基于PIV技術的沙棘柔性壩影響下水流表面流速沿程變化特性試驗分析

楊方社,李懷恩,曹明明,楊寅群

(1.西北大學城市與環境學院,西安 710069;2.西安理工大學西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,西安710048;3.武漢大學資源與環境學院,武漢 430079)

0 引 言

隨著水土流失、環境的破壞,植物滯流攔沙、防治水土流失方面的研究已成為目前的研究熱點之一[1-5]。水保專家畢慈芬等[6-7]根據內蒙古準格爾旗典型砒砂巖地區溝道的產流輸沙特點,按照“以柔克柔”(針對松散顆粒構成的谷坡)和“以柔消能”(針對溝壑的暴雨股流)的思路,根據沙棘優良的自繁生物學特性,提出一種新型防止溝道小流域土壤侵蝕的生物工程—沙棘植物柔性壩。這種植物柔性壩是優選2～4齡生沙棘苗,在支、毛溝(黃河的 4、5級支溝)內,按一定株距和行距在垂直于水流方向交錯種植若干行,利用沙棘的植物阻力,達到消能并分散股流、攔截溝壑雨洪泥沙的目的,最終實現抑制溝道土壤侵蝕并改善區域生態環境的目的。與普通河道攔水大壩不同的是,沙棘柔性壩具有透水、自我繁殖、柔性變形與動態生長、貫通上下游動植物的棲息環境、攔沙保水與恢復溝床植被的優良特性。

為了分析沙棘柔性植物對水流流速的影響,進一步探究沙棘植物柔性壩的阻水效應[8-9],在國家自然基金的支持下,在野外水流試驗基地,基于目前最先進的流場測量技術PIV(Particle Image Velocimetry)法,觀測了沙棘柔性壩水流的表面流速場,根據試驗數據討論了沙棘植物柔性壩表面流速沿程變化特性,討論了沙棘植物對水流縱向表面流速的影響與阻滯效應,這有助于人們對植物滯流攔沙機理的認識,并可為沙棘柔性壩這一滯流攔沙生物工程的應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 研究區概況

試驗是在處于陜西華縣小華山水庫左岸坡地的西安理工大學沙棘野外試驗基地開展的。試驗地土壤為砂壤土,土壤有機質含量為4.9%～6.34%,pH值范圍為8.16～8.23,呈堿性,粒徑大于5mm的占1.34%,小于5mm的占98.66%。共設計了4個沙棘柔性壩試驗床,編號為 1#、2#、3#、4#,沙棘柔性壩均采用交錯的梅花型方式種植,各壩種植參數見表1,表中a(cm)為株距,b(cm)為行距,P為排數,l(cm)為壩長。試驗主要觀測內容為壩前、壩中、壩后表面流速的沿程變化。將試驗床從進水口起算每隔0.5m設置一個監測斷面,直至壩尾。

1.2 試驗床平面布置

試驗設施主要包括：蓄水池、消力池、沙棘柔性壩試驗床。蓄水池的水流通過消力池平穩地流入沙棘柔性壩試驗床,蓄水池進口流量通過矩形閘門按照泄流曲線控制,蓄水池等設施詳見文獻[10]。試驗床沙棘柔性壩平面布置及尺寸如圖1所示。

表1 沙棘柔性壩的種植參數Table 1 Plant parameters of the seabuckthorn flexible dam

圖1 試驗床布置圖(單位：m)Fig.1 Plan of test beds(unit：meter)

2 PIV試驗系統與試驗條件

PIV法的優點是可實現無接觸測量,不會干擾流場,能夠測量瞬時流速場,在多領域得到了廣泛應用[11-15]。雖然眾多學者開展了PIV技術的應用研究,但是因為其實驗條件比較嚴格,大多數的研究主要集中于PIV技術在室內小型試驗的應用研究,而在野外大型試驗場運用這一技術進行水流特性研究較少見于文獻報道。

