河岸帶碎屑餌料起動特性實驗研究

王正央 陳卓 馮鏡潔 李然

收稿日期：2023-10-10

基金項目：國家自然科學基金重點項目“梯級開發河流洪水過程與水生態效應互饋機制及其協同調控研究”（52039006）；國家自然科學基金長江水科學研究聯合基金“長江經濟帶小水電河流生態系統完整性評估監測與修復”（U2240212）。

作者簡介：王正央（1999—），男，甘肅慶陽人，研究方向為生態水利。#通信作者：馮鏡潔（1986—），女，研究方向為生態水力學，E-mail：

fengjingjie@scu.edu.cn。

摘 要：以對雅礱江進行采樣分析得到的碎屑餌料特性為參考，制備實驗碎屑餌料，設計了無碎屑、4.8%、9.1%、16.7%等不同碎屑餌料質量含量工況的模擬河岸，利用實驗室可控水流系統探究流速對河岸帶碎屑餌料補給起動的影響。結果表明，無碎屑餌料、4.8%、9.1%和16.7%碎屑餌料質量含量所需的起動流速分別為40.2、37.8、35.1和32.4 cm/s。隨著碎屑餌料含量增加，向河流補給所需要的起動流速降低。實驗條件下，得到碎屑餌料起動流速與碎屑餌料質量含量關系為。計算得到雅礱江錦屏段采樣區的碎屑餌料起動流速為39.7 cm/s。研究成果可將傳統水生態關注的餌料補給定性分析拓展至與水力學參數關聯的定量影響，為河流碎屑餌料補給測算以及河流水生態系統健康保障提供科學數據與支撐。

關鍵詞：碎屑餌料；起動；河岸帶；水生態；機理實驗

中圖分類號：P734.4 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

河岸帶是指由于水位改變而使河岸周邊土地在最高水位與最低水位之間呈現季節性淹沒和出露的干濕交替過渡區域[1]，是陸地和水生生態系統之間養分通量的重要區域[2]。河岸帶的有機碎屑可補給至河流，為魚類等提供餌料物質，稱為有機碎屑餌料或碎屑餌料[3]。碎屑餌料主要為濾食性魚類、底棲動物的食物來源。相關學者[4]對金沙江段的取樣結果表明，碎屑餌料對草食性魚類和濾食性魚類的汛后貢獻率均超過30%。汛期碎屑餌料的補給對魚類育肥過程意義重大，梯級水庫格局下，河道內高流量過程顯著降低，庫區的流速降低至接近靜水狀態，流速和淹沒條件變化改變了碎屑餌料對河流的補給。因此，量化河岸帶碎屑餌料補給的起動特性與水力學條件的關系很有必要。

基于雅礱江天然河岸帶采集到的碎屑餌料密度和質量含量，通過機理實驗，模擬含碎屑餌料的河岸帶在不同水流條件下的碎屑餌料入河補給特性，探究不同碎屑餌料含量下的起動流速，并建立碎屑餌料起動流速與其質量含量的定量關系，為河岸帶碎屑餌料入河量測算和保障河道內魚類攝食來源的水生態保護及其調度研究提供科學依據和技術支撐。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗在順直實驗水槽中開展，水槽長15 m、寬0.5 m、高0.3 m（圖1）。采用人工碎屑餌料泥沙混合材料構建實驗段河岸，實驗段位于水槽中部，橫截面為底邊長16 cm、高12 cm的三角形。在預實驗中可觀測到，進水口附近水流流態變化劇烈，會導致人工河岸發生侵蝕，進而加劇水流流態的變化，對碎屑餌料起動造成影響。為消除影響，在實驗段兩端均固定一段與實驗段同截面的長為4 m的木質河岸模型用于穩流，水槽末端設有可調節高度的擋板。

1.2 實驗材料

1.2.1 碎屑餌料實驗材料

實驗前，至雅礱江錦屏段采樣，采集所得無機質為泥沙、礫石、顆粒態鹽，有機質為植物碎片及小型動物尸體。分別使用1.2 、1.4 g/mL硅膠懸濁液，對土壤中碎屑有機物進行分餾操作，得到的碎屑餌料質量占樣品質量的比例為碎屑餌料質量含量。雅礱江大河灣河段河岸帶各采樣點中，碎屑餌料質量含量最大為1%，密度≥1.4 g/cm3的碎屑餌料質量占比超過80%，碎屑餌料尺寸大于0.15 mm占比超過85%、碎屑餌料尺寸＞0.3 mm占比超過60%。

