河岸植被類型對坡面流水動力特性影響研究

齊鴻雁

(上饒市科信水土保持監(jiān)測有限公司，江西 上饒 334000)

0 引言

近年來，由于自然環(huán)境變化和人為活動對環(huán)境不斷干擾，二者綜合作用，導致河流生態(tài)環(huán)境的自我調節(jié)功能下降。然而，豐富的植被覆蓋可發(fā)揮降流阻沙及保護水土的重要作用。由于植被自身的根系結構特征，因而多覆蓋具有提升水流阻力作用，有效減弱徑流沖刷。此外，植被根系可以固結坡面土壤，減緩土壤水土流失。因此，開展坡面流水動力特性研究，對探討坡面侵蝕具有理論與現(xiàn)實雙重意義。

國內外學者已對坡面流水里特性做了大量研究。唐科明等[1]分析了動床作用下植被蓋度對坡面流水動力參數(shù)的規(guī)律。通過改變坡水槽坡度2°～10°、流量0.25～2.00L/s、蓋度0%～25%進行試驗，系統(tǒng)研究了動床條件下植被蓋度對坡面流流速、流型、流態(tài)、阻力系數(shù)等水動力參數(shù)的影響。孫菊英等[2]基于系列坡面流試驗，分析了柔性植被不同高度對坡面流水動力特性的影響，得出了柔性植被高度與坡面流水動力特性的作用規(guī)律。李盼盼等[3]采用黃土高原白羊草為研究對象，通過設置多種施氮處理模擬氮沉降，利用人工模擬降雨，探究了土壤有效氮升高對白羊草群落坡面流水動力特征的影響。劉文劍等[4]研究了剛性植被覆蓋與地表粗糙復合作用下坡面流水動力特性規(guī)律，開展了大量定床水槽沖刷試驗，分析了陡坡條件下10組流量、5種覆蓋率、4種不同地表粗糙度坡面流流速、流型流態(tài)、阻力系數(shù)等變化特性。現(xiàn)有研究主要是在室內模擬條件或野外人工預設植被試驗條件下進行，但對河岸帶邊坡自然植被類型下的水動力特性分析研究較少。

本研究通過計算植被類型與流量耦合作用下的雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)等水動力參數(shù)，詳細研究了邊坡植被在徑流作用下水動力特性變化規(guī)律，研究結果可為河岸植被修復與水土保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于江西省上饒市某河流沿岸，河岸坡面的主要類型為沙壤土，土壤主要粒徑：黏粒為4.0%±0.65%，粉粒為54.45%±4.4%，沙粒為41.55%±3.26%，土壤平均厚度小于13cm，土壤容重為(1.02±0.05)g/cm3。

1.2 試驗布設

試驗設置在6—9月進行，試驗場地自然邊坡坡度約28.5°。邊坡試驗坡長5.0m，寬1.2m，對不同植被類型與坡面流水動力學參數(shù)規(guī)律試驗研究。其中，選用裸地、荊條、胡枝子、茵陳蒿、狗牙根與荊條+茵陳蒿，分6種植被類型，開展徑流模擬試驗，基本指標參數(shù)見表1所示。

表1 不同植被類型下徑流指標參數(shù)

徑流模擬主要利用供水設備、恒壓設備、匯流裝置等主要試驗裝置進行。要求在供水設備與穩(wěn)壓裝置共同作用下，有效保證試驗過程中的水流量作為定量因素，集流槽的主要作用為收集上方來水來沙。

試驗進行前，需要對試驗區(qū)域坡面土壤進行預處理。通過噴水處理，使土壤達到飽和狀態(tài)，可有效防止試驗結果因坡面含水量不同而出現(xiàn)較大誤差。模擬試驗測量之前，需對出水流量進行測定。主要利用高錳酸鉀染色法，進行表面流速測定。但實際情況為，表面流速不能達到完全表征平均流速。因此，在已測定表面流速的基礎上，融合糾偏修正系數(shù)，最終通過上述計算所得流速，作為平均流速。試驗放水流量，主要參考河北地區(qū)所能達到的最大降雨強度110mm/h，通過定量計算，得到3、5、7L/min等3種流量參數(shù)。

1.3 水力參數(shù)計算

由于試驗過程中實測水流數(shù)值相較實況真實值差距較大，因此，研究假設坡面水流分布均勻。徑流深度計算公式：

(1)

式中，T—流量，m3；D—過流寬度，m，取為1.2m；v—水流斷面平均流速，m/s；t為取樣時間，s。

研究中，設計雷諾數(shù)(Re)、弗勞德數(shù)(Fr)、阻力系數(shù)(f)、曼寧糙率系數(shù)，計算公式[5]：

(2)

式中，a—水運動黏性系數(shù)，m2/s；F—水溫，℃；g—重力加速度，取9.8m/s2；L—水力坡度，L=sinθ，θ—徑流坡面的坡度，(°)。

1.4 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法主要為SPSS與Origin軟件，采用SPSS軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 流速特征

