張鴻敏, 楊方社, 李 浩, 亓 潘, 韓 琛

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應(yīng)

張鴻敏, 楊方社, 李 浩, 亓 潘, 韓 琛

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127)

[目的] 探討不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流流速和水深的影響，并分析和溝床糙率系數(shù)的變化及其主要影響參數(shù)，為“沙棘植物柔性壩”這一水土保持生態(tài)工程在山區(qū)溝道的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。[方法] 基于野外水流試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論分析的方法，探討“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流的影響及溝道糙率的變化。探討在不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對(duì)流速變幅值、水深沿程分布的影響，并對(duì)糙率系數(shù)的變化進(jìn)行了分析。[結(jié)果] 流速變幅值的大小與沙棘柔性壩壩長(zhǎng)、種植密度和床面坡度有關(guān)；在沙棘柔性壩較長(zhǎng)的試驗(yàn)床中,流速變幅值隨著坡度的增大而增大;在沙棘種植密度較大的試驗(yàn)床中,上游區(qū)的雍水深度和糙率系數(shù)值隨坡度的增大而增大。[結(jié)論] “沙棘植物柔性壩”對(duì)壩前水流流速有明顯的衰減阻滯作用，其中柔性壩壩長(zhǎng)和植物種植密度是影響“沙棘植物柔性壩”阻水效應(yīng)的主要因素。

沙棘植物柔性壩; 床面坡度; 水流流速; 水深; 粗糙率系數(shù)

文獻(xiàn)參數(shù)： 張鴻敏, 楊方社, 李浩, 等.不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：023-028.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.004； Zhang Hongmin, Yang Fangshe, Li Hao, et al. Water blocking effect of “seabuckthorn plant flexible dam” under different slopes[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：023-028.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.004

隨著水土流失和生態(tài)環(huán)境的惡化，植物措施已經(jīng)成為攔沙防洪和生態(tài)修復(fù)的一種重要的技術(shù)方法，早在70年代，國(guó)外一些學(xué)者[1]對(duì)植物的高植物樹干對(duì)水流和泥沙的干擾作用進(jìn)行了研究；接著一些學(xué)者[2]對(duì)樹木加糙后的漫灘水流阻力增大等特性、天然植物的護(hù)岸、消浪和防洪作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，認(rèn)為植物對(duì)水流作用的最大效果是極大地降低了植物群內(nèi)的水流流速。Panigrahi K[3]選用剛性圓柱桿作為模型植物在室內(nèi)水槽內(nèi)進(jìn)行植物阻水的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在河道中種植植物能夠延緩水流流速，而且還能引起水流能量的損失；Yagci O等[4]在實(shí)驗(yàn)室水槽中選用不同的挺水植物來研究植物對(duì)水流的結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)能特征變化，發(fā)現(xiàn)直立狀的植物比扁平狀的植物有更好的阻水效應(yīng)；Sadeghi M A等[5]運(yùn)用挺水植物在室內(nèi)水槽內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)河道中的植物引起水流紊動(dòng)將進(jìn)一步加劇水流橫向動(dòng)量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)學(xué)者時(shí)鐘等[6]、黃本勝等[7]運(yùn)用不同的水力學(xué)參數(shù)對(duì)植物水流的流速特性進(jìn)行了描述和研究，取得了不少成果。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)邱秀云等[8]在室內(nèi)利用模型樹沙棘，進(jìn)行了沙棘植物對(duì)水流阻滯特性渾水模型試驗(yàn)；拾兵等[9]在四川大學(xué)的高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用羽毛模擬沙棘植物，開展了沙棘植物滯流攔沙機(jī)理方面的試驗(yàn)，也取得了不少成果；楊克君等[10]探討了不同灘地植物(喬木、灌木和野草)對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響，發(fā)現(xiàn)植物水流流速的垂向分布有一定的影響；李波等[11]在室內(nèi)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究在岸邊布置不同排列方式的挺水植物對(duì)水流的影響，發(fā)現(xiàn)阻水效果隨挺水植物的布置方式不同而不同；閆靜等[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物非淹沒條件下的縱向平均流速可以表示為流量、渠寬、水深和植物密度的函數(shù)；惠二青等[13]在室內(nèi)水槽種植灌木植被和灌木—草本植被進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植被之間水流縱向流速垂向分布近似為雙曲線，植被冠層以上流速垂向分布符合冪函數(shù)曲線。羅憲等[14]在室內(nèi)水槽選用竹簽?zāi)M喬木探討了不同灘地植被密度、植被高度對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響。張瑋等[15]通過草皮護(hù)坡糙率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)草皮糙率值的大小與草皮的莖葉大小、植被的韌性、植株的密度和水流流速密切相關(guān)。葉一隆等[16]在實(shí)驗(yàn)室玻璃水槽中種植布袋蓮來探究該植物對(duì)渠槽曼寧系數(shù)的影響，通過計(jì)算求得覆蓋布袋蓮之渠槽曼寧系數(shù)隨著流速變化。