2006年9月和11月在陜西華縣小華山野外試驗基地,應用PIV技術開展了沙棘柔性壩表面流速場的野外觀測試驗,效果良好,以2#試驗床試驗系統為例,如圖2所示。試驗以陰天自然光作為光源,示蹤粒子為反光性能良好、密度較輕能漂浮于水流表面的圓形白色塑料泡沫,平均粒徑約為5mm,漂浮在水面示蹤粒子的濃度約為30顆/100cm2。試驗中固定好的數碼攝相機鏡頭垂直于水面,距離水面約3.5m左右,拍攝范圍覆蓋整個床面。實驗采用的攝像機頻率30帖/s,所采集的圖像每間隔3帖采集1帖。床面較長,將3部相機在同一時刻采集的圖像,運用Photoshop中的圖像拼接模塊進行圖像完整拼接。另外,PIV技術嚴格要求光源對粒子的入射光線為垂直入射,但是在野外試驗中難以達到,圖2中的入射角角度的一半為26°,不是很大,可忽略非垂直入射光線對流速引起的影響,因此未進行圖像在入射光線方面的畸變校正。最后利用在Matlab6.5上編制的程序,應用圖像粒子識別方法得出粒子運動位移,根據粒子運動時間,計算出粒子運動速度。應當指出的是,本次試驗中所測的流速均是水流表面流速,由于水深較淺,屬非淹沒流,因施測儀器所限,無法測量沿水深分布的垂線流速。雖然不能深入分析到流速變化特性的本質機理,但是對于認識柔性植物對水流流速沿程影響變化特性還是有幫助的。

圖2 2#沙棘柔性壩試驗系統簡圖Fig.2 Test system scheme of the 2#seabuckthorn flexible dam

3 結果與分析

3.1 柔性壩全流場分析

當Q=0.1m3/s,各試驗床面的全流場圖片以及相應的矢量圖(圖中“→”代表流速矢量的大小和方向)見圖3(a)～(d)所示,水流自左向右流動;x代表柔性壩床面的長度,y代表柔性壩床面的寬度;箭頭長度代表流速大小(1mm=0.25m/s),箭頭方向代表流速方向。圖像中的空白區域均是沙棘植物所在行及附近區域,主要是由于沙棘植物枝葉的阻擋而未能拍攝到示蹤粒子所致,這也是在以后的試驗中應該注意與解決的問題。

圖3 各柔性壩表面流速全流場圖Fig.3 Whole surface velocity fields in water flowthrough each flexible dam

從圖3(a)～(d)可見,各柔性壩內示蹤粒子的表面流動,可以反映出水流表面流動狀態,在沒有沙棘的區域,示蹤粒子呈片狀分布,而沙棘“柔性壩”內的示蹤粒子在水流表面基本呈分散帶狀分布。這是由于水流受到沙棘的阻擋,水流只能透過沙棘之間的縫隙流動,這就使得橫斷面的流速分布發生了變化,漂浮在水流表面的示蹤粒子由于表面流速分布不均勻而形成分散性的帶狀分布。另外,沙棘柔性壩均采取交錯種植,水流每流過一排沙棘后,能量和流速都要被重新調整,以適應這種阻力變化,從能量平衡的角度來看,柔性壩的交錯種植方式有利于水流能量的消耗,這與文獻[16]中柔性壩對水流能量的耗散的描述是一致的,也符合楊志達的最小能耗理論[17]。

3.2 柔性壩流速沿程變化特性分析

圖4(a)～(d)是各柔性壩流場的表面流速沿程或沿縱向(指順水流方向,以下類同)變化圖,圖中均包括橫斷面上表面流速的平均值沿程(指順水流方向,以下類同)變化曲線和典型縱向流線(指順水流方向縱向垂直剖面的表面流線)上表面流速沿程變化曲線(以下類同)。

