河岸帶碎屑餌料起動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

王正央 陳卓 馮鏡潔 李然

收稿日期：2023-10-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“梯級(jí)開發(fā)河流洪水過程與水生態(tài)效應(yīng)互饋機(jī)制及其協(xié)同調(diào)控研究”（52039006）；國家自然科學(xué)基金長江水科學(xué)研究聯(lián)合基金“長江經(jīng)濟(jì)帶小水電河流生態(tài)系統(tǒng)完整性評估監(jiān)測與修復(fù)”（U2240212）。

作者簡介：王正央（1999—），男，甘肅慶陽人，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水利。#通信作者：馮鏡潔（1986—），女，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水力學(xué)，E-mail：

fengjingjie@scu.edu.cn。

摘 要：以對雅礱江進(jìn)行采樣分析得到的碎屑餌料特性為參考，制備實(shí)驗(yàn)碎屑餌料，設(shè)計(jì)了無碎屑、4.8%、9.1%、16.7%等不同碎屑餌料質(zhì)量含量工況的模擬河岸，利用實(shí)驗(yàn)室可控水流系統(tǒng)探究流速對河岸帶碎屑餌料補(bǔ)給起動(dòng)的影響。結(jié)果表明，無碎屑餌料、4.8%、9.1%和16.7%碎屑餌料質(zhì)量含量所需的起動(dòng)流速分別為40.2、37.8、35.1和32.4 cm/s。隨著碎屑餌料含量增加，向河流補(bǔ)給所需要的起動(dòng)流速降低。實(shí)驗(yàn)條件下，得到碎屑餌料起動(dòng)流速與碎屑餌料質(zhì)量含量關(guān)系為。計(jì)算得到雅礱江錦屏段采樣區(qū)的碎屑餌料起動(dòng)流速為39.7 cm/s。研究成果可將傳統(tǒng)水生態(tài)關(guān)注的餌料補(bǔ)給定性分析拓展至與水力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)的定量影響，為河流碎屑餌料補(bǔ)給測算以及河流水生態(tài)系統(tǒng)健康保障提供科學(xué)數(shù)據(jù)與支撐。

關(guān)鍵詞：碎屑餌料；起動(dòng)；河岸帶；水生態(tài)；機(jī)理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P734.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

河岸帶是指由于水位改變而使河岸周邊土地在最高水位與最低水位之間呈現(xiàn)季節(jié)性淹沒和出露的干濕交替過渡區(qū)域[1]，是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間養(yǎng)分通量的重要區(qū)域[2]。河岸帶的有機(jī)碎屑可補(bǔ)給至河流，為魚類等提供餌料物質(zhì)，稱為有機(jī)碎屑餌料或碎屑餌料[3]。碎屑餌料主要為濾食性魚類、底棲動(dòng)物的食物來源。相關(guān)學(xué)者[4]對金沙江段的取樣結(jié)果表明，碎屑餌料對草食性魚類和濾食性魚類的汛后貢獻(xiàn)率均超過30%。汛期碎屑餌料的補(bǔ)給對魚類育肥過程意義重大，梯級(jí)水庫格局下，河道內(nèi)高流量過程顯著降低，庫區(qū)的流速降低至接近靜水狀態(tài)，流速和淹沒條件變化改變了碎屑餌料對河流的補(bǔ)給。因此，量化河岸帶碎屑餌料補(bǔ)給的起動(dòng)特性與水力學(xué)條件的關(guān)系很有必要。

