杨方社,李怀恩,曹明明,杨寅群

(1.西北大学城市与环境学院,西安 710069;2.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安710048;3.武汉大学资源与环境学院,武汉 430079)

0 引 言

随着水土流失、环境的破坏,植物滞流拦沙、防治水土流失方面的研究已成为目前的研究热点之一[1-5]。水保专家毕慈芬等[6-7]根据内蒙古准格尔旗典型砒砂岩地区沟道的产流输沙特点,按照“以柔克柔”(针对松散颗粒构成的谷坡)和“以柔消能”(针对沟壑的暴雨股流)的思路,根据沙棘优良的自繁生物学特性,提出一种新型防止沟道小流域土壤侵蚀的生物工程—沙棘植物柔性坝。这种植物柔性坝是优选2～4龄生沙棘苗,在支、毛沟(黄河的 4、5级支沟)内,按一定株距和行距在垂直于水流方向交错种植若干行,利用沙棘的植物阻力,达到消能并分散股流、拦截沟壑雨洪泥沙的目的,最终实现抑制沟道土壤侵蚀并改善区域生态环境的目的。与普通河道拦水大坝不同的是,沙棘柔性坝具有透水、自我繁殖、柔性变形与动态生长、贯通上下游动植物的栖息环境、拦沙保水与恢复沟床植被的优良特性。

为了分析沙棘柔性植物对水流流速的影响,进一步探究沙棘植物柔性坝的阻水效应[8-9],在国家自然基金的支持下,在野外水流试验基地,基于目前最先进的流场测量技术PIV(Particle Image Velocimetry)法,观测了沙棘柔性坝水流的表面流速场,根据试验数据讨论了沙棘植物柔性坝表面流速沿程变化特性,讨论了沙棘植物对水流纵向表面流速的影响与阻滞效应,这有助于人们对植物滞流拦沙机理的认识,并可为沙棘柔性坝这一滞流拦沙生物工程的应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 研究区概况

试验是在处于陕西华县小华山水库左岸坡地的西安理工大学沙棘野外试验基地开展的。试验地土壤为砂壤土,土壤有机质含量为4.9%～6.34%,pH值范围为8.16～8.23,呈碱性,粒径大于5mm的占1.34%,小于5mm的占98.66%。共设计了4个沙棘柔性坝试验床,编号为 1#、2#、3#、4#,沙棘柔性坝均采用交错的梅花型方式种植,各坝种植参数见表1,表中a(cm)为株距,b(cm)为行距,P为排数,l(cm)为坝长。试验主要观测内容为坝前、坝中、坝后表面流速的沿程变化。将试验床从进水口起算每隔0.5m设置一个监测断面,直至坝尾。

1.2 试验床平面布置

试验设施主要包括：蓄水池、消力池、沙棘柔性坝试验床。蓄水池的水流通过消力池平稳地流入沙棘柔性坝试验床,蓄水池进口流量通过矩形闸门按照泄流曲线控制,蓄水池等设施详见文献[10]。试验床沙棘柔性坝平面布置及尺寸如图1所示。

表1 沙棘柔性坝的种植参数Table 1 Plant parameters of the seabuckthorn flexible dam

图1 试验床布置图(单位：m)Fig.1 Plan of test beds(unit：meter)

2 PIV试验系统与试验条件

PIV法的优点是可实现无接触测量,不会干扰流场,能够测量瞬时流速场,在多领域得到了广泛应用[11-15]。虽然众多学者开展了PIV技术的应用研究,但是因为其实验条件比较严格,大多数的研究主要集中于PIV技术在室内小型试验的应用研究,而在野外大型试验场运用这一技术进行水流特性研究较少见于文献报道。

2006年9月和11月在陕西华县小华山野外试验基地,应用PIV技术开展了沙棘柔性坝表面流速场的野外观测试验,效果良好,以2#试验床试验系统为例,如图2所示。试验以阴天自然光作为光源,示踪粒子为反光性能良好、密度较轻能漂浮于水流表面的圆形白色塑料泡沫,平均粒径约为5mm,漂浮在水面示踪粒子的浓度约为30颗/100cm2。试验中固定好的数码摄相机镜头垂直于水面,距离水面约3.5m左右,拍摄范围覆盖整个床面。实验采用的摄像机频率30帖/s,所采集的图像每间隔3帖采集1帖。床面较长,将3部相机在同一时刻采集的图像,运用Photoshop中的图像拼接模块进行图像完整拼接。另外,PIV技术严格要求光源对粒子的入射光线为垂直入射,但是在野外试验中难以达到,图2中的入射角角度的一半为26°,不是很大,可忽略非垂直入射光线对流速引起的影响,因此未进行图像在入射光线方面的畸变校正。最后利用在Matlab6.5上编制的程序,应用图像粒子识别方法得出粒子运动位移,根据粒子运动时间,计算出粒子运动速度。应当指出的是,本次试验中所测的流速均是水流表面流速,由于水深较浅,属非淹没流,因施测仪器所限,无法测量沿水深分布的垂线流速。虽然不能深入分析到流速变化特性的本质机理,但是对于认识柔性植物对水流流速沿程影响变化特性还是有帮助的。

