黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)試驗(yàn)研究

馬春艷, 王占禮, 陸紹娟, 卜耀軍, 李 強(qiáng)

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 榆林 719000; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)試驗(yàn)研究

馬春艷1, 王占禮2,3, 陸紹娟2, 卜耀軍1, 李 強(qiáng)1

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 榆林 719000; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

雷諾數(shù)是坡面水流水力學(xué)重要參數(shù)之一，闡明坡面水流雷諾數(shù)變化的特征將有助于從動(dòng)力學(xué)角度認(rèn)識(shí)坡面侵蝕過(guò)程的內(nèi)在機(jī)制。采用野外人工放水試驗(yàn)方法，對(duì)黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：(1) 荒草地坡面水流型態(tài)判別指標(biāo)雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化，在不同供水流量及不同坡度下都隨供水歷時(shí)的增長(zhǎng)而先增大后趨于穩(wěn)定，變化過(guò)程皆可用對(duì)數(shù)方程描述；(2) 荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量及坡度的增大而增大，可分別用冪函數(shù)方程和指數(shù)方程描述，隨坡度及供水流量的變化可用二元冪函數(shù)方程描述；(3) 不同供水流量及不同坡度下，荒草地坡面水流雷諾數(shù)均小于500。次產(chǎn)流過(guò)程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86～339，試驗(yàn)條件下工程區(qū)荒草地坡面水流型態(tài)均處于層流。

黃河班多水電站; 工程區(qū); 荒草地; 水流型態(tài); 雷諾數(shù)

工程建設(shè)對(duì)原生地面造成破壞、擾動(dòng)及由此產(chǎn)生的水土流失已成為重要的環(huán)境問(wèn)題及新的水土流失形式。然而，關(guān)于工程區(qū)水土流失的研究還很薄弱、滯后，嚴(yán)重制約著工程區(qū)侵蝕評(píng)價(jià)及工程區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)的需求。因此加強(qiáng)工程區(qū)水土流失的研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。坡面水流水力學(xué)特征是造成地面土壤流失的直接動(dòng)力因素，土壤流失的強(qiáng)烈程度與水流水力學(xué)特征密切相關(guān)。坡面徑流雷諾數(shù)Re是坡面水流水力學(xué)重要特征之一，它是表征水流慣性力和粘性力的比值，是判斷水流型態(tài)的重要指標(biāo)。Re<500為層流，5002 000為紊流區(qū)。目前關(guān)于坡面徑流型態(tài)的研究借鑒水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)的原理和方法，已取得了一些研究成果[1-12]，但是大都局限于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)坡面原狀土徑流型態(tài)的研究甚少，尤其是對(duì)工程區(qū)坡面原狀土徑流型態(tài)的研究還很薄弱。為此，本文在自然條件下采用野外人工放水試驗(yàn)方法，對(duì)黃河班多水電站工程區(qū)原始荒草地坡面徑流型態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以促進(jìn)對(duì)工程區(qū)及類似區(qū)荒草地坡面水流水力學(xué)性質(zhì)及侵蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，為工程區(qū)侵蝕評(píng)價(jià)及工程區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黃河班多水電站是黃河流域第2個(gè)梯級(jí)電站，壩址位于青海省海南州興海縣與同德縣交界處的班多峽谷出口處。工程區(qū)屬于青藏高原氣候，多年平均降水量為425.2 mm，植被類型大多為荒漠草原和山地草甸。土壤類型是青藏高原高山草甸土，有較明顯的垂直地帶性和地域性分布規(guī)律。其占地面積171.89 hm2，原始地面包括荒草地、農(nóng)地、河灘地、河灘蓋沙地四類，其中荒草地面積最大，植被覆蓋度均小于30%。地面土石混雜、礫石含量高，其組成物質(zhì)主要為第四紀(jì)沉積物。試驗(yàn)前期土壤含水量12.5%，土壤容重1.09 g/cm3。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

在黃河班多水電站工程區(qū)荒草地上采用放水試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)小區(qū)由1 mm厚的鋼板插入地面以下0.15 m圍成，鋼板高出地面0.10 m，其投影面積為4 m×0.5 m。對(duì)工程區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查情況后，選取荒草地的試驗(yàn)坡度為4°，13°，22°，29°，37°，同一供水流量10 L/min條件下，5場(chǎng)試驗(yàn)。供水流量分別為4，6，8，10，12 L/min，同一坡度22°條件下，5場(chǎng)試驗(yàn)。每場(chǎng)試驗(yàn)供水歷時(shí)30 min。試驗(yàn)前用數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)荒草地坡面進(jìn)行不同位置的垂直拍照，通過(guò)在Erdas Imagine 9.1環(huán)境下分析處理確定其植被覆蓋度，取得所有位置的植被覆蓋度均小于30%。

試驗(yàn)供水系統(tǒng)主要設(shè)備有水泵和溢流箱等。用汽車載水箱將水從水源地運(yùn)至試驗(yàn)地，發(fā)電機(jī)帶動(dòng)水泵將水通過(guò)水管抽到溢流箱。通過(guò)安裝在揚(yáng)程水管出口的控制閥調(diào)節(jié)供水流量大小。為使流入小區(qū)的水流為均勻薄層狀水流，在小區(qū)頂端的溢流箱嵌入地面，并與小區(qū)坡面剛好接觸。

