生態(tài)溝渠中植物阻水作用探討

摘要：生態(tài)溝渠是近年來隨著生態(tài)水利環(huán)境的發(fā)展而提出的新概念。與傳統(tǒng)的溝渠相比，所追求的最優(yōu)水力斷面、最小粗糙度和最大水流流量是不同的，生態(tài)溝強(qiáng)調(diào)了溝渠的生態(tài)功能，同時(shí)保持了溝的正常水利功能。生態(tài)溝生態(tài)保護(hù)的新方法，與一般的護(hù)坡方法的基本功能，還具有保護(hù)作用的生態(tài)和觀賞效果在工程實(shí)踐中被越來越廣泛的應(yīng)用，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義的設(shè)計(jì)，生態(tài)溝建設(shè)和維護(hù)管理和許多其他方面的植物水溝渠。

關(guān)鍵詞：生態(tài)溝渠；植物阻水；作用

引言：農(nóng)田排水溝渠是我國南方丘陵地區(qū)最常見的灌溉和排水設(shè)施應(yīng)用是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物流入下游的重要通道排水溝是達(dá)到最大水容量的指導(dǎo)原則，往往選擇墻體混凝土襯里有光滑、小粗糙度、弱水阻力和U型槽類型。剛性襯里切斷了水與土壤和植物之間的物質(zhì)交換，加快農(nóng)田排水速度，提高農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的規(guī)模分散。近年來，由于片面追求增產(chǎn)，農(nóng)田過度施肥造成的污染日因此，學(xué)者們對(duì)溝渠排水功能進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為生態(tài)溝是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的過程攔截控制技術(shù)。

1、植物阻水作用分析的理論基礎(chǔ)

在生態(tài)溝的建設(shè)中，植物是一個(gè)重要的因素。它為水生生物的棲息地、住所和有機(jī)質(zhì)提供了能量來源，在生長過程中也對(duì)水體中過量營養(yǎng)污染物的吸收和吸收發(fā)揮了重要作用。然而，在水力學(xué)方面，植物在生態(tài)溝中產(chǎn)生的阻水效應(yīng)是不容忽視的。

1.1流型

流型即水流型態(tài)，從外觀上看，流型反映了運(yùn)動(dòng)過程中水流各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的程度。流型常采用量綱一的雷諾數(shù)來判別，表征慣性力與粘滯力的大小比較。水流型態(tài)幵始轉(zhuǎn)變時(shí)的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。不同試驗(yàn)程序情況的上、下兩種臨界流速對(duì)應(yīng)著上、下臨界雷諾數(shù)。根據(jù)大量的水力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，上、下臨界雷諾數(shù)之間存在著一個(gè)十分不穩(wěn)定的流區(qū)，其流型視試驗(yàn)進(jìn)行程序而定，可能為層流也可能為瑞流，因此被稱為過渡區(qū)。邊界條件不同時(shí)，臨界雷諾數(shù)的取值也會(huì)有很大的差別。

1.2流態(tài)

由于明槽水流所具有的與大氣進(jìn)行接觸的自由表面，其呈現(xiàn)出了獨(dú)有的水流流態(tài)。從外觀上看，流態(tài)反映了水流運(yùn)動(dòng)過程中水深的變化。常釆用弗勞德數(shù)對(duì)流態(tài)進(jìn)行判別。由其公式

Fr=[vgh]

可知，弗勞德數(shù)的力學(xué)意義為水流的慣性力和重力兩種作用的對(duì)比關(guān)系。當(dāng)慣性力大于重力，即時(shí)，水流流態(tài)為急流；當(dāng)時(shí)，說明慣性力作用與重力作用相等，水流是臨界流；當(dāng)重力對(duì)水流起主導(dǎo)作用時(shí)，水流處于緩流狀態(tài)。

1.3糙率

糙率是出現(xiàn)在經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式一曼寧公式中的一個(gè)參數(shù)。它反映了邊壁粗糙程度對(duì)水流作用的影響，實(shí)質(zhì)上是在均勻流條件下阻力平方區(qū)內(nèi)水流周界粗糙程度的經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)。在天然溝渠的非均勻流條件下，已不能再單純反映水流邊界的粗糙程度，而是一個(gè)包括了水流平面形態(tài)、水力因素、斷面幾何尺寸和形態(tài)、邊壁特征及地形、上方來水流量等因素綜合影響的系數(shù)。

1.4阻力系數(shù)