图2 2#沙棘柔性坝试验系统简图Fig.2 Test system scheme of the 2#seabuckthorn flexible dam

3 结果与分析

3.1 柔性坝全流场分析

当Q=0.1m3/s,各试验床面的全流场图片以及相应的矢量图(图中“→”代表流速矢量的大小和方向)见图3(a)～(d)所示,水流自左向右流动;x代表柔性坝床面的长度,y代表柔性坝床面的宽度;箭头长度代表流速大小(1mm=0.25m/s),箭头方向代表流速方向。图像中的空白区域均是沙棘植物所在行及附近区域,主要是由于沙棘植物枝叶的阻挡而未能拍摄到示踪粒子所致,这也是在以后的试验中应该注意与解决的问题。

图3 各柔性坝表面流速全流场图Fig.3 Whole surface velocity fields in water flowthrough each flexible dam

从图3(a)～(d)可见,各柔性坝内示踪粒子的表面流动,可以反映出水流表面流动状态,在没有沙棘的区域,示踪粒子呈片状分布,而沙棘“柔性坝”内的示踪粒子在水流表面基本呈分散带状分布。这是由于水流受到沙棘的阻挡,水流只能透过沙棘之间的缝隙流动,这就使得横断面的流速分布发生了变化,漂浮在水流表面的示踪粒子由于表面流速分布不均匀而形成分散性的带状分布。另外,沙棘柔性坝均采取交错种植,水流每流过一排沙棘后,能量和流速都要被重新调整,以适应这种阻力变化,从能量平衡的角度来看,柔性坝的交错种植方式有利于水流能量的消耗,这与文献[16]中柔性坝对水流能量的耗散的描述是一致的,也符合杨志达的最小能耗理论[17]。

3.2 柔性坝流速沿程变化特性分析

图4(a)～(d)是各柔性坝流场的表面流速沿程或沿纵向(指顺水流方向,以下类同)变化图,图中均包括横断面上表面流速的平均值沿程(指顺水流方向,以下类同)变化曲线和典型纵向流线(指顺水流方向纵向垂直剖面的表面流线)上表面流速沿程变化曲线(以下类同)。

在图4(a)中,由距1#试验床面左边墙(指顺水流方向,相当于河流的左岸)1.8m处的纵向表面流线的流速沿程变化曲线可见,在1#坝内水流进入柔性坝后,在两排沙棘间隔段的表面流速先增大,后减小,因为紧邻下一排沙棘对水流已发生了明显的阻力效应。从表面流速沿横断面的平均值沿程变化曲线可见,在水流穿过柔性坝期间,表面流速经历增大、减小、增大再减小这样一个循环往复的波浪型过程,在第4排沙棘处流速增大较快之后是略微减小,其原因是该排沙棘棵数较少(这是由于未能及时补苗造成的),阻力较小引起的。

由图4(b)可见,在2#柔性坝内,水流在遇到第一排沙棘后,表面流速迅速减小,且减小幅度较大。与1#沙棘柔性坝一致的是,流速在坝前(无沙棘)对比段(0～1.53m)和坝后(无沙棘)对比段表面流速都是沿程增大的,只不过由于对比段长度的不同,1#坝后对比段表面流速增大比2#坝后对比段增长较快。从图中表面流速沿横断面的平均值沿程变化曲线可见,流速从1.24m断面处的0.85m/s迅速降为0.36m/s,流速消减率约为60%;穿过第一排沙棘后,流速逐渐增大并迅速减小,在第二排沙棘前的2.43m断面处流速减为0.123m/s,可以看出在沙棘所在断面位置处,表面流速都迅速减小。在水流穿过整个柔性坝期间,表面流速仍然经历着增大、减小、增大再减小这样一个循环往复的过程。穿过柔性坝后表面流速在坝后对比段仍然减小一段后迅速恢复增大。2#柔性坝共8排沙棘,在前4排使表面流速衰减,再经历后4排的阻滞,表面流速已变得很小,平均约为0.2m/s。2#沙棘柔性坝坝长比1#沙棘柔性坝要长近一倍,而且苗木分布密度要比1#坝大些,由此说明坝长和沙棘的分布密度及长势状况对表面流速的重新分布和衰减变化有很大影响。

图4 各柔性坝表面流速沿程变化情况Fig.4 Lengthwise surface velocity variation in water flow through each flexible dam