在圖4(a)中,由距1#試驗床面左邊墻(指順水流方向,相當于河流的左岸)1.8m處的縱向表面流線的流速沿程變化曲線可見,在1#壩內水流進入柔性壩后,在兩排沙棘間隔段的表面流速先增大,后減小,因為緊鄰下一排沙棘對水流已發生了明顯的阻力效應。從表面流速沿橫斷面的平均值沿程變化曲線可見,在水流穿過柔性壩期間,表面流速經歷增大、減小、增大再減小這樣一個循環往復的波浪型過程,在第4排沙棘處流速增大較快之后是略微減小,其原因是該排沙棘棵數較少(這是由于未能及時補苗造成的),阻力較小引起的。

由圖4(b)可見,在2#柔性壩內,水流在遇到第一排沙棘后,表面流速迅速減小,且減小幅度較大。與1#沙棘柔性壩一致的是,流速在壩前(無沙棘)對比段(0～1.53m)和壩后(無沙棘)對比段表面流速都是沿程增大的,只不過由于對比段長度的不同,1#壩后對比段表面流速增大比2#壩后對比段增長較快。從圖中表面流速沿橫斷面的平均值沿程變化曲線可見,流速從1.24m斷面處的0.85m/s迅速降為0.36m/s,流速消減率約為60%;穿過第一排沙棘后,流速逐漸增大并迅速減小,在第二排沙棘前的2.43m斷面處流速減為0.123m/s,可以看出在沙棘所在斷面位置處,表面流速都迅速減小。在水流穿過整個柔性壩期間,表面流速仍然經歷著增大、減小、增大再減小這樣一個循環往復的過程。穿過柔性壩后表面流速在壩后對比段仍然減小一段后迅速恢復增大。2#柔性壩共8排沙棘,在前4排使表面流速衰減,再經歷后4排的阻滯,表面流速已變得很小,平均約為0.2m/s。2#沙棘柔性壩壩長比1#沙棘柔性壩要長近一倍,而且苗木分布密度要比1#壩大些,由此說明壩長和沙棘的分布密度及長勢狀況對表面流速的重新分布和衰減變化有很大影響。

圖4 各柔性壩表面流速沿程變化情況Fig.4 Lengthwise surface velocity variation in water flow through each flexible dam

由圖4(c)可見,3#壩內不同縱向流線上表面流速沿程變化趨勢基本相同,都是在3m處遇到第一排單棵沙棘后表面流速小幅減小,在4.5m處流線上的表面流速增到最大,該斷面處表面流速平均值已達到0.7m/s,之后在第2排沙棘前的5.3m處表面流速平均值迅速減小到約0.3m/s,之后,遇到一排沙棘表面流速就大幅減小,穿過后表面流速就增大。從圖4(c)中的表面流速沿橫斷面的平均值沿程變化曲線可見,整個流速變化沿程呈現出上下波動的“之”字形形狀,這與前述的1#、2#柔性壩的變化規律較類似;從全程來看,在柔性壩壩段表面流速沿程一直遞減,在最后一排沙棘處表面流速已消減至0.2m/s左右,消減率約為70%,3#柔性壩雖然種植密度最小,但壩長較長,加之在水流試驗前并未除掉地表雜草,以至于對流速的衰減作用除了壩長較長外,很大程度上是地表較繁茂的雜草的貢獻。