試驗(yàn)時(shí)荒草地坡面水流流速用高錳酸鉀(K2MnO4)染色法測(cè)量，渾水溫度用溫度計(jì)法觀測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中，在小區(qū)出口處定時(shí)計(jì)時(shí)收集渾水樣進(jìn)行水沙觀測(cè)。開始產(chǎn)流時(shí)取樣一次，產(chǎn)流后的前6 min，分別每隔1，2，3 min取一次樣，以后皆每隔3 min取一次樣，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)再取一次。用量筒測(cè)定渾水樣體積，采用燒干法測(cè)定渾水樣中的泥沙重量，經(jīng)計(jì)算獲得不同時(shí)刻產(chǎn)流的清水流量，結(jié)合觀測(cè)得到的流速進(jìn)一步計(jì)算出不同時(shí)刻的坡面水流平均水深。

在觀測(cè)得到荒草地坡面水流流速、水深及渾水溫度的基礎(chǔ)上，計(jì)算出不同產(chǎn)流時(shí)刻的雷諾數(shù)，計(jì)算公式為：

Re=VR/μ

(1)

2　結(jié)果與分析

2.1荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化

2.1.1不同供水流量下雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化在相同投影坡長(zhǎng)、坡度，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化整體呈先增長(zhǎng)后穩(wěn)定的趨勢(shì)(圖1)。整個(gè)供水過(guò)程中，在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi)，雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化較大，隨徑流歷時(shí)增長(zhǎng)迅速增大，隨后變化較為平緩且基本呈直線。不同供水流量條件下的荒草地坡面產(chǎn)流過(guò)程中，雷諾數(shù)變化范圍為35～336，均小于500，這表明水流型態(tài)一直處于層流狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，不同供水流量條件下，荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化可用對(duì)數(shù)相關(guān)方程描述，經(jīng)驗(yàn)方程及檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1　不同供水流量下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化表1　不同供水流量下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程

注:Re為雷諾數(shù)，無(wú)量綱；t為時(shí)間(min),下表同。

坡面薄層水流雷諾數(shù)Re與水流流速、水深等有關(guān)。在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中水流溫度基本保持不變，坡面流速隨供水歷時(shí)呈先增大后趨于平緩的變化過(guò)程。同時(shí)隨著供水過(guò)程的進(jìn)行，坡面入滲率減小并趨于穩(wěn)定，產(chǎn)流量也隨之趨于穩(wěn)定，水流深度隨供水歷時(shí)增長(zhǎng)而逐漸趨于穩(wěn)定，因此，雷諾數(shù)隨徑流歷時(shí)增長(zhǎng)先迅速增大后趨于穩(wěn)定。

2.1.2不同坡度下雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化在相同投影坡長(zhǎng)、供水流量，不同坡度條件下，荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化整體呈先增長(zhǎng)后穩(wěn)定的趨勢(shì)(圖2)。整個(gè)供水過(guò)程中，在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi)，雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化急劇增大，隨后變化較為平緩且基本呈直線。產(chǎn)流5 min后不同坡度條件下雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)一致，而且?guī)缀踔丿B在一起，只有最大坡度(37°)下的雷諾數(shù)變化過(guò)程線離各坡度下的過(guò)程重疊線較遠(yuǎn)。不同坡度條件下的荒草地坡面產(chǎn)流過(guò)程中，雷諾數(shù)變化范圍為59～369，均小于500，這表明水流型態(tài)也一直處于層流狀態(tài)。

圖2不同坡度下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，不同坡度條件下，荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化皆可用對(duì)數(shù)相關(guān)方程描述，經(jīng)驗(yàn)方程及檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　不同坡度下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程

不同坡度條件下荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化與不同供水流量條件下水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化總體上具有相似性，都隨供水歷時(shí)的增長(zhǎng)而先增大后轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。其主要差異在于，在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi)，不同坡度條件下雷諾數(shù)隨徑流歷時(shí)增長(zhǎng)的速率比不同供水流量條件下增長(zhǎng)的速率大得多。

2.2供水流量對(duì)荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量的增大而增大(圖3)。同坡度不同供水流量條件下，次產(chǎn)流過(guò)程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86～305，皆小于500，按照水流型態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，表明試驗(yàn)條件下荒草地坡面水流型態(tài)是層流。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量的變化可用冪函數(shù)相關(guān)方程描述，其經(jīng)驗(yàn)方程為：

Re=19.224Q1.1332(R=0.9832)

(2)

式中：Re表示平均雷諾數(shù)，無(wú)量綱；Q表示供水流量(L/min)。

同坡度條件下，隨著供水流量的增大，坡面水深及流速皆增大，所以，水流平均雷諾數(shù)必然增大。

圖3供水流量對(duì)坡面水流雷諾數(shù)的影響

2.3坡度對(duì)荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度的增大而增大(圖4)。同供水流量不同坡度條件下，坡面次產(chǎn)流過(guò)程的水流平均雷諾數(shù)變化為252～339，也皆小于500，按照水流型態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，表明荒草地坡面水流型態(tài)也處于層流狀態(tài)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，水流平均雷諾數(shù)隨坡度的變化可用指數(shù)相關(guān)方程來(lái)描述，其經(jīng)驗(yàn)方程為：

