黄土区草地坡面水流水力学特性模拟研究

黄土区草地坡面水流水力学特性模拟研究

长期以来，种植树木和种草已被用作控制和预防水土流失的重要措施之一。目前,植被与坡面产沙的关系研究多侧重于植被对侵蚀的调控机理方面。一般是通过不同植被坡面的野外径流小区试验,研究不同植被类型、坡度和盖度等条件下的水土保持效应,或通过室内外人工降雨试验进一步阐明其减水减沙过程。在国内,有关草地拦蓄坡面上方来沙的研究尚少,而在国外,研究主要集中在缓坡草地拦蓄泥沙的模拟试验。而从坡面流水力学特性和泥沙粒径方面出发,开展不同坡度、特别是陡坡草地的拦沙机理研究还不多。在当前国家实行退耕还林还草这一重大生态工程背景下,对草地坡面的拦沙效应及其机理研究具有重要意义,同时该研究将为坡面非点源污染控制以及建立考虑植被效应的土壤流失预报模型提供理论依据。本文主要通过室内模拟试验探讨不同坡度草地的含沙水流水力学特性以及草地的减沙效应,揭示不同坡度草地拦蓄泥沙机理。1材料和方法1.1土壤、坡面特征试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,试验过程流量和含沙浓度恒定。试验流量采用黄土高原常见雨强30mm/h降雨在标准径流小区上的后期净产流量,含沙浓度主要考虑坡面片蚀产沙。自制变坡式装土槽(长×宽×高=2m×0.55m×0.35m),可调坡度0～30°。试验装置见图1。试验土壤为森林褐色土,其基本颗粒组成见表1。草地小区选用草种为多年生黑麦草,试验中牧草长势良好,盖度为85%～90%,并设5°、10°、15°、20°和25°五种坡度处理。为了避免土壤入渗对含沙水流运动的影响,每次试验前对草地小区进行充分降雨,使土壤基本饱和。前期试验表明,该草地基本无侵蚀产生。在试验过程中,每隔3min收集一次径流过程样,并通过烘干称重法测定含沙量。用示踪法测定坡面表层流速(Vs)。并通过V=kVs计算坡面的平均流速(V),其中k取0.67。泥沙粒径采用马尔文MS2000激光粒度分析仪测定。1.2水流动力学参数由于坡面流水深浅以及土面的动床特性,坡面水深、波高均很难精确测定。本试验采用下式计算水深:h=qV(1)h=qV(1)式中h为径流深,m;q为单宽流量,m2/s;V为断面平均流速,m/s。由于坡面水深极浅(mm量级),宽深比很大,h可近似于水力半径R。在计算水流的雷诺数Re=VR/υ时,考虑含沙量对水流运动粘滞系数的影响,采用沙玉清公式对其进行修正。υm=υ1−Sυ2d50√(2)υm=υ1-Sυ2d50(2)式中υm和υ分别为含沙水流和清水的运动粘性系数;Sv为体积含沙量百分数;d50是泥沙的中值粒径,mm。阻力系数f采用下式计算:f=8gRJV2(3)f=8gRJV2(3)式中g为重力加速度,m/s2;V为平均流速,m/s;R为平均水力半径,m;J为水流能坡。由于对坡面流速作平均化处理,水流能坡(J)可采用坡面比降直接计算。2结果与分析2.1草地坡面的阻力系数fr本试验各测次的单宽流量变化较小,均在1.6cm2/s左右,平均流速变化范围为2.24～7.62cm/s,含沙量变化为15.06～23.88kg/m3。不同坡度草地坡面水流水力学参数见表2。雷诺数Re是水流的惯性力与粘滞力之比值,是水流流区的重要判据。不同坡度草地含沙水流的Re值变化为146.5～155.2,按明流的一般标准,可以认为各测次的水流均为层流,此时水流的粘滞力的作用较强,而紊动性较弱。弗劳德数Fr是表征水流流型的重要参数,它反映了水流的惯性力和重力之比。一般地,Fr是否大于1.0被作为判别明渠清水水流急缓的标准。但对于含沙水流,其判断临界存在不同看法,通常认为其临界值为0.8～1.0。需要指出的是,在计算弗劳德数(Fr=V/C,C为波速)时,未考虑波高的影响,因此表中计算的Fr值较实际值偏大。尽管如此,草地坡面水流的Fr值变化于0.08到0.54之间,且随草地坡度的增大而增加。从Fr值均小于0.8～1.0判断,各测次的水流均为缓流。阻力系数反映了坡面含沙水流在运动中所受的综合阻力大小。从表2可以看出,草地坡面的阻力系数变化在9.5到98.5之间,且随着坡度的增大而减小。而沙际德对细沟水流的观测表明,细沟流综合阻力系数随坡度增加而增大。这差异可能主要是后者细沟水流处于阻力平方区并为动床侵蚀方式造成的。