被冠層形態(tài)及泥沙粒徑級配與泥沙沉降之間存在著強(qiáng)烈的反饋機(jī)制。床沙組成變化是流域侵蝕輸沙研究的重要組成部分。對所有工況下床沙的中值粒徑進(jìn)行分析，含沙水流從初始位置（閘門處）運(yùn)動到水槽末端，河床泥沙中細(xì)粒徑懸移質(zhì)含量不斷增加，床沙粒徑級配呈細(xì)化趨勢（圖5）。不同粒徑級配條件下，細(xì)粒徑懸移質(zhì)在植被斑塊R18.15S中沉積的量更多，植被斑塊R18.15S中床沙更細(xì)。兩種冠層形態(tài)的植被斑塊R18.15S和R1.47R中，均為含沙水流S82%的床沙細(xì)化趨勢更顯著。因此，試驗條件下，沿含沙水流運(yùn)動方向底床泥沙細(xì)化趨勢受植被斑塊冠層形態(tài)特征及泥沙粒徑級配影響。

圖4 無量綱沉積通量率隨位移尺度下無量綱冠層阻力的變化趨勢Fig.4 Trends in non-dimensional depositional flux ratio with nondimensional canopy dragforce at each position

圖5 固體植被部分SPF 為2%的植被斑塊中床沙中值粒徑變化趨勢Fig.5 Trends in median diameter of bed sand in vegetation patches with 2% SPF in solid plant fraction

2.2 植被冠層阻力分析

將植被阻力系數(shù)CDa與莖稈雷諾數(shù)Rec繪制于圖6，由圖可知，植被阻力系數(shù)CDa隨莖稈雷諾數(shù)Rec的增加而略微減小。在所有工況下，植被斑塊R1.47R的平均阻力系數(shù)CDa=1.07，植被斑塊R18.15S的平均阻力系數(shù)CDa=0.81，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點分層情況的原因為植被阻力系數(shù)CDa主要受植被冠層形態(tài)影響。

圖6 植被阻力系數(shù)CDa 與莖稈雷諾數(shù)Rec 的關(guān)系Fig.6 Relationship between vegetation drag coefficient CDa and stem Reynolds number Rec

為確定植被阻力根據(jù)冠層形態(tài)變化的規(guī)律，用植物莖尺度下的無量綱冠層阻力CDaad（non-dimensional canopy dragforce at the plant stem scale）表示植被冠層形態(tài)特征對含沙水流的影響，繪制了無量綱植被斑塊密度Dn與無量綱冠層阻力CDaad的關(guān)系圖（圖7）。在研究中，無量綱冠層阻力CDaad受植物冠層形態(tài)、植被密度和泥沙粒徑級配的影響。

圖7 植物莖尺度下無量綱冠層阻力CDaad 與無量綱植被斑塊密度Dn 的關(guān)系Fig.7 Relationship between non-dimensional canopy dragforce at the plant stem scale CDaad and non-dimensional canopy density Dn

如圖7 所示，無量綱冠層阻力CDaad與植被密度為正相關(guān)關(guān)系。同密度條件下，植被斑塊R18.15S的CDaad值均大于植被斑塊R1.47R，即冠層形態(tài)特征較大的植被斑塊中含沙水流所受冠層阻力更大。試驗中植被條件一定時，無量綱冠層阻力CDaad在泥沙粒徑級配影響下存在差異，但相較于植被特征，泥沙特性對植被冠層阻力的影響較為細(xì)微。

植被阻力系數(shù)CDa受植被特征影響的同時還與水流條件有關(guān)，但計算CDa時并未充分考慮水流條件。為將水流條件與植被特征體現(xiàn)在一個量綱數(shù)CDa上，考慮了泥沙粒徑級配對流體運(yùn)動黏滯系數(shù)的影響，使用清水和含沙水流的運(yùn)動黏滯系數(shù)分別計算莖稈雷諾數(shù)Rec。

結(jié)果如圖5 所示。含沙水流中的懸浮泥沙沉降概率隨粒徑的減小而降低，當(dāng)粗粒徑懸移質(zhì)沉降時，部分細(xì)粒徑懸移質(zhì)可以保持懸浮狀態(tài)隨含沙水流運(yùn)動到更遠(yuǎn)的距離。

圖6 中顯示使用清水和含沙水流的運(yùn)動黏滯系數(shù)計算的莖稈雷諾數(shù)Rec基本相同。結(jié)果表明，相比與泥沙粒徑級配對流速的影響，其對含沙水流黏滯特性的影響程度較為微弱。由此可知，同濃度含沙水流中，泥沙粒徑級配對莖稈雷諾數(shù)Rec的影響主要表現(xiàn)在流速的變化上。因此，不同粒徑級配的含沙水流中植被阻力系數(shù)CDa的差異主要也由流速變化引起。

繪制含沙水流流速變化規(guī)律圖8。含沙水流流速的大小取決于泥沙沉降，無植被條件下，因沉降造成的泥沙損失減小了含沙水流與周圍流體之間的密度差，使含沙水流減速。本試驗條件下，不同粒徑級配含沙水流的泥沙沉速及所受植被冠層阻力不同，導(dǎo)致其運(yùn)動過程中密度差減小的程度和速度不同，進(jìn)而影響水流演變過程。在試驗中，含沙水流流速隨時間推移逐漸減小，但受泥沙粒徑級配影響的流速變化規(guī)律尚不清晰，有待深入研究。

圖8 含沙水流位置隨時間演變規(guī)律Fig.8 Evolution of the location of sand-bearing flow with time

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)開閘式平坡水槽試驗，選取2 種仿真植物、2 種植被密度和3 種粒徑級配的天然泥沙樣品，研究了冠層尺度下植被斑塊對水沙運(yùn)動的影響及其阻力機(jī)制。試驗條件下的主要結(jié)論有：

1）含沙水流輸移及沉積過程受植物冠層形態(tài)特征和粗粒徑懸移質(zhì)（10～100 μm 的弱黏性顆粒）含量影響。粗粒徑懸移質(zhì)含量低的含沙水流在冠層形態(tài)較大的植被斑塊中無量綱沉積通量更低，泥沙易于沉積。植被冠層形態(tài)較大或粗粒徑懸移質(zhì)含量高的含沙水流中，沿水流運(yùn)動分析床沙細(xì)化趨勢更顯著。

2）隨機(jī)分布狀態(tài)下，研究發(fā)現(xiàn)密度和冠層形態(tài)較大的植被斑塊產(chǎn)生的冠層阻力較大，對水流結(jié)構(gòu)的影響越大，阻水?dāng)r沙效應(yīng)越強(qiáng)。相較于植被特性，泥沙粒徑級配對植被冠層阻力的影響程度較低。

3）根據(jù)動力機(jī)制對含沙水流運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行劃分，發(fā)現(xiàn)在阻力主導(dǎo)階段植被冠層形態(tài)及泥沙粒徑級配與無量綱沉積通量間存在強(qiáng)烈的反饋機(jī)制。位移尺度下的無量綱冠層阻力CDaax＜ 4.5 時（慣性力主導(dǎo)階段），無量綱沉積通量率基本保持不變；CDaax＞ 4.5 時（阻力主導(dǎo)階段），無量綱沉積通量率隨CDaax的增加呈冪律下降，植物冠層形態(tài)及植被密度均與冠層阻力存在正反饋機(jī)制。