由圖4(d)可見,在試驗床橫斷面上,距試驗床右邊墻(壩叢內水流的右岸)0.4m、0.9m、1.1m及1.8m處的各自縱向表面流線上的表面流速沿程變化規律是一致的。壩前橫斷面上的表面流速最大達0.73m/s,位于1.5m橫斷面上的最大流舌處(較規則的天然河流橫斷面上的垂線平均流速分布大致為“流舌”狀)。在4#試驗床面上,4～14.5m為柔性壩段,在進入柔性壩后,表面流速迅速減小至0.3m/s,在7m以后,表面流速再次減小至0.2m/s,且至此之后整體表現平穩。柔性壩段各縱向流線上的表面流速沿程變化也始終是先減小再增大的“之”字形過程,且一直持續到壩尾,這與1～3#床縱向流線上的表面流速沿程變化規律是一致的。與前述1#-3#床的縱向流線上的表面流速沿程變化相比,可知4#壩對流線表面流速的衰減作用最強,其阻力效應要大于1～3#壩,因為4#壩的壩寬只有2.2m,在流量大致相當的前提下,4#壩的壩內的表面流速平均只有0.15m/s,是各壩中最小的。從圖4(d)中的橫斷面上表面流速的平均值沿程變化曲線可見,在床面進口段橫斷面表面平均流速逐漸增大到最大值0.63m/s,位于壩前1.5m斷面處,之后由于柔性壩的阻水作用,表面流速很快衰減,到第一排沙棘前的3.6m處已減小至0.13m/s;在壩內最小表面流速發生在7.7m橫斷面處和10.75m橫斷面處,橫斷面上的表面流速平均值約為0.1m/s,可見表面流速已經非常小了。總體來看,壩內橫斷面表面流速平均值的最大值約為對比段橫斷面上表面流速平均值最大值的58%,壩內最小斷面平均表面流速約為對比段最大斷面平均表面流速的16%,可見,4#柔性壩對表面流速的衰減效應非常顯著。

3.3 不同植物柔性壩的表面流速沿程變化比較

圖5是各柔性壩橫斷面平均表面流速沿程變化對比。由圖5可看出,在壩前對比段1#壩、2#壩及4#壩,水流表面流速都是逐漸減小的,只有3#壩壩前對比段水流表面流速是逐漸增大的,這是由于3#壩的特殊種植方式造成的。另外,各壩在柔性壩內的水流表面流速沿程都呈現出相同的增大→減小→增大→減小的變化趨勢,不同的是因各壩種植方式、種植密度、床面坡度及壩長的不同而導致的對表面流速衰減幅度不同,顯然,4#柔性壩對表面流速的衰減幅度最大,其次是2#壩,再次是3#壩,最后是1#壩,這主要可能是由于各壩的壩長不同而引起的,當然也與各壩的種植密度、種植方式、床面坡度及柔性壩沙棘植物的長勢等因素有關,這也是下一步需要進一步分析研究的問題。

圖5 各柔性壩橫斷面表面流速平均值沿程變化對比Fig.5 Comparison among lengthwise variation of average surface velocity in cross section in water flow through each flexible dam

4 結論與認識

柔性植物對水流的影響是復雜多變的,受植物的種類、高矮、韌性與撓度及植物密度等多因素影響,認識植物對水流特性的影響及機理需要長時間的努力與探索。本實驗所得的主要結論與認識如下：

(1)PIV技術所得數字化表面流速場表明,沙棘對水流有明顯的影響,沙棘柔性壩內的表面流速明顯小于壩前無沙棘對比區,尤其在種植密度較大的區域表現尤為明顯,在柔性壩體內水流表面流速明顯降低,而后至柔性壩下游表面流速則逐漸恢復;

(2)柔性壩內橫斷面表面流速平均值沿程呈現出相同的“增大→減小→增大→減小”這樣循環往復的變化趨勢,柔性壩表面流速顯著衰減及幅度的不同主要是由于柔性壩壩長、種植密度、種植方式及床面坡度等因素有關;

(3)沙棘柔性壩的交錯種植方式有利于水流能量的消耗,水流的能量損失主要集中在柔性壩體內,最大能量損失發生在壩上游壅水區,有利于滯流攔沙;

(4)本實驗通過PIV技術的應用,認為在大型野外試驗場,有條件的話應積極推廣應用粒子圖像測速這一先進技術;

(5)受野外實驗條件限制,本實驗未能測量與分析在沙棘植物的影響下沿沙棘植物柔性壩橫斷面上各垂線的流速分布,這方面及其它不足之處都是以后應該改進與加以研究的。

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