以上這些試驗(yàn)研究都是在室內(nèi)進(jìn)行的，大多數(shù)選用的是模型樹，并非真實(shí)的植物，具有一定的局限性，西安理工大學(xué)李懷恩等[17]應(yīng)用PIV(particle image velocimetry)技術(shù)開展了沙棘植物對(duì)水流表面流速影響的試驗(yàn)，采用粒子圖像跟蹤測(cè)速技術(shù)對(duì)水流流速進(jìn)行試驗(yàn)，但是PIV法測(cè)得的流速只是沙棘柔性壩表面流速，未能測(cè)量水流表面以下的流速，所以在野外進(jìn)行對(duì)水流表面以下流速的測(cè)定和研究是有必要的。

河道中種植植物能不僅能降低河床的水沙侵蝕效應(yīng)來維持河床的穩(wěn)定性，而且攔截水中的懸浮顆粒物，使得河流水質(zhì)得到改善[18]?！吧臣参锶嵝詨巍焙推胀ɑ炷链髩我粯泳哂袛r沙蓄水的作用，在小流域溝道中按一定的行距和株距，在垂直于水流方向種植的一排排沙棘植物體。河道中的普通混凝土大壩直接切斷了上下游的水力聯(lián)系，并切斷了上下游生物的棲息通道，使之喪失了溝道生態(tài)系統(tǒng)的連通性。沙棘柔性壩可減緩溝道水流流速，使泥沙沉積于柔性壩的底部，在沙棘植物根部逐漸形成一個(gè)凸起的壩體，以此進(jìn)一步增強(qiáng)沙棘柔性壩的攔沙效應(yīng)。而沙棘柔性壩不僅具有透水、自我繁殖、柔性變形與動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)、自然增高的作用，而且還能貫通上下游動(dòng)植物的棲息環(huán)境、發(fā)揮攔沙保水與恢復(fù)溝道生態(tài)系統(tǒng)的作用[19]。為了研究在不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”的阻水效應(yīng)，在野外試驗(yàn)基地，采用ZLY-I型智能流速儀來測(cè)量水流流速，水深采用最小刻度為1 mm的50 cm鋼尺沿邊墻水面線沿程進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文擬就“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流流速以及水深沿程分布的影響進(jìn)行分析和討論，并對(duì)曼寧糙率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和探討，以期有助于人們對(duì)植物滯流攔沙機(jī)理的認(rèn)識(shí),并為“沙棘植物柔性壩”這一攔沙生態(tài)工程的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況和設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)是在陜西省寶雞市眉縣首善鎮(zhèn)余管營(yíng)村的野外沙棘試驗(yàn)基地開展的，試驗(yàn)地土壤為黃黏土,土壤有機(jī)質(zhì)含量為8.18～34.34 g/kg，pH值范圍在7.15～8.5，屬于微堿性土壤。沙棘植物是在2015年3月栽植的，均采用交錯(cuò)梅花型布置方式進(jìn)行栽植，種植參數(shù)和沙棘植物的平均生長(zhǎng)情況如表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)施

本試驗(yàn)基地的主要試驗(yàn)設(shè)施包括：蓄水池、矩形量水堰、消力池、沙棘柔性壩試驗(yàn)床、排水渠。試驗(yàn)設(shè)施的布置見圖1，從機(jī)井抽出來的水進(jìn)入蓄水池，蓄水池長(zhǎng)8 m，寬4 m，深1.2 m，試驗(yàn)中，水流從蓄水池流出進(jìn)入量水堰，從量水堰流出的水流經(jīng)過引水渠進(jìn)入消力池，水流平穩(wěn)后最后流入試驗(yàn)床內(nèi)的沙棘柔性壩。5個(gè)試驗(yàn)床，分別設(shè)有5個(gè)獨(dú)立引水渠和5個(gè)獨(dú)立消力池，每個(gè)引水渠都有一個(gè)閘門，可以任意控制其開和閉。

