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        黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)試驗研究

        2016-10-21 02:28:02馬春艷王占禮陸紹娟卜耀軍
        水土保持研究 2016年4期
        關(guān)鍵詞:型態(tài)荒草雷諾數(shù)

        馬春艷, 王占禮, 陸紹娟, 卜耀軍, 李 強

        (1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 榆林 719000; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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        黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)試驗研究

        馬春艷1, 王占禮2,3, 陸紹娟2, 卜耀軍1, 李 強1

        (1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 榆林 719000; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

        雷諾數(shù)是坡面水流水力學(xué)重要參數(shù)之一,闡明坡面水流雷諾數(shù)變化的特征將有助于從動力學(xué)角度認(rèn)識坡面侵蝕過程的內(nèi)在機制。采用野外人工放水試驗方法,對黃河班多水電站工程區(qū)荒草地坡面徑流型態(tài)進行了試驗研究,結(jié)果表明:(1) 荒草地坡面水流型態(tài)判別指標(biāo)雷諾數(shù)隨供水過程的變化,在不同供水流量及不同坡度下都隨供水歷時的增長而先增大后趨于穩(wěn)定,變化過程皆可用對數(shù)方程描述;(2) 荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量及坡度的增大而增大,可分別用冪函數(shù)方程和指數(shù)方程描述,隨坡度及供水流量的變化可用二元冪函數(shù)方程描述;(3) 不同供水流量及不同坡度下,荒草地坡面水流雷諾數(shù)均小于500。次產(chǎn)流過程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86~339,試驗條件下工程區(qū)荒草地坡面水流型態(tài)均處于層流。

        黃河班多水電站; 工程區(qū); 荒草地; 水流型態(tài); 雷諾數(shù)

        工程建設(shè)對原生地面造成破壞、擾動及由此產(chǎn)生的水土流失已成為重要的環(huán)境問題及新的水土流失形式。然而,關(guān)于工程區(qū)水土流失的研究還很薄弱、滯后,嚴(yán)重制約著工程區(qū)侵蝕評價及工程區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)的需求。因此加強工程區(qū)水土流失的研究對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。坡面水流水力學(xué)特征是造成地面土壤流失的直接動力因素,土壤流失的強烈程度與水流水力學(xué)特征密切相關(guān)。坡面徑流雷諾數(shù)Re是坡面水流水力學(xué)重要特征之一,它是表征水流慣性力和粘性力的比值,是判斷水流型態(tài)的重要指標(biāo)。Re<500為層流,5002 000為紊流區(qū)。目前關(guān)于坡面徑流型態(tài)的研究借鑒水力學(xué)、河流動力學(xué)的原理和方法,已取得了一些研究成果[1-12],但是大都局限于室內(nèi)試驗?zāi)M,對坡面原狀土徑流型態(tài)的研究甚少,尤其是對工程區(qū)坡面原狀土徑流型態(tài)的研究還很薄弱。為此,本文在自然條件下采用野外人工放水試驗方法,對黃河班多水電站工程區(qū)原始荒草地坡面徑流型態(tài)進行試驗研究,以促進對工程區(qū)及類似區(qū)荒草地坡面水流水力學(xué)性質(zhì)及侵蝕動力學(xué)過程機理的深入認(rèn)識,為工程區(qū)侵蝕評價及工程區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

        1 材料與方法

        1.1研究區(qū)概況

        黃河班多水電站是黃河流域第2個梯級電站,壩址位于青海省海南州興海縣與同德縣交界處的班多峽谷出口處。工程區(qū)屬于青藏高原氣候,多年平均降水量為425.2 mm,植被類型大多為荒漠草原和山地草甸。土壤類型是青藏高原高山草甸土,有較明顯的垂直地帶性和地域性分布規(guī)律。其占地面積171.89 hm2,原始地面包括荒草地、農(nóng)地、河灘地、河灘蓋沙地四類,其中荒草地面積最大,植被覆蓋度均小于30%。地面土石混雜、礫石含量高,其組成物質(zhì)主要為第四紀(jì)沉積物。試驗前期土壤含水量12.5%,土壤容重1.09 g/cm3。

