不同浓度含沙水流对草地泥沙沉积的影响

不同浓度含沙水流对草地泥沙沉积的影响

有效的土壤水分布法和径流污染防治措施已被广泛研究和应用。已有研究多集中在缓坡和低含沙浓度的模拟试验上,一般坡度小于10%,含沙量不超过100kg/m3。然而在部分侵蚀严重地区,如中国黄土高原,由侵蚀造成的径流泥沙含量远大于100kg/m3,甚至有时达到1000kg/m3,因此有必要开展高含沙水流的坡面径流过程研究,以明晰草地对高含沙水流的拦蓄效应。一般认为植被过滤带拦蓄泥沙主要是由于其减缓径流和增大入渗,但这仅是一般性的认识,而非科学研究的结果。最近有关的研究结果似乎对这种认识提出了质疑,如Abu-Zreig等研究表明即使含沙水流通过裸土表面,其仍具有相当的拦沙能力;Ghadiri等,Ligdi等研究认为植被过滤带前面的回水段泥沙沉积更为重要。因此对植被过滤带拦沙机理研究,特别是其坡面流水力学特性研究显得特别重要。本研究拟通过不同浓度含沙水流流经草地坡面的水沙过程试验,揭示含沙量对含沙水流阻力特性和草地拦沙效应的影响,从而为流域水沙过程模拟提供基础资料。1材料和方法1.1试验方法与数据参考野外径流小区,自制尺寸为5.0m×1.0m×0.5m的变坡式室内径流水槽。水槽底部铺设水砂纸并粘贴塑料草坪以模拟自然草地,根据野外调查设定牧草控制密度560簇/m2,草高和过水断面宽均约为3cm。试验采用非淹没设计,流量为20和60L/(min·m),坡度为3°和9°。试验泥沙取自武功黄土,过筛后其中值粒径约为10μm,且90%泥沙粒径在2～100μm之间。参照黄土高原地区的土壤侵蚀状况,试验含沙量设为0～350kg/m3。试验按坡度和流量共分4组:GL、GH、SL和SH,每组进行6～7次步长约为50kg/m3的不同含沙量试验,按含沙量由小到大依次为GL1、GL2、…、GL6,GH1～GH7,SL1～SL7以及SH1～SH6,共进行26次试验(表1)。含沙水流采用恒流泥沙输送装置供给。流速采用示踪法测定,从坡顶自上而下依次设0～1m、1～2m、2～3m、3～4m和4～5m5个纵断面,每一纵断面再每隔10cm布设9个横向测点,3次重复。水深采用数显测针(精度为0.01mm)测定,断面设在坡面中间2～3m处,横向测点布设同流速,3次重复,测定时段均选择在试验开始后5～15min。试验过程中每隔2min收集一次径流泥沙样,并在试验结束后,用清水冲洗草地坡面沉积泥沙,收集并烘干称重,计算坡面泥沙沉积量,试验历时为30min。1.2泥沙沉积厚度法由于染色法测定的流速为表层流速(Vs),一般Vs与平均流速(V)具有如下关系:V=αVs(1)V=αVs(1)式中α为校正系数,一般0<α≤1。由于α与含沙量的关系尚不明确,故本研究平均流速采用下式计算:V=q/h(2)V=q/h(2)式中V为平均流速,m/s;q为单宽流量,m2/s;h为断面水深,m。实测水深包含泥沙沉积厚度d,m,因此需对其进行修正,由于水深均在试验前1/3时段内测定,这里d取每次试验泥沙沉积总厚度的1/3。含沙水流雷诺数Re采用下式计算:Re=ρmVhρυm(3)Re=ρmVhρυm(3)式中Re为雷诺数;ρm和ρ分别为浑水和清水的容重,kg/m3;υm是浑水运动黏性系数,m2/s。采用沙玉清公式计算:υm=υ1−sv2d50√(4)υm=υ1-sv2d50(4)式中υm和υ分别为含沙水流和清水的运动黏性系数;Sv是体积含沙量百分数;d50是泥沙中值粒径,mm。阻力系数f和曼宁糙率n分别采用下式计算:f=8ghJV2n=h2/3J1/2V(5)f=8ghJV2n=h2/3J1/2V(5)式中g为重力加速度,取g=9.8m/s2,J为水流能坡,采用坡面比降近似代替。2分析与讨论2.1流量和含沙量对草地拦沙的影响图1为典型试验处理草地泥沙沉积过程。总体上,草地泥沙沉积率随径流历时的增大而减小,且在径流后期沉积率基本稳定。在坡度为9°、含沙量约为280kg/m3条件下,20L/min流量试验泥沙沉积率出现较大的起伏。