式中：ρ為從校準(zhǔn)曲線上查得試液中硫酸根的質(zhì)量濃度，μg/mL；V1為測(cè)定試液的體積，mL；V為試液的總體積，mL；V2為分取試液的體積，mL；m0為試樣的質(zhì)量，g。

本試驗(yàn)水流的流速用南京瑞迪高新技術(shù)公司的ZLY-I型智能流速儀來測(cè)定(圖2)。

表1 沙棘柔性壩交錯(cuò)梅花型種植參數(shù)及沙棘生長(zhǎng)特性平均值

注:a為株距(cm);b為行距(cm);p為排數(shù)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)施實(shí)物圖

圖2 ZLY-I型智能流速儀

ZLY-I型智能流速儀可與多個(gè)流速傳感器相連，儀器自動(dòng)測(cè)量流速傳感器葉輪的轉(zhuǎn)速，將葉輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)儲(chǔ)存，并在面板顯示屏上顯示轉(zhuǎn)速出來。智能流速儀通過串口通信口與電腦連接通訊，只要將流速傳感器的流速與轉(zhuǎn)速之間的率定關(guān)系輸入電腦專用軟件的數(shù)據(jù)文件中，智能流速儀根據(jù)電腦的指令將流速傳感器的葉輪轉(zhuǎn)速迅速準(zhǔn)確的傳送到電腦中，由電腦中的相應(yīng)程序自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)的流速的率定曲線關(guān)系式轉(zhuǎn)換為相關(guān)的流速形成文本文件。試驗(yàn)所測(cè)的流速是指沿橫斷面方向垂直向下距水流表面2 cm深的水流流速。

1.3 水力參數(shù)計(jì)算

1.3.1 斷面平均流速 平均流速是水流強(qiáng)度的主要衡量指標(biāo)，根據(jù)水流的連續(xù)性方程，斷面垂線平均流速v可采用下面公式來進(jìn)行求解，其計(jì)算公式為：

v=Q/A

(1)

A=h(a+b)/2

(2)

式中：A——過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；Q——試驗(yàn)水流流量(m3/s),本次試驗(yàn)選取的流量為0.03 m3/s；h——實(shí)測(cè)斷面平均水深(m)，在植物排前10 cm處斷面兩邊和中間3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量水深值，然后求取平均值(過水?dāng)嗝媸翘菪螖嗝?;a——試驗(yàn)床溝道水面寬(m)；b——試驗(yàn)床溝道底寬(m)，本次試驗(yàn)取1.17 m，b取1.05 m。

(3)

式中：R——水力半徑(m)近似取斷面平均水深h(m)；i——水力坡度，近似取溝道床坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流流速的影響

在試驗(yàn)過程中運(yùn)用水泵，保持水流流量恒定，且流量值Q=0.03 m3/s,由于沙棘植物柔性壩對(duì)壩前水流有明顯的阻力效應(yīng)[21]，為了探討不同坡度下“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流流速的影響，在本次試驗(yàn)中距每個(gè)沙棘植物排前10 cm處作為測(cè)流速的試驗(yàn)點(diǎn)來測(cè)流速大小，選取的床面坡度分別為1%，5%和10%。

流速儀在斷面處測(cè)出8個(gè)點(diǎn)的流速值之后求取平均值，運(yùn)用公式η=(v0-vi)/v0(v0是溝道沿程30 cm處的流速平均值，vi是第i排沙棘植物前的流速平均值)計(jì)算出流速變幅值來進(jìn)行分析不同斷面流速的沿程變化情況。圖3是在不同坡度下各試驗(yàn)床不同斷面平均流速變幅值η沿程變化狀況圖。

圖3 不同坡度條件下各試驗(yàn)床不同斷面平均流速變幅值沿程變化趨勢(shì)