不同坡面類型徑流流速特征見表2。坡面平均流流速與坡面植被類型存在較為明顯的關聯(lián)。試驗研究發(fā)現(xiàn)，裸坡坡面的平均流速最高，其中，狗牙根坡面平均流速較其他坡面類型較低。研究結果表明，植被的存在對水流具有明顯的阻流作用，可以提升水流的能量損失，導致徑流流速降低。放水量為3L/min，狗牙根的坡面平均徑流流速為(0.052±0.003)m/s，明顯低于其他植被類型，僅為裸坡平均徑流流速的0.28倍。當徑流流量為7L/min時，荊條坡面的平均徑流流速增長速率最大，約為86.14%，灌草坡面的平均流流速增長速率最低，僅為10.39%。

表2 不同坡面類型徑流流速特征 單位：m/s

從徑流流速平均變化規(guī)律統(tǒng)計結果可以看出，裸坡徑流流速始終明顯高于其他植被類型坡面徑流流速，隨著時間不斷變化而趨向穩(wěn)定狀態(tài)。荊條與灌草坡面徑流流速與時間呈正比關系。試驗模擬過程中，經計算，得出平均徑流流速分別提高了30.4%、39.8%。然而，狗牙根的徑流流速與其他植被類型相比，明顯較低，隨時間不斷變化而變化的幅度不明顯。這是由于狗牙根的根系分布密度大，一定程度上增加了土壤粗糙程度，有效分散了坡面徑流[6-7]。

2.2 流速流態(tài)

水流形態(tài)是表征坡面薄層水力特性的重要指標參數(shù)。坡面徑流水力學參數(shù)與水量、坡型有很大的相關性。基于明渠均勻流動的基本理論，利用雷諾數(shù)Re來判斷水流流型：500≤Re≤5000，定義為過度流；Re<500，定義為層流；Re>5000，定義為紊流。

研究發(fā)現(xiàn)，河岸帶邊坡對徑流的黏滯影響較大，雷諾數(shù)約46.30～129.21，水流流態(tài)屬于層流，如表3所示。水流相同的條件下，坡面流的湍流度與坡面流的雷諾數(shù)成正比，裸坡的雷諾數(shù)比其他類型的坡面更顯著。所有坡面雷諾數(shù)均隨水流量的增加而變大，表明水流量的大小比植被類型對坡面流的影響更大[8-9]。

表3 不同坡面類型水力學指標參數(shù)

在多種水流條件下，不同植被類型雷諾數(shù)和時間的變化規(guī)律統(tǒng)計結果表明，前期雷諾數(shù)迅速增加，但在后期趨于平緩。對于不同植被類型的坡面，水流經過坡面時，由于坡面植被特征和根系分布的不同，形成不同類型的尾渦，坡面水流最終趨于穩(wěn)定。當水流量為3L/min時，狗牙根的雷諾數(shù)相對穩(wěn)定。這表明，在低流量條件下狗牙根具有明顯的阻流效果。

根據(jù)徑流流型的判別標準公式計算，各個坡面的弗勞德數(shù)均大于1，定義為急流狀態(tài)。計算結果表明，除裸坡外，不同植被類型的弗勞德數(shù)與時間的關系相對穩(wěn)定，同時植被覆蓋使坡面流阻力增加，流速降低而引起弗勞德數(shù)下降。此外，狗牙根的弗勞德數(shù)為1.01，較其他坡面類型明顯降低(p<0.05)

2.3 阻力特征

科學研究中，通常使用阻力系數(shù)和曼寧粗糙度來表示流動過程中的阻力。阻力系數(shù)越高，水流消耗的能量越大，輸沙能力越小。裸坡的阻力系數(shù)明顯低于其他植被類型(p<0.05)，如表4所示，主要由于植被根系增加了地表的粗糙度，具有固結表層土壤的作用，提高了對坡面水流阻力。

表4 不同流量條件下水動力特征參數(shù)

研究表明，狗牙根具有顯著的抑制效果，平均阻力系數(shù)可達3.57，為裸坡阻力系數(shù)的10.2倍。同時，狗牙根和灌草植被類型條件下的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈正比例關系，表明低草本植物具備良好的阻流作用。不同坡面類型下，曼寧粗糙度系數(shù)和阻力系數(shù)的變化規(guī)律基本相同，其中，裸坡曼寧粗糙度系數(shù)平均值最低為0.016。狗牙根坡面曼寧糙率系數(shù)平均值約為0.062，明顯高于其他植被類型(p<0.05)。

3 結論

本文采用模擬試驗的方法分析植被治理對坡面徑流條件下的水力學特性，得到如下結論。

(1)坡面平均徑流流速與流量和時間呈正相關關系，不同坡面、植被類型下雷諾數(shù)Re在46.30～129.21范圍內變化，流態(tài)始終保持為層流狀態(tài)(Re<500)。

(2)弗勞德數(shù)Fr隨時間變化呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，各坡面徑流流態(tài)均表現(xiàn)為急流(Fr>1)，植被坡面的阻力系數(shù)在0.58～5.35之間，裸坡阻力系數(shù)在0.21～0.48之間，植被對坡面徑流具有良好的抑制作用。

(3)低草本類型植物可有效抑制水流對土壤的侵蝕作用，降低坡面水流流速。狗牙根對減緩徑流速度的作用最明顯，采用狗牙根具有突出的減流阻沙效益，能有效減少水流量。研究結果為植被恢復和水土保護提供理論支撐。