遼河干流灘地泥沙運移機制試驗分析

胡慶武

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

遼河為全國七大江河之一，是僅次于黃河和海河的多沙河流，遼河干流水質(zhì)污染及流域沙化問題嚴重，由于流域侵蝕，每年有大量泥沙及其攜帶的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進入河道，成為遼河污染不可忽視的因素，直接或間接造成遼河干流主河道游蕩、河勢不穩(wěn)、水質(zhì)多年不達標、河岸帶植被稀少、生物多樣性低等問題[1]。河道雖經(jīng)多年治理，但“久治不愈”。其重要原因是河流泥沙未得到有效防控，泥沙來源及防控機制不明晰[2]。遼河干流具有獨特的水資源匱乏與河道多沙并存的特征，現(xiàn)有水沙理論不適于指導遼河干流泥沙防控，已有工程措施難以滿足新時代生態(tài)文明建設需求，構建適合于遼河干流的河道生態(tài)修復理論與技術體系是解決遼河問題的關鍵[3]。近些年來，對于遼河干流水沙問題研究取得了一定成果[4-15]，但是這些成果大都未能對遼河干流泥沙來源機制進行探討。為弄清遼河干流泥沙來源，對其干流灘地泥沙運移機制進行試驗探討，從而為制定遼河泥沙防控措施提供重要的參考。

1 試驗方案

將試驗沙樣在105℃的烘箱內(nèi)烘6～8h，對其不同時期含水率進行測定，試驗選取1%、2%、3%、4%、5% 五組含水率進行分析。本次試驗的起動風速為流體起沙風速，針對遼河干流灘地泥沙進行了風速分別為6、7、8、9、10m/s的5次試驗，而流體起沙風速是在晴天電場(電場強度為102V·m-1數(shù)量級)條件下測得的，此時的電場對沙粒起沙風速沒有影響，靜電力可忽略不計。

2 試驗結果

2.1 相同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風速

含水率是影響起沙風速的重要因素，研究表明起沙風速與沙子含水率的變化有著直接關系，選取1%、2%、3%、4%、5% 五組含水率，研究了不同含水率與起沙風速的關系。結果表明：在室內(nèi)模擬起風條件下，含水率對起沙風速的影響很大，分析結果見表1。

表1 起沙風速與含水率的相關關系

從表1可看出含水率對起沙風速有明顯的影響，在沙粒粒徑一定的情況下，起沙風速與含水率呈線性關系，起沙風速隨含水率的增大而增大，和干沙相比，起沙風速增加了2.0～4.07倍，增加的倍數(shù)與含水率和沙粒粒徑有關，起沙風速隨著含水率的增大而增大，并且當含水率低于2%時，起沙風速隨含水率的增大而迅速增大，而當含水率高于2%時，其增大趨勢相對變緩。

水在沙粒之間有兩種作用力方式，一種是吸附在沙粒表面的吸附水，即水膜力；另一種是存在于顆粒間的水橋中，即水橋力，其中后者占主要部分。沙子在濕潤狀態(tài)下，當氣流吹過由沙粒組成的水平沙床表面時，沙粒受到重力、拖曳力、內(nèi)聚力、水膜力和水橋力作用。粒徑相同時，濕度越大，水膜力越大，同時水分子與沙子顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內(nèi)聚力，沙子黏滯性和團聚作用增強，起沙風速也相應增大；當沙子含水率較低時，沙粒之間水的作用力主要以水橋力為主；當沙子含水率較高時，水橋力逐漸減小，沙粒之間水的作用力主要以水膜力的為主，這也解釋了當含水率小于2%時，隨著含水率的增大，水橋力越大，起沙風速增大的趨勢越明顯；當含水率大于2%時，隨著含水率的增大，水橋力對起沙風速的影響逐漸減弱，起沙風速增大的趨勢相對變緩。低含水率沙的起沙風速受水橋力的影響比高含水率沙大。

在試驗過程中，隨著含水率的增加，從開機試驗到沙粒起動所需要的時間越來越長；同時不同含水率條件下，沙粒起動的形式也不相同，在低含水率階段，當風速逐漸增加到一定數(shù)值后，沙樣表面變干，顏色逐漸變淺，隨之沙樣表面破壞，沙粒脫離濕沙層開始向下風蠕動；在高含水率階段，只有當風速足夠大時，局部的濕沙層迅速碎裂、崩解而被掀翻。

任意粒徑范圍的沙粒，含水率與起沙風速的關系是相似的，即起沙風速隨含水率的增加呈線性增加，經(jīng)線性回歸分析，得到函數(shù)的一般關系式為：

V=a+bM

(1)

式中，V—起沙風速，m/s；M—含水率，%；a、b—回歸系數(shù)。

2.2 不同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風速

為研究不同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風速，將起沙風速作為因變量，粒徑和含水率作為自變量進行方差分析和線性回歸分析，分析結果見表2—3。

從表2可以看出，粒徑和含水率越大，起沙風速隨之增大，說明大粒徑沙粒在高含水率狀態(tài)下越不容易起動；粒徑和含水率兩因素的P值(顯著性差異值)都為0.000，按0.05檢驗水準，可認為粒徑、含水率兩因素效應顯著，即粒徑、含水率對起沙風速有顯著影響；含水率因素大于粒徑因素，可認為含水率因素對總變異的貢獻大于粒徑因素，即不同粒徑、不同含水率條件下，含水率對起沙風速的影響起主要作用。由表3可以看出，粒徑、含水率與起沙風速之間存在線性關系，經(jīng)t檢驗，粒徑和含水率的P值(顯著性差異值)都為0.000，按α=0.05水平，均有顯著意義。根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)可以建立起沙風速與含水率和粒徑的線性回歸方程為：