從圖3中可以看出，在各排沙棘的作用下，平均流速的變幅值都是大于零的，這說明在各排沙棘的作用下，對(duì)沙棘植物排前水流流速的衰減是非常明顯的。從1號(hào)床的流速沿程變化可以看出，在10%坡度條件下，其流速衰減效應(yīng)是最好的，其次是5%，然后是1%；流速變幅值在前兩排沙棘植物前是增加的，這可以說明在前2排沙棘植物的阻擋作用下，流速減小的幅度是比較大的；坡度為1%時(shí)，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排沙棘植物前，其變幅值為0.394，往后的斷面的流速變幅值都小于該值，而且有波動(dòng)現(xiàn)象；坡度為5%時(shí)，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排沙棘植物前，其變幅值為0.592，往后斷面的流速變幅值都小于該值，波動(dòng)幅度比較大；坡度為10%時(shí)，在4.5 m處的流速變幅值是最大的，即第6排沙棘植物前，其變幅值為0.621。由此可以看出，在壩長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)隨著坡度的增大，流速的變幅值也在增大，而且流速變幅值的最大值所對(duì)應(yīng)的斷面是沿程往后移動(dòng)的。

從2號(hào)床和3號(hào)床的流速沿程變化中可以看出，在3個(gè)不同坡度下2號(hào)床流速變幅值的波動(dòng)起伏現(xiàn)象比3號(hào)床要大，和1號(hào)床與4號(hào)床相比較，2號(hào)床與3號(hào)床的流速變幅值都比較小，由于2號(hào)床的沙棘種植密度比3號(hào)床的要大，2號(hào)床種植的沙棘對(duì)水流流速的衰減效應(yīng)比3號(hào)床要明顯，尤其是在前2排沙棘前，第3排和第4排前的流速變幅值都在減小，往后斷面的流速變幅值卻在增大，坡度為1%時(shí)，在3.7 m處的流速變幅值是最大的，即第5排植物前，其變幅值為0.453，坡度分別為5%和10%時(shí)，在4.55 m處的流速變幅值是最大的，即第6排植物前，其變幅值分別為0.474，0.358。即隨著坡度的增加，流速變幅值的最大值所對(duì)應(yīng)的斷面是沿程往后移動(dòng)的。在3號(hào)床坡度為1%時(shí)，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排植物前，其流速變幅值為0.431，坡度為5%時(shí)，在3.7 m處的流速變幅值是最大的，即第5排植物前，其流速變幅值為0.351，坡度為10%時(shí)，在4.5 m處的流速變幅值是最大的，即最后一排植物前，其流速變幅值為0.291，也可以看出流速變幅值的最大值所對(duì)應(yīng)的斷面是沿程往后移動(dòng)的。

1號(hào)床和4號(hào)床相比較，發(fā)現(xiàn)4號(hào)床的流速變幅值沿程波動(dòng)狀況比1號(hào)床要平緩一些，各斷面處的流速的變幅值都大于零，說明各沙棘植物排前的流速都小于初始值v0，沙棘植物排的阻水效應(yīng)非常明顯；坡度為1%時(shí)，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排植物前，其流速變幅值為0.466；坡度為5%時(shí)，在2.9 m處的流速變幅值是最大的，即第4排植物前，其流速變幅值為0.435；坡度為10%時(shí)，在2.1 m處的流速變幅值是最大的，即第3排前，其變幅值為0.971，這是因?yàn)樵撛囼?yàn)床的最后兩排長(zhǎng)勢(shì)不是很好，與前面的沙棘長(zhǎng)勢(shì)相比，后2排沙棘的株高都比較矮小，阻水效應(yīng)也就減弱了；當(dāng)坡度從1%增加到5%時(shí)，流速變幅值的最大值所對(duì)應(yīng)的斷面沿程是往后移動(dòng)的，而且隨著坡度的增大，流速的變幅值也在增大。

2.2 不同坡度條件下“沙棘植物柔性壩”對(duì)水深的影響

在本次試驗(yàn)中測(cè)量了沙棘植物前的水深，選取的測(cè)水深點(diǎn)和測(cè)速點(diǎn)一樣，都是距沙棘植物排前10 cm處，選取斷面中間和兩邊3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后求取平均值。圖4是在3個(gè)不同坡度條件下，即1%，5%和10%，恒定流量Q=0.03 m3/s時(shí)沙棘植物前水深的沿程變化狀況。