采樣結果未能獲取到詳細的粒徑分布，據研究[5]，水體中碎屑餌料粒徑處于0.1～0.5 mm之間，各站位的平均粒徑大多＞0.2 mm。結合現場采樣分析和文獻調研成果，制備實驗用人工碎屑餌料，采用聚乙烯和氧化鈣高溫熔結。為了實驗中便于肉眼區分，將碎屑餌料制備為紅色（圖2）。實驗所用的人工碎屑餌料平均密度采用1.4 g/cm3；粒徑介于0.15～0.3 mm和0.3～0.5 mm的碎屑餌料各占50%。

1.2.2 河岸帶實驗材料

河岸材料為采用天然河道過濾非泥沙物質后的粗顆粒泥沙，其干密度為1.61 g/cm3，自然密度為2.25 g/cm3。使用攪拌機按工況設置的比例進行混合，為了測試混合物的均勻性，對各工況混合物隨機采集質量為20.00 g的樣品10個，使用密度分離法測量樣品中碎屑餌料的質量。分離提取使用油和氯化鋅溶液協同進行，油的密度為0.9 g/cm3，氯化鋅溶液密度配制為1.6 g/cm3。當各樣品中碎屑餌料平均質量誤差＜5%，則認為碎屑餌料和泥沙混合均勻程度滿足實驗要求。

1.3 實驗方法

采用機理實驗，改變水力學條件探究河岸碎屑餌料隨流速變化的起動特性。將碎屑餌料泥沙混合物壓實在水槽中形成河岸帶。在實驗開始前，人工河岸屬于干燥狀態。為減少系統誤差，同時降低初始水流脈動作用帶來的沖刷影響，使用低流速對實驗段河岸進行浸潤，使得河岸的含水率接近天然情況下有水流浸潤的狀態。浸潤時流量為3.57 L/s，水深10.3 cm，流速0.085 m/s，該流速條件河岸碎屑餌料基本無起動，對實驗結果影響極小。

完成浸潤后，逐步增大水流流速觀察碎屑餌料起動情況。在預實驗中，對比“增大流量”和“減小擋板”兩種流速控制方法。由于較難控制流量無級平順增加，流量變化時導致水流的流速突變，會導致短暫、局部的河岸碎屑餌料入河，不利于實驗成果統計。比較后采用恒定進水流量，按1 cm逐級降低水槽尾部擋板高度，以此逐漸增大流速。各級流速條件下穩定10 min，觀察實驗段是否發生顯著碎屑餌料起動現象，同時監測流速、水深等參數。

最后，對推移質運動階段的劃分及實驗設計，當實驗段床面有個數可數的碎屑餌料開始運動時，認為碎屑餌料開始起動；當實驗段床面各處均觀察到碎屑餌料隨水流運動，且在穩定時間內均觀察到碎屑餌料運動個數不可數時，認為該流速下持續有碎屑餌料隨水流起動，此時流速為碎屑餌料起動流速。

1.4 實驗工況

為探究碎屑餌料起動條件與水力學條件的關系，以河岸中碎屑餌料質量含量作為控制變量。在采集到的雅礱江天然河岸樣品中，碎屑餌料質量含量為1%，模擬天然河岸碎屑餌料質量比1∶100進行預實驗，該實驗條件下碎屑餌料質量含量較少導致測量誤差較高。本實驗中則放大天然河岸碎屑餌料質量含量，以降低測量誤差導致對規律的影響。共開展4組工況（表1）。工況2、3、4情況下，樣品中碎屑餌料理論質量分別為0.95、1.18、3.33 g。樣品中碎屑餌料平均質量分別為0.97、1.85、3.30g，平均相對誤差分別為4.9%、2.5%、1.8%。各樣品誤差均小于5%，認為泥沙與碎屑餌料的混合程度滿足實驗要求。