由图4(c)可见,3#坝内不同纵向流线上表面流速沿程变化趋势基本相同,都是在3m处遇到第一排单棵沙棘后表面流速小幅减小,在4.5m处流线上的表面流速增到最大,该断面处表面流速平均值已达到0.7m/s,之后在第2排沙棘前的5.3m处表面流速平均值迅速减小到约0.3m/s,之后,遇到一排沙棘表面流速就大幅减小,穿过后表面流速就增大。从图4(c)中的表面流速沿横断面的平均值沿程变化曲线可见,整个流速变化沿程呈现出上下波动的“之”字形形状,这与前述的1#、2#柔性坝的变化规律较类似;从全程来看,在柔性坝坝段表面流速沿程一直递减,在最后一排沙棘处表面流速已消减至0.2m/s左右,消减率约为70%,3#柔性坝虽然种植密度最小,但坝长较长,加之在水流试验前并未除掉地表杂草,以至于对流速的衰减作用除了坝长较长外,很大程度上是地表较繁茂的杂草的贡献。

由图4(d)可见,在试验床横断面上,距试验床右边墙(坝丛内水流的右岸)0.4m、0.9m、1.1m及1.8m处的各自纵向表面流线上的表面流速沿程变化规律是一致的。坝前横断面上的表面流速最大达0.73m/s,位于1.5m横断面上的最大流舌处(较规则的天然河流横断面上的垂线平均流速分布大致为“流舌”状)。在4#试验床面上,4～14.5m为柔性坝段,在进入柔性坝后,表面流速迅速减小至0.3m/s,在7m以后,表面流速再次减小至0.2m/s,且至此之后整体表现平稳。柔性坝段各纵向流线上的表面流速沿程变化也始终是先减小再增大的“之”字形过程,且一直持续到坝尾,这与1～3#床纵向流线上的表面流速沿程变化规律是一致的。与前述1#-3#床的纵向流线上的表面流速沿程变化相比,可知4#坝对流线表面流速的衰减作用最强,其阻力效应要大于1～3#坝,因为4#坝的坝宽只有2.2m,在流量大致相当的前提下,4#坝的坝内的表面流速平均只有0.15m/s,是各坝中最小的。从图4(d)中的横断面上表面流速的平均值沿程变化曲线可见,在床面进口段横断面表面平均流速逐渐增大到最大值0.63m/s,位于坝前1.5m断面处,之后由于柔性坝的阻水作用,表面流速很快衰减,到第一排沙棘前的3.6m处已减小至0.13m/s;在坝内最小表面流速发生在7.7m横断面处和10.75m横断面处,横断面上的表面流速平均值约为0.1m/s,可见表面流速已经非常小了。总体来看,坝内横断面表面流速平均值的最大值约为对比段横断面上表面流速平均值最大值的58%,坝内最小断面平均表面流速约为对比段最大断面平均表面流速的16%,可见,4#柔性坝对表面流速的衰减效应非常显著。

3.3 不同植物柔性坝的表面流速沿程变化比较

图5是各柔性坝横断面平均表面流速沿程变化对比。由图5可看出,在坝前对比段1#坝、2#坝及4#坝,水流表面流速都是逐渐减小的,只有3#坝坝前对比段水流表面流速是逐渐增大的,这是由于3#坝的特殊种植方式造成的。另外,各坝在柔性坝内的水流表面流速沿程都呈现出相同的增大→减小→增大→减小的变化趋势,不同的是因各坝种植方式、种植密度、床面坡度及坝长的不同而导致的对表面流速衰减幅度不同,显然,4#柔性坝对表面流速的衰减幅度最大,其次是2#坝,再次是3#坝,最后是1#坝,这主要可能是由于各坝的坝长不同而引起的,当然也与各坝的种植密度、种植方式、床面坡度及柔性坝沙棘植物的长势等因素有关,这也是下一步需要进一步分析研究的问题。

图5 各柔性坝横断面表面流速平均值沿程变化对比Fig.5 Comparison among lengthwise variation of average surface velocity in cross section in water flow through each flexible dam

4 结论与认识

柔性植物对水流的影响是复杂多变的,受植物的种类、高矮、韧性与挠度及植物密度等多因素影响,认识植物对水流特性的影响及机理需要长时间的努力与探索。本实验所得的主要结论与认识如下：

(1)PIV技术所得数字化表面流速场表明,沙棘对水流有明显的影响,沙棘柔性坝内的表面流速明显小于坝前无沙棘对比区,尤其在种植密度较大的区域表现尤为明显,在柔性坝体内水流表面流速明显降低,而后至柔性坝下游表面流速则逐渐恢复;

(2)柔性坝内横断面表面流速平均值沿程呈现出相同的“增大→减小→增大→减小”这样循环往复的变化趋势,柔性坝表面流速显著衰减及幅度的不同主要是由于柔性坝坝长、种植密度、种植方式及床面坡度等因素有关;

(3)沙棘柔性坝的交错种植方式有利于水流能量的消耗,水流的能量损失主要集中在柔性坝体内,最大能量损失发生在坝上游壅水区,有利于滞流拦沙;

(4)本实验通过PIV技术的应用,认为在大型野外试验场,有条件的话应积极推广应用粒子图像测速这一先进技术;

(5)受野外实验条件限制,本实验未能测量与分析在沙棘植物的影响下沿沙棘植物柔性坝横断面上各垂线的流速分布,这方面及其它不足之处都是以后应该改进与加以研究的。

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