表2 粒徑、含水率對起沙風速影響的方差分析

表3 粒徑、含水率對起沙風速影響的線性回歸分析

V=171.875M+4.176D+3.218

(2)

式中，V—起沙風速，m/s；M—含水率，%；D—粒徑，mm；常數(shù)項為3.218；回歸系數(shù)分別為171.875和4.176。

2.3 相同粒徑、不同風速對風蝕量的影響

針對遼河干流灘地泥沙進行了風速分別為6、7、8、9、10m/s的5次試驗，試驗結果見表4。表中風蝕量用Q表示， 指的是試驗沙樣水平方向的轉移量，用下式表示。

Q=W1-W2

(3)

式中，W1—不同試驗風速，m/s；W2—沙粒移動的臨界風速，m/s。

試驗結果表明：遼河干流灘地泥沙的風蝕量和風速呈正相關關系，即風蝕量隨著風速的增大而增大。這是因為當風速達到起沙風速時，沙粒在風的作用下，隨風運動形成風沙流，風沙流中躍移的顆粒，增大了風對沙粒的侵蝕力，而且還通過磨蝕，將更多的沙粒帶入氣流。同時高速躍移的沙粒通過沖擊方式，靠其動能推動更多的沙粒向前蠕移運動，在一定的條件下，風的搬運能力主要取決于風速的大小，風速越大，搬運能力越強，風蝕量越大。

2.4 相同風速、不同粒徑對風蝕量的影響

由于不同粒徑沙粒的起沙風速不同，說明其抗風蝕能力不同，風蝕量存在差異，為了研究沙粒粒徑和風蝕量的關系，風速選定為7m/s，試驗結果見表5。

試驗結果表明：在一定風速條件下，遼河干流灘地泥沙的風蝕量和沙粒粒徑呈負相關關系，即風蝕量隨沙粒粒徑的增大而逐漸減小，因此，從風蝕量的角度來說，沙粒粒徑越小，沙粒的抗風蝕性越弱，越容易被風蝕。只有當沙粒獲得足夠的動能的條件下才能產(chǎn)生移動，而較大顆粒具有較大的慣性，細小顆粒則相反，因此，細小顆粒在低風速條件下就能產(chǎn)生移動，而大顆粒沙粒則需要更大的動能。同時粒徑較小的沙粒強烈地向高處彈跳，增加了上層氣流搬運的沙量，并且沙粒在飛行過程中飛得更遠，所以對于氣流的阻力減小。而粒徑較大的沙粒的躍移高度和水平飛行距離都較小，在搬運過程中向近地面貼緊，底層沙量增加較多，近地面的氣流能量消耗也隨之增加，氣流搬運顆粒的能力減弱了。因此，當風速一定時，風具有的動能也一定，顆粒粒徑越大，近地面氣流的能量消耗越多，風傳遞給顆粒的動能就越小，搬運能力越弱，風蝕量就越小；粒徑越小，反之亦然。

隨著沙粒粒徑的減小，風蝕量逐漸增大，但當沙粒粒徑小于0.50mm時，風蝕量突然增大，這說明粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒越容易被風蝕，屬于易蝕性顆粒。遼河干流水蝕沉積泥沙顆粒從上游到下游逐漸變細，粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒所占的比重越來越大，在相同風速條件下，下游泥沙比上游泥沙更容易風蝕。

2.5 不同風速、不同粒徑對風蝕量的影響

為研究不同風速、不同粒徑對風蝕量的影響作用，將表5中的實驗數(shù)據(jù)利用SPSS17.0軟件，將風蝕量作為因變量，風速和粒徑作為自變量進行方差分析和線性回歸分析，分析結果見表6。

從表6可以看出，粒徑越小，風速越大，風蝕量越大，說明小粒徑沙粒在大風條件下越容易發(fā)生風蝕；粒徑和風速兩因素的P值(顯著性差異值)都為0.000，按0.05檢驗水準，可認為粒徑、風速兩因素效應顯著，即粒徑、風速對風蝕量有顯著影響；風速因素的Eta方大于粒徑因素的Eta方，可認為風速因素對總變異的貢獻大于粒徑因素，即不同粒徑、不同風速條件下，風速對風蝕量的影響起主要作用。

表6 粒徑、風速對風蝕量影響的方差分析

3 試驗結論

(1)當含水率小于2%時，隨著含水率的增大，水橋力越大，起沙風速增大的趨勢越明顯；當含水率大于2%時，隨著含水率的增大，水橋力對起沙風速的影響逐漸減弱。

(2)遼河干流水蝕沉積泥沙顆粒從上游到下游逐漸變細，粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒所占的比重越來越大，在相同風速條件下，下游泥沙比上游泥沙更容易風蝕。

(3)本文對遼河干流灘地泥沙運移機制進行了明晰，但對其防控措施還未進行探討，在后續(xù)研究中應重點結合其運移機制分析重點防控措施。