圖4 不同坡度條件下各試驗(yàn)床不同斷面水深沿程變化率系數(shù)的變化規(guī)律

從圖4中可以看出，4個(gè)試驗(yàn)床中的水深h沿程變化大致都呈波浪形，入口處的前兩排沙棘植物前的水深迅速減小，然后緩慢增加；隨著的坡度的增大，上游區(qū)雍水深度在增加，這在1號(hào)和2號(hào)床中表現(xiàn)的比較明顯，1號(hào)床和4號(hào)床相比較，1號(hào)床的上游區(qū)雍水深度明顯比4號(hào)床大，同樣，2號(hào)床的上游區(qū)雍水深度明顯比3號(hào)床大，這說明在坡度較大，沙棘柔性壩的壩長(zhǎng)相同的條件下，沙棘植物的種植密度越大，上游區(qū)雍水深度越大。從圖中還可以看出，當(dāng)坡度為1%時(shí)，水深的沿程分布有很大的波動(dòng)起伏現(xiàn)象，尤其在1號(hào),2號(hào)床中，當(dāng)坡度為5%時(shí)，水深的沿程分布也有波動(dòng)起伏現(xiàn)象，但是沒有1%坡度那樣明顯，當(dāng)坡度為10%時(shí)，水深的波動(dòng)起伏狀況趨于平緩，這說明在沙棘植物種植密度較大的試驗(yàn)床中，水深的波動(dòng)起伏是隨著坡度的增大而減小的。

2.3 不同坡度條件下沙棘溝道床的曼寧糙率系數(shù)

河道中的植物對(duì)水流的阻水效應(yīng)機(jī)理是非常復(fù)雜的，其主要表現(xiàn)在植物的糙率系數(shù)上[22]，這是水力學(xué)計(jì)算過程中比較重要的問題；植物的糙率系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著植物的類型、生長(zhǎng)狀況、密度以及水流的深度和流速等不同而變化。在本次試驗(yàn)過程中運(yùn)用水泵，保持流量恒定，通過計(jì)算得出的雷諾數(shù)大于2 300，說明試驗(yàn)為紊流；由于試驗(yàn)床中水流水深沿程是變化的，其底坡線、水面線、總水頭線彼此是不平行的，可以說明試驗(yàn)本身就是非均勻流；在計(jì)算和分析粗糙率系數(shù)時(shí)，用每?jī)蓚€(gè)相鄰斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來計(jì)算該兩個(gè)斷面之間的沙棘排的粗糙率，因?yàn)榫o密相鄰的兩個(gè)斷面之間的距離較小，為了探討沙棘排的粗糙率系數(shù)，把相鄰兩個(gè)斷面之間的水流近似當(dāng)做均勻流處理，從而可用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算。通過測(cè)得的數(shù)據(jù)和利用公式(1)，(2)，(3) 將糙率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，表2是通過計(jì)算得出的4個(gè)試驗(yàn)床的糙率系數(shù)值。

表2中的數(shù)據(jù)是在4個(gè)試驗(yàn)床內(nèi)不同斷面處通過公式計(jì)算求得的，在1號(hào)溝道床中選取沿程0.5，2.1，3.7，5.3和6.9 m這5個(gè)斷面，在其他3個(gè)試驗(yàn)床中選取沿程3個(gè)斷面，通過公式計(jì)算出的沙棘柔性壩糙率系數(shù)的范圍大致介于0.03～0.32，這與葉一隆等[16]的研究結(jié)果比較接近，即當(dāng)河道中種植有布袋蓮時(shí)，根據(jù)水流流速的不同，布袋蓮的曼寧糙率系數(shù)的范圍為0.026～0.416。

表2 各個(gè)試驗(yàn)床不同坡度條件下計(jì)算出的糙率系數(shù)值

通過不同試驗(yàn)床對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在沙棘種植密度較大的試驗(yàn)床中，不同斷面的糙率系數(shù)值沿程變化幅度比較大，尤其是在1號(hào)床中，坡度為10%時(shí)沿程變化幅度較明顯，最大值為0.288，在3.7 m處，最小值為0.245，在2.1 m處，平均值為0.262；坡度為5%時(shí)，糙率系數(shù)值的最小值為0.091，在2.1 m處，這是由于該處往后的沙棘長(zhǎng)勢(shì)不是很好，有缺苗的現(xiàn)象，未能及時(shí)補(bǔ)苗造成的；坡度為1%時(shí)只有微小的波動(dòng)，由此可以看出隨著坡度的增大，糙率系數(shù)值的變化幅度越大。

通過4個(gè)表的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在大坡度條件下計(jì)算得出的糙率系數(shù)值較大，這在1號(hào)和2號(hào)床中表現(xiàn)的比較明顯，主要由于1號(hào)和2號(hào)床中種植的沙棘密度較大，坡度較大時(shí)測(cè)得的沙棘植物排前的水深較深，使得溝道內(nèi)的水流能夠充分接觸沙棘的樹枝和葉子，對(duì)水流的阻力進(jìn)一步增大，由此導(dǎo)致在較大坡度下試驗(yàn)床的糙率系數(shù)較大。