基于雅礱江天然河岸帶采集到的碎屑餌料密度和質(zhì)量含量，通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)，模擬含碎屑餌料的河岸帶在不同水流條件下的碎屑餌料入河補(bǔ)給特性，探究不同碎屑餌料含量下的起動(dòng)流速，并建立碎屑餌料起動(dòng)流速與其質(zhì)量含量的定量關(guān)系，為河岸帶碎屑餌料入河量測算和保障河道內(nèi)魚類攝食來源的水生態(tài)保護(hù)及其調(diào)度研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在順直實(shí)驗(yàn)水槽中開展，水槽長15 m、寬0.5 m、高0.3 m（圖1）。采用人工碎屑餌料泥沙混合材料構(gòu)建實(shí)驗(yàn)段河岸，實(shí)驗(yàn)段位于水槽中部，橫截面為底邊長16 cm、高12 cm的三角形。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中可觀測到，進(jìn)水口附近水流流態(tài)變化劇烈，會(huì)導(dǎo)致人工河岸發(fā)生侵蝕，進(jìn)而加劇水流流態(tài)的變化，對碎屑餌料起動(dòng)造成影響。為消除影響，在實(shí)驗(yàn)段兩端均固定一段與實(shí)驗(yàn)段同截面的長為4 m的木質(zhì)河岸模型用于穩(wěn)流，水槽末端設(shè)有可調(diào)節(jié)高度的擋板。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 碎屑餌料實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)前，至雅礱江錦屏段采樣，采集所得無機(jī)質(zhì)為泥沙、礫石、顆粒態(tài)鹽，有機(jī)質(zhì)為植物碎片及小型動(dòng)物尸體。分別使用1.2 、1.4 g/mL硅膠懸濁液，對土壤中碎屑有機(jī)物進(jìn)行分餾操作，得到的碎屑餌料質(zhì)量占樣品質(zhì)量的比例為碎屑餌料質(zhì)量含量。雅礱江大河灣河段河岸帶各采樣點(diǎn)中，碎屑餌料質(zhì)量含量最大為1%，密度≥1.4 g/cm3的碎屑餌料質(zhì)量占比超過80%，碎屑餌料尺寸大于0.15 mm占比超過85%、碎屑餌料尺寸＞0.3 mm占比超過60%。

采樣結(jié)果未能獲取到詳細(xì)的粒徑分布，據(jù)研究[5]，水體中碎屑餌料粒徑處于0.1～0.5 mm之間，各站位的平均粒徑大多＞0.2 mm。結(jié)合現(xiàn)場采樣分析和文獻(xiàn)調(diào)研成果，制備實(shí)驗(yàn)用人工碎屑餌料，采用聚乙烯和氧化鈣高溫熔結(jié)。為了實(shí)驗(yàn)中便于肉眼區(qū)分，將碎屑餌料制備為紅色（圖2）。實(shí)驗(yàn)所用的人工碎屑餌料平均密度采用1.4 g/cm3；粒徑介于0.15～0.3 mm和0.3～0.5 mm的碎屑餌料各占50%。

1.2.2 河岸帶實(shí)驗(yàn)材料

河岸材料為采用天然河道過濾非泥沙物質(zhì)后的粗顆粒泥沙，其干密度為1.61 g/cm3，自然密度為2.25 g/cm3。使用攪拌機(jī)按工況設(shè)置的比例進(jìn)行混合，為了測試混合物的均勻性，對各工況混合物隨機(jī)采集質(zhì)量為20.00 g的樣品10個(gè)，使用密度分離法測量樣品中碎屑餌料的質(zhì)量。分離提取使用油和氯化鋅溶液協(xié)同進(jìn)行，油的密度為0.9 g/cm3，氯化鋅溶液密度配制為1.6 g/cm3。當(dāng)各樣品中碎屑餌料平均質(zhì)量誤差＜5%，則認(rèn)為碎屑餌料和泥沙混合均勻程度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用機(jī)理實(shí)驗(yàn)，改變水力學(xué)條件探究河岸碎屑餌料隨流速變化的起動(dòng)特性。將碎屑餌料泥沙混合物壓實(shí)在水槽中形成河岸帶。在實(shí)驗(yàn)開始前，人工河岸屬于干燥狀態(tài)。為減少系統(tǒng)誤差，同時(shí)降低初始水流脈動(dòng)作用帶來的沖刷影響，使用低流速對實(shí)驗(yàn)段河岸進(jìn)行浸潤，使得河岸的含水率接近天然情況下有水流浸潤的狀態(tài)。浸潤時(shí)流量為3.57 L/s，水深10.3 cm，流速0.085 m/s，該流速條件河岸碎屑餌料基本無起動(dòng)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極小。