2 結果與分析

2.1 實驗結果

使用碎屑餌料起動流速的判定方法，得到不同工況下碎屑餌料起動流速（表2）。結果表明，實驗條件下，河灘中不同質量含量碎屑餌料的起動流速不同，工況1（無碎屑餌料）河岸泥沙的平均起動流速為40.2 cm/s，工況2（碎屑餌料質量含量4.8%）、工況3（碎屑餌料質量含量9.1%）和工況4（碎屑餌料質量含量16.7%）的河岸碎屑餌料的平均起動流速分別為37.8、35.1和32.4 cm/s。

2.2 起動流速與碎屑餌料質量含量的關系分析

碎屑餌料起動流速與碎屑餌料質量含量的關系如圖2所示。考慮到隨著碎屑餌料質量含量的增加，河岸帶碎屑餌料起動流速不會無限減小，采用指數關系擬合起動流速和碎屑餌料質量含量關系的數據點，得到河岸帶碎屑餌料起動流速的經驗公式：

UCD=40.2e-0.013ω（1）

其中：UCD為碎屑餌料起動流速，單位為cm/s；ω為碎屑餌料質量含量。由公式可知，雅礱江錦屏河段的碎屑餌料對應的起動流速為39.7 cm/s。

2.3 與粗顆粒泥沙起動經驗公式的對比分析

為了分析實驗數據和經驗公式的合理性，收集已有泥沙起動流速計算的經典公式，包括我國的李寶如、鄭兆珍及王尚毅，以及前蘇聯的克諾洛茲等。文獻中起動流速的與粒徑D、水力半徑R有關，采用本實驗中工況1的實驗成果進行計算，粒徑采用床沙組成中接近最粗的一部分粒徑作為代表粒徑，取D=

0.14 cm，取床沙起動時的水深h=7 cm計算水力半徑R=5.14 cm，水的動黏性系數為0.01 cm2/s。表3為本實驗適用范圍內各家起動流速公式及計算結果。

其中，N=gμs，μs為床面泥沙的密實程度，在該實驗中為0.512。

各公式計算的理論泥沙起動流速分別為40.9、40.8和37.3 cm/s，工況1測得無碎屑餌料混合的泥沙的平均起動流速為40.2 cm/s，本實驗實測泥沙起動流速與經驗公式計算的泥沙起動流速對比如圖3所示。由此可以看出，本實驗結果與經典公式計算結果較符合，表明本實驗測量得到的含有碎屑餌料河岸帶的起動流速成果合理。對比含碎屑餌料泥沙起動結果與無碎屑餌料泥沙起動結果，差距顯著，表明碎屑餌料沉積物的起動閾值用常規泥沙運動概化存在誤差，在開展碎屑餌料入河補給量測算時，應考慮含碎屑餌料對河岸泥沙啟動的影響。

3 結論

（1）無碎屑餌料工況的泥沙啟動流速為40.2 cm/s，

當河岸帶碎屑餌料質量含量提升至4.8%、9.1%和16.7%時，泥沙與碎屑餌料混合物的起動流速降低為37.8、35.1和32.4 cm/s。表明隨著碎屑餌料質量含量的增加，碎屑餌料起動流速降低。

（2）碎屑餌料起動流速與碎屑餌料質量含量呈負指數相關關系，擬合為。以此計算得到采樣的雅礱江錦屏河段碎屑餌料對應的起動流速為39.7 cm/s。

（3）將本實驗中無碎屑餌料工況的起動流速與前人建立的泥沙起動公式計算結果對比，實驗結果與公式計算結合符合性較好，表明本研究得到的含碎屑餌料河岸起動流速合理，碎屑餌料在河岸占比較大時，起動流速采用常規泥沙運動概化的誤差不能忽略。

（4）本研究尚未探究不同泥沙特性（黏性、非黏性等）、碎屑餌料形狀和材質特性的影響，也未考慮持續流水條件下碎屑餌料入河特性，將進一步結合多個真實河岸的泥沙與碎屑餌料特征，開展概化實驗研究不同條件下的碎屑餌料補給特征。

參考文獻

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[5] 胡文燁，陳堅，李東義，等.西北太平洋春、秋季懸浮顆粒物的粒徑變化與物質組分[J].應用海洋學學報，2017，36（2）： 221-232.