Re=237.47e0.0073S(R=0.8012)

(3)

式中：Re表示平均雷諾數(shù)，無(wú)量綱；S表示坡度(°)。

圖4坡度對(duì)坡面水流雷諾數(shù)的影響

同供水流量條件下，隨著坡度的增大，坡面水深減小，流速增大，但水深減小對(duì)雷諾數(shù)的減小作用小于流速增大對(duì)雷諾數(shù)的增加作用，所以，水流平均雷諾數(shù)隨坡度的增大而增加。

2.4供水流量及坡度對(duì)荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)不同供水流量、坡度條件下的全部試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得出二因子綜合作用描述方程為：

Re=426.2477S0.0764Q1.1937

(R=0.973；F=62.1491>F0.01(2,7)≈9.55)

(4)

模擬與檢驗(yàn)結(jié)果表明，荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度、供水流量的動(dòng)態(tài)變化可用二元冪函數(shù)方程描述，且相關(guān)關(guān)系高度顯著。式(4)表明，供水流量對(duì)雷諾數(shù)的影響大于坡度的影響，這與前面提到的有關(guān)學(xué)者[11-12]的研究結(jié)果基本一致。

3　結(jié) 論

(1) 荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過(guò)程的變化在不同供水流量及不同坡度下皆隨供水歷時(shí)的增長(zhǎng)先快速增大隨后轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，變化過(guò)程皆可用對(duì)數(shù)相關(guān)方程描述。其主要差異在于，開始產(chǎn)流后5 min內(nèi)，不同坡度下雷諾數(shù)隨徑流歷時(shí)增長(zhǎng)的速率比不同供水流量下增長(zhǎng)的速率大得多。此外，各坡度下的雷諾數(shù)差異較小，變化過(guò)程線幾乎交疊在一起，

只有最大坡度(37°)下的過(guò)程線與各坡度下的過(guò)程交疊線較遠(yuǎn)；

(2) 荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量及坡度的增大而增大，可分別用冪函數(shù)方程和指數(shù)方程描述；荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度、供水流量的變化可用二元冪函數(shù)方程描述，供水流量對(duì)雷諾數(shù)的影響大于坡度的影響；

(3) 在不同供水流量及不同坡度下，次產(chǎn)流過(guò)程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86～339?；牟莸仄旅嫠骼字Z數(shù)小于500，表明試驗(yàn)條件下工程區(qū)荒草地坡面水流型態(tài)均為層流。

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Experimental Study of Overland Flow Pattern in the Banduo Hydropower Station Project Area of the Yellow River

MA Chunyan1, WANG Zhanli2,3, LU Shaojuan2, BU Yaojun1, LI Qiang1

(1.CollegeofLifeSciences,YulinUniversity,Yulin,Shaanxi719000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Reynolds number is one of the important hydraulics parameters. Clarifying the variation of slope flow Reynolds number will help recognize the internal mechanism of slope erosion process from the point of dynamics. On waste grassland in the Banduo hydropower station project area of the Yellow River, the overland flow patterns are studied by artificial scouring experiment under different slope gradients and water supply discharge. The results show that: (1) the overland flow Reynolds number on the waste grassland, a Judging index of flow pattern, changes under different water supply discharges and different slopes rose first and stabilized finally, the logarithmic equation can be used to describ the process; (2) the average overland flow Reynolds number increased with increase of water supply discharge and slope gradients, which can be described by power function equation and exponential equation, respectively, and to both of the two factors, by a dual power function equation; (3) the overland flow Reynolds number on the waste grassland is less than 500 under different water supply discharge and different slopes. The average Reynolds number varies between 86 and 339, indicating that overland flow in waste grassland is laminar flow on the project area.

Banduo hydropower station of Yellow River; project area; waste grassland; flow pattern; Reynolds number

2015-11-15

2015-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“應(yīng)用三區(qū)土盤試驗(yàn)解析黃土坡面片蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程”(41471230);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土坡面細(xì)溝侵蝕關(guān)鍵參數(shù)及其耦合關(guān)系試驗(yàn)研究”(41171227);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目“近百年黃土高原侵蝕環(huán)境與水沙變化”(KZZD-EW-04-03);陜西省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目“生態(tài)修復(fù)植物引種利用研究與示范”(2014K01-12-03);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(A314021402-1604);陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃資助；陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃(20150108)；陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃(20150108)

馬春艷(1983—),女,陜西榆林人,工程師,碩士,主要從事土壤侵蝕與水土保持教學(xué)與研究。E-mail:nldmcy2004@163.com

王占禮(1960—),男,陜西榆林人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕過(guò)程及預(yù)報(bào)模型研究。E-mail:zwang@nwsuaf.edu.cn

S157

A

1005-3409(2016)04-0006-04