完成浸潤后，逐步增大水流流速觀察碎屑餌料起動(dòng)情況。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，對比“增大流量”和“減小擋板”兩種流速控制方法。由于較難控制流量無級(jí)平順增加，流量變化時(shí)導(dǎo)致水流的流速突變，會(huì)導(dǎo)致短暫、局部的河岸碎屑餌料入河，不利于實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)。比較后采用恒定進(jìn)水流量，按1 cm逐級(jí)降低水槽尾部擋板高度，以此逐漸增大流速。各級(jí)流速條件下穩(wěn)定10 min，觀察實(shí)驗(yàn)段是否發(fā)生顯著碎屑餌料起動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)監(jiān)測流速、水深等參數(shù)。

最后，對推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)階段的劃分及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)段床面有個(gè)數(shù)可數(shù)的碎屑餌料開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)為碎屑餌料開始起動(dòng)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)段床面各處均觀察到碎屑餌料隨水流運(yùn)動(dòng)，且在穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)均觀察到碎屑餌料運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)不可數(shù)時(shí)，認(rèn)為該流速下持續(xù)有碎屑餌料隨水流起動(dòng)，此時(shí)流速為碎屑餌料起動(dòng)流速。

1.4 實(shí)驗(yàn)工況

為探究碎屑餌料起動(dòng)條件與水力學(xué)條件的關(guān)系，以河岸中碎屑餌料質(zhì)量含量作為控制變量。在采集到的雅礱江天然河岸樣品中，碎屑餌料質(zhì)量含量為1%，模擬天然河岸碎屑餌料質(zhì)量比1∶100進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)條件下碎屑餌料質(zhì)量含量較少導(dǎo)致測量誤差較高。本實(shí)驗(yàn)中則放大天然河岸碎屑餌料質(zhì)量含量，以降低測量誤差導(dǎo)致對規(guī)律的影響。共開展4組工況（表1）。工況2、3、4情況下，樣品中碎屑餌料理論質(zhì)量分別為0.95、1.18、3.33 g。樣品中碎屑餌料平均質(zhì)量分別為0.97、1.85、3.30g，平均相對誤差分別為4.9%、2.5%、1.8%。各樣品誤差均小于5%，認(rèn)為泥沙與碎屑餌料的混合程度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用碎屑餌料起動(dòng)流速的判定方法，得到不同工況下碎屑餌料起動(dòng)流速（表2）。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)條件下，河灘中不同質(zhì)量含量碎屑餌料的起動(dòng)流速不同，工況1（無碎屑餌料）河岸泥沙的平均起動(dòng)流速為40.2 cm/s，工況2（碎屑餌料質(zhì)量含量4.8%）、工況3（碎屑餌料質(zhì)量含量9.1%）和工況4（碎屑餌料質(zhì)量含量16.7%）的河岸碎屑餌料的平均起動(dòng)流速分別為37.8、35.1和32.4 cm/s。

2.2 起動(dòng)流速與碎屑餌料質(zhì)量含量的關(guān)系分析

碎屑餌料起動(dòng)流速與碎屑餌料質(zhì)量含量的關(guān)系如圖2所示?？紤]到隨著碎屑餌料質(zhì)量含量的增加，河岸帶碎屑餌料起動(dòng)流速不會(huì)無限減小，采用指數(shù)關(guān)系擬合起動(dòng)流速和碎屑餌料質(zhì)量含量關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到河岸帶碎屑餌料起動(dòng)流速的經(jīng)驗(yàn)公式：