这可能与高含沙水流的不稳定现象有关,且一般认为含沙量越大,有效雷诺数越小,起伏的波高越大。在相同坡度条件下,20和60L/min流量试验泥沙沉积量与含沙量的变化相似,且二者无明显差异(图2),但前者沉积率显著大于后者。这说明流量对泥沙沉积总量影响较小,而主要影响泥沙沉积率。泥沙沉积量均随含沙量的增加而增大,且在相同流量和含沙量条件下,9°坡面泥沙沉积量显著小于3°坡面(图2),这说明坡度对草地拦沙影响显著。3°时泥沙沉积率与含沙量呈显著正相关,而9°时二者关系不明显(图2)。Jin和Romkens在流量为1.45～7.00L/s、含沙量为1.44～7.0kg/m3条件下对草地拦沙研究表明,含沙量对泥沙沉积几乎没有影响。这与本试验结果明显不同,其原因可能在于Jin和Romkens试验中含沙浓度较小,而流量、试验历时以及上方来沙粒径较大。2.2不同坡度和流量对f值的影响图3为60L/min流量下3°和9°不同处理坡面的各纵断面表层流速。从图中可看出,坡上部位流速均不同程度小于坡下部位。在相同坡度和流量条件下,含沙量对表层流速影响较小,GL和GH组试验表层流速分别为16.1±0.8和17.7±0.5cm/s,而SL和SH组分别为27.5±0.7和31.6±1.9cm/s。在相同坡度条件下,60L/min流量各试验处理不同纵断面流速方差分析F值显著大于20L/min流量。在相同流量条件下,9°坡面不同纵断面流速差异较3°坡面大,且9°时各试验处理(SL0除外)坡面不同纵断面流速之间均存在极显著差异(F>3.83)。这说明坡度和流量对坡面流速分布具有重要影响。在3°时,GL和GH组各试验处理的F值随含沙量的增加呈增大趋势,而9°时两种流量下的F值变化趋势不明显(表2)。这说明在缓坡条件下,坡面不同纵断面的流速差异随着含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对纵断面流速分布影响较小。绝大部分试验处理表层流速大于平均流速,且平均流速与表层流速的比值在0.7左右(图4)。而对于坡度为9°、流量为60L/min的SH处理试验,表层流速与平均流速相近,其点据基本落在1∶1线上。这说明在陡坡大流量情况下,坡面表层流速可近似代替平均流速。2.3含沙水流的阻力随含沙量的变化情况下,一般在3在相同坡度和流量情况下,坡面水流雷诺数随含沙量的增大而减小,而弗劳德数与含沙量关系不明显(表3)。在试验条件下,3°和9°坡面含沙水流阻力系数f分别为0.49～3.72和0.29～0.60,总体上,前者显著大于后者(表3)。潘成忠和上官周平在流量和含沙量相近条件下对自然草地的研究表明,含沙水流的阻力系数随坡度的增大而减小,这与本试验结论一致。在3°条件下,20和60L/min流量水流阻力系数f与含沙量均呈正相关,其相关系数分别为0.90和0.60,而9°时两种流量条件下f与含沙量均呈微弱负相关,其相关系数分别为-0.28和-0.23。一般认为含沙水流的阻力随含沙量的增大而减小,这也是悬移质泥沙制紊假设的前提。这显然与本试验3°时水流阻力变化趋势向左,其原因可能主要与草地坡面的形状阻力有关。由于目前试验资料较少,对坡面含沙水流特性的认识有待进一步加强。3°时不同处理坡面曼宁糙率n变化于0.029～0.101,随含沙量的增加而增大,而9°时n的变化区间为0.021～0.030,其与含沙量关系不明显(表3)。这说明在缓坡条件下采用曼宁糙率进行水文过程演算时需要考虑含沙量对其的影响。3不同坡度和流量对草地泥沙沉积率的影响通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下定量探讨了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的沉积过程及其水力学特性,取得了以下结论:草地泥沙沉积率随径流历时的增大而减小,两种坡度条件下草地泥沙沉积量均随含沙量的增加而增大,而3°和9°时泥沙沉积率与含沙量的关系不同,3°时沉积率与含沙量呈正相关,而9°时二者呈反势。在相同坡度条件下,流