虽然曼宁糙率n=R0.67J0.5/V主要适用于阻力平方区紊流,但由于缺乏坡面薄层水流阻力特性的系统观测资料,该公式仍被广泛应用于坡面流的简化计算上。经计算,不同坡度草地坡面的曼宁糙率变化于0.0268～0.1063,且随着坡度的增大而减小。在缓坡时草地坡面糙率比情况不良的明渠糙率(n=0.03)高得多,这说明在采用曼宁公式对坡面水流进行简化计算时,选用的n值不可照搬明渠水流公式,而必须考虑坡度、流量等对其的影响。2.2基本稳定后的拦沙情况在试验条件下,草地坡面的拦沙效应显著,且与坡度呈反势(表3)。这可能主要与陡坡时较大的流速和较小的阻力系数(表2)有关。从能量的观点出发,坡度增大意味着水流提供的能量较大,而由于草地坡面的侵蚀微弱,可近似为定床方式,故消耗能量主要用于增大流速或携带更多泥沙。不同坡度草地坡面的平均和稳定拦沙率(径流后期坡面出流泥沙浓度基本稳定后的拦沙率)分别为19.5%～43.6%和13.3%～41.7%,且稳定拦沙率均不同程度小于平均拦沙率(表3)。对不同坡度草地拦沙过程差异性分析表明,除20°与25°外,其余各坡度之间均存在显著差异,这说明坡度对草地的拦沙具有重要影响。平均和稳定拦沙率在20°和25°之间均无显著差异(表3),这可能与25°时较大的径流含沙量(23.88kg/m3,较20°大26.8%,表2)有关。不同坡度草地坡面的出流泥沙含量均随径流历时的增加而增大,并在15min左右基本稳定(图2)。缓坡草地的出流泥沙含量在径流前后期的变化幅度较陡坡小。5°坡面的出流含沙量在6.6～11kg/m3之间变化,而25°时变化在9.7～23.6kg/m3之间。同样的趋势出现在径流含沙量的减少效益过程变化上(图3)。与上方来沙相比,5°草地的出流含沙量减少从径流开始的62%到后期稳定的40%左右,而25°时出流含沙浓度减少在70%～10%之间。径流初期草地坡面的减沙效应较后期更加明显。不同坡度草地的减沙效益在径流前期变化在60%～70%,而后期变化于10%～40%(图3)。2.3不同坡度和坡面泥沙特征不同坡度出流泥沙的平均直径均显著小于上方来沙,且缓坡时更为显著(图4)。5°时坡面出流泥沙平均直径较上方来沙减小18.4%,而25°时仅为5.4%。除25°外,其余坡度处理的出流泥沙和上方来沙平均直径均存在极显著差异(图4),这可能与陡坡时水流流速以及泥沙颗粒重在沿坡度方向上的分量较大有关。一般地,流速增大,则径流所挟带的悬移沙粒径也增大。同时,对于部分粗颗粒泥沙主要以推移形式向坡下运动,坡度增大,泥沙颗粒在沿坡度上的分量增大,且水流的拖拽力也增加,因而可推移的泥沙直径也增大。对草地坡面上方来沙和出流泥沙的不同粒径分析表明,在不同坡度条件下,出流泥沙的大粒径(>10μm)泥沙的重百分数均显著小于上方来沙(表4),且缓坡时二者的差值较陡坡时大。与上方来沙相比,5°坡面出流泥沙>10μm粒径的重百分数较上方来沙减少30.3%,而25°时仅减少7.9%。这说明草地坡面具有拦蓄粗泥沙效应,且缓坡条件下更甚。由于坡面出流泥沙大颗粒重量百分数的减少,同时在试验过程中坡面无明显的侵蚀发生,则必然有小颗粒泥沙含量的增加来进行补充。对于2～10μm粒径泥沙,上方来沙颗粒的重百分数均不同程度地大于出流泥沙,而对于<2μm粒径泥沙而言,二者相差无几。这基本相同的小粒径(<2μm)之沙重百分数可能是草地坡面上有部分小颗粒泥沙被水流挟带出坡面的结果。肖培青和郑粉莉通过试验也证实上方含沙水流的汇入使坡面侵蚀泥沙中<0.001mm的粘粒含量增加。3坡面流对草地边坡面运动方程的影响本文以30mm/h的净雨强在野外标准径流小区上产生的单宽流量为设计标准,通过室内模拟试验,初步阐明不同坡度草地坡面对含沙水流水力学特性影响及其蓄减泥沙的效应机理,并得出如下几点结论。不同坡度草地的含沙水流的雷诺数Re和弗劳德数Fr分别变化于146.5～155.2和0.08～0.54之间,Fr随坡度的增大而增加。按明流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面的阻力系数f变化在9.5～98.5之间,且随坡度增大而减小。坡面流情况下的缓坡草地曼宁糙率较明渠水流时高得多,因此在对坡面流运动方程采用曼宁公式进行简化时,一定要注意曼宁糙率的选取。不同坡度草地的平均和稳定拦沙率分别为19.