UCD=40.2e-0.013ω（1）

其中：UCD為碎屑餌料起動(dòng)流速，單位為cm/s；ω為碎屑餌料質(zhì)量含量。由公式可知，雅礱江錦屏河段的碎屑餌料對應(yīng)的起動(dòng)流速為39.7 cm/s。

2.3 與粗顆粒泥沙起動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式的對比分析

為了分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式的合理性，收集已有泥沙起動(dòng)流速計(jì)算的經(jīng)典公式，包括我國的李寶如、鄭兆珍及王尚毅，以及前蘇聯(lián)的克諾洛茲等。文獻(xiàn)中起動(dòng)流速的與粒徑D、水力半徑R有關(guān)，采用本實(shí)驗(yàn)中工況1的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行計(jì)算，粒徑采用床沙組成中接近最粗的一部分粒徑作為代表粒徑，取D=

0.14 cm，取床沙起動(dòng)時(shí)的水深h=7 cm計(jì)算水力半徑R=5.14 cm，水的動(dòng)黏性系數(shù)為0.01 cm2/s。表3為本實(shí)驗(yàn)適用范圍內(nèi)各家起動(dòng)流速公式及計(jì)算結(jié)果。

其中，N=gμs，μs為床面泥沙的密實(shí)程度，在該實(shí)驗(yàn)中為0.512。

各公式計(jì)算的理論泥沙起動(dòng)流速分別為40.9、40.8和37.3 cm/s，工況1測得無碎屑餌料混合的泥沙的平均起動(dòng)流速為40.2 cm/s，本實(shí)驗(yàn)實(shí)測泥沙起動(dòng)流速與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的泥沙起動(dòng)流速對比如圖3所示。由此可以看出，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典公式計(jì)算結(jié)果較符合，表明本實(shí)驗(yàn)測量得到的含有碎屑餌料河岸帶的起動(dòng)流速成果合理。對比含碎屑餌料泥沙起動(dòng)結(jié)果與無碎屑餌料泥沙起動(dòng)結(jié)果，差距顯著，表明碎屑餌料沉積物的起動(dòng)閾值用常規(guī)泥沙運(yùn)動(dòng)概化存在誤差，在開展碎屑餌料入河補(bǔ)給量測算時(shí)，應(yīng)考慮含碎屑餌料對河岸泥沙啟動(dòng)的影響。

3 結(jié)論

（1）無碎屑餌料工況的泥沙啟動(dòng)流速為40.2 cm/s，

當(dāng)河岸帶碎屑餌料質(zhì)量含量提升至4.8%、9.1%和16.7%時(shí)，泥沙與碎屑餌料混合物的起動(dòng)流速降低為37.8、35.1和32.4 cm/s。表明隨著碎屑餌料質(zhì)量含量的增加，碎屑餌料起動(dòng)流速降低。

（2）碎屑餌料起動(dòng)流速與碎屑餌料質(zhì)量含量呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，擬合為。以此計(jì)算得到采樣的雅礱江錦屏河段碎屑餌料對應(yīng)的起動(dòng)流速為39.7 cm/s。

（3）將本實(shí)驗(yàn)中無碎屑餌料工況的起動(dòng)流速與前人建立的泥沙起動(dòng)公式計(jì)算結(jié)果對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)合符合性較好，表明本研究得到的含碎屑餌料河岸起動(dòng)流速合理，碎屑餌料在河岸占比較大時(shí)，起動(dòng)流速采用常規(guī)泥沙運(yùn)動(dòng)概化的誤差不能忽略。

（4）本研究尚未探究不同泥沙特性（黏性、非黏性等）、碎屑餌料形狀和材質(zhì)特性的影響，也未考慮持續(xù)流水條件下碎屑餌料入河特性，將進(jìn)一步結(jié)合多個(gè)真實(shí)河岸的泥沙與碎屑餌料特征，開展概化實(shí)驗(yàn)研究不同條件下的碎屑餌料補(bǔ)給特征。

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