3 討論和結(jié)論

(1) 在“沙棘植物柔性壩”的作用下，每個(gè)沙棘植物排前的平均流速的變幅值都大于零，“沙棘植物柔性壩”對(duì)水流流速有非常明顯的衰減作用，流速變幅值的沿程變化呈先增大，后減小，然后再增大這樣一個(gè)趨勢(shì)。隨著坡度的增大，植物排前平均流速變幅值的最大值所對(duì)應(yīng)的斷面是沿程往后移動(dòng)的，表明植物排前的平均流速的最小值所對(duì)應(yīng)的斷面是沿程往后移動(dòng)的。

(2) 在壩長(zhǎng)較長(zhǎng)的條件下，坡度越大，植物排前流速的變幅值就越大，說明在壩長(zhǎng)較長(zhǎng)的溝道試驗(yàn)床中，當(dāng)坡度較大時(shí)“沙棘植物柔性壩”對(duì)的水流流速有非常良好的衰減作用；流速的變幅值的不同主要是由于柔性壩壩長(zhǎng)、種植密度和床面坡度等因素造成的。

(3) 坡度越小，沙棘植物排前的水深沿程波動(dòng)狀況比較明顯，坡度越大，植物排前的水深沿程波動(dòng)狀況趨于平緩；在沙棘植物種植密度較大的試驗(yàn)床中，上游區(qū)雍水深度較大，而且隨坡度的增大而增大，這說明植物排前雍水深度的不同主要是由于沙棘植物的種植密度和床面坡度造成的。

(4) 沙棘植物的種植密度是影響溝道床糙率系數(shù)的主要參數(shù)，由于在坡度和種植密度較大的試驗(yàn)床中的植物排前雍水深度較深，使得水流能充分接觸沙棘的樹枝和葉子，阻水效應(yīng)進(jìn)一步增大，由此可以說明糙率系數(shù)隨坡度的增大而增大。

(5) 為了降低河床的水沙侵蝕效應(yīng)，建議在坡度較大的河道中種植植物盡量增加其柔性壩壩長(zhǎng)，若經(jīng)濟(jì)狀況還能允許，還可以增大植物的種植密度，這樣不僅能維持河床的穩(wěn)定性，而且還能有效地?cái)r截水流中的泥沙。

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Water Blocking Effect of “Seabuckthorn Plant Flexible Dam” Under Different Slopes

ZHANG Hongmin, YANG Fangshe, LI Hao, QI Pan, HAN Chen

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] The objective of the study is to investigate the effect of the seabuckthorn plant flexible dam (SPFD) on the longitudinal distribution of flow velocity and water depth, and to analyze the variation of the roughness coefficient and related influencing factors, thus providing the theoretical support for the application and extension of the SPFD, one of the ecological engineering for soil and water conservation, in the mountainous region. [Methods] We carried out the field flow experiment and used the theoretical analysis to investigate the effect of the SPFD on water flow and the variation of gully roughness coefficient. We also assessed the effect of the SPFD on the longitudinal distribution of flow velocity and water depth, and analyzed the roughness coefficient variation along the pathway direction under the different slopes of the test bed. [Results] The amplitude of flow velocity variation was related to the dam length, the plantation density of the seabuckthorn and the test bed slopes. The flow velocity variation amplitude increased with the increasing slope of the test bed with the longer SPFD. The heap water depth and the roughness coefficient at the upstream zone increased with increasing slope within the test bed with the higher seabuckthorn plant density. [Conclusion] The seabuckthorn plant flexible dam has obvious blocking effect on flow velocity in the front of the dam, and the dam length and the plant density are the main factors affecting the bloocking effect of the SPFD.

seabuckthorn plant flexible dam; test bed slope; flow velocity; flow depth; roughness coefficient

2016-04-11

2016-07-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“沙棘柔性壩攔沙機(jī)理及其攔沙效應(yīng)優(yōu)化的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬”(51279163)

張鴻敏(1990—),男(漢族),青海省民和縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３趾头屈c(diǎn)源污染治理。E-mail:zhm6903@126.com。

楊方社(1975—),男(漢族),陜西省武功縣人,博士,教授,主要從事河流泥沙動(dòng)力學(xué)及生態(tài)工程應(yīng)用研究。E-mail:yangfangshe978@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0023-06

S175.1