在水流運(yùn)動(dòng)過程中，由于液體本身具有的粘滯性以及外部邊界條件、水流條件的變化，必將產(chǎn)生阻力。阻力一方面反映了下墊面對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的作用力與過水能力、流速分布息息相關(guān)，另一方面也反映了水流對(duì)下墊面的阻力大小，而這又帶來了水流中泥沙的沖游問題。

當(dāng)水流中有植物存在時(shí)，情況變得更加復(fù)雜單株植物對(duì)水流的影響可用擾流結(jié)構(gòu)來分析當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)流到植物邊界時(shí)，受到阻礙將沿另一流線方向流去，這樣就使主流脫離了圓柱面，圓柱面后面的液體隨即填補(bǔ)主流所空出的區(qū)域形成漩禍這些漩禍隨流帶走由于液體的粘滯作用漩禍經(jīng)過一段距離后逐漸消失當(dāng)有植物群存在時(shí)這些漩禍之間會(huì)互相產(chǎn)生干擾，形成漩禍區(qū)在該漩禍區(qū)中禍體（共同旋轉(zhuǎn)的質(zhì)點(diǎn)群）的形成、運(yùn)轉(zhuǎn)和分裂，以及流速分布改組過程中液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，都使內(nèi)摩擦增加，產(chǎn)生較大的能量損失，致使阻力增大。

2、植物阻水作用研究

溝內(nèi)植物對(duì)阻水作用的影響主要表現(xiàn)在沿程水深、糙率、阻力系數(shù)、溝內(nèi)水流流態(tài)和流型的變化，這些因素在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)對(duì)于生態(tài)溝渠斷面的確定十分重要，因此在第二章對(duì)水流流型、流態(tài)判別方法以及恒定非均勻流下的糖率、阻力系數(shù)的計(jì)算方法詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，本文從水力學(xué)理論出發(fā)，推導(dǎo)了在本研究的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖绿锹实挠?jì)算方程，并從理論的角度描述了植物阻水作用的基本原理。

2.1植物不同布設(shè)位置下的縱斷面平均水深沿程變化

當(dāng)植物到達(dá)上游時(shí)，水深迅速，高度達(dá)到2cm，植物被淹沒在水的作用下，形成了一個(gè)不穩(wěn)定的水力光滑表面，并通過水流來阻礙植物的生長效果降低，水深逐漸降低到進(jìn)水深度以下。這是因?yàn)橹参锿ㄟ^回水效果降低水量，增加水的水位，提高水位。進(jìn)入植物，表面被分散成小的流動(dòng)，形成相互流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，消耗部分動(dòng)能，使水位下降，低于進(jìn)氣道口。

2.2植物布設(shè)密度和不同生理特征對(duì)水流的影響

不考慮植物葉片的形狀，與植物的種植密度有關(guān)隨著水深的增加，水深的幅度逐漸增大。根據(jù)水深的定義，水深變化幅值越大，上游水流量越明顯，植物的水堵效應(yīng)越明顯。可以發(fā)現(xiàn)葉片形狀對(duì)水流的阻水能力有重要影響，水葫蘆的水堵能力比水生植物強(qiáng)。因此，可以發(fā)布測(cè)試目前，植物密度的增加將顯著提高水堵能力。

植物生長特征的單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：植物種植密度越大阻水能力越強(qiáng)；葫蘆型葉片的阻水能力大于水草型葉片；植物高度越高阻水能力越大，但植物高度對(duì)水流的阻力作用較小。植物不同生長特征的多因素正交組合試驗(yàn)結(jié)果表明：植物種植密度阻水作用最顯著，葉片形狀次之，植物高度影響最小。因此在對(duì)生態(tài)溝渠中的植物進(jìn)行規(guī)劃種植時(shí)，應(yīng)特別注重種植密度的控制，以免影響溝渠的正常行洪。當(dāng)種植密度為株、葉片形狀為水葫蘆型、植物高度為時(shí)阻水能力最強(qiáng)。

3、結(jié)束語：

在生態(tài)溝渠中，底溝植物在植物水阻塞中起著關(guān)鍵作用植物在通道墻上的作用可以忽略不計(jì)。在工程實(shí)踐中，適用于管壁當(dāng)植物種植時(shí)，土壤侵蝕被阻止，生態(tài)攔截實(shí)現(xiàn)，排水不增加負(fù)擔(dān)。在生態(tài)溝植物的設(shè)計(jì)中，生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)要特別注意控制布局密度，以免影響正常的洪水溝渠。

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