        1.2試驗設(shè)計與觀測

        在黃河班多水電站工程區(qū)荒草地上采用放水試驗方法進行試驗。試驗小區(qū)由1 mm厚的鋼板插入地面以下0.15 m圍成,鋼板高出地面0.10 m,其投影面積為4 m×0.5 m。對工程區(qū)進行實地調(diào)查情況后,選取荒草地的試驗坡度為4°,13°,22°,29°,37°,同一供水流量10 L/min條件下,5場試驗。供水流量分別為4,6,8,10,12 L/min,同一坡度22°條件下,5場試驗。每場試驗供水歷時30 min。試驗前用數(shù)碼相機對試驗荒草地坡面進行不同位置的垂直拍照,通過在Erdas Imagine 9.1環(huán)境下分析處理確定其植被覆蓋度,取得所有位置的植被覆蓋度均小于30%。

        試驗供水系統(tǒng)主要設(shè)備有水泵和溢流箱等。用汽車載水箱將水從水源地運至試驗地,發(fā)電機帶動水泵將水通過水管抽到溢流箱。通過安裝在揚程水管出口的控制閥調(diào)節(jié)供水流量大小。為使流入小區(qū)的水流為均勻薄層狀水流,在小區(qū)頂端的溢流箱嵌入地面,并與小區(qū)坡面剛好接觸。

        試驗時荒草地坡面水流流速用高錳酸鉀(K2MnO4)染色法測量,渾水溫度用溫度計法觀測。試驗過程中,在小區(qū)出口處定時計時收集渾水樣進行水沙觀測。開始產(chǎn)流時取樣一次,產(chǎn)流后的前6 min,分別每隔1,2,3 min取一次樣,以后皆每隔3 min取一次樣,試驗結(jié)束時再取一次。用量筒測定渾水樣體積,采用燒干法測定渾水樣中的泥沙重量,經(jīng)計算獲得不同時刻產(chǎn)流的清水流量,結(jié)合觀測得到的流速進一步計算出不同時刻的坡面水流平均水深。

        在觀測得到荒草地坡面水流流速、水深及渾水溫度的基礎(chǔ)上,計算出不同產(chǎn)流時刻的雷諾數(shù),計算公式為:

        Re=VR/μ

        (1)

        2 結(jié)果與分析

        2.1荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化

        2.1.1不同供水流量下雷諾數(shù)隨供水過程的變化在相同投影坡長、坡度,不同供水流量條件下,荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化整體呈先增長后穩(wěn)定的趨勢(圖1)。整個供水過程中,在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi),雷諾數(shù)隨供水過程的變化較大,隨徑流歷時增長迅速增大,隨后變化較為平緩且基本呈直線。不同供水流量條件下的荒草地坡面產(chǎn)流過程中,雷諾數(shù)變化范圍為35~336,均小于500,這表明水流型態(tài)一直處于層流狀態(tài)。

        經(jīng)過對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析得出,不同供水流量條件下,荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的動態(tài)變化可用對數(shù)相關(guān)方程描述,經(jīng)驗方程及檢驗結(jié)果見表1。

        圖1 不同供水流量下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化表1 不同供水流量下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程變化的經(jīng)驗方程

        注:Re為雷諾數(shù),無量綱;t為時間(min),下表同。

        坡面薄層水流雷諾數(shù)Re與水流流速、水深等有關(guān)。在試驗進行過程中水流溫度基本保持不變,坡面流速隨供水歷時呈先增大后趨于平緩的變化過程。同時隨著供水過程的進行,坡面入滲率減小并趨于穩(wěn)定,產(chǎn)流量也隨之趨于穩(wěn)定,水流深度隨供水歷時增長而逐漸趨于穩(wěn)定,因此,雷諾數(shù)隨徑流歷時增長先迅速增大后趨于穩(wěn)定。

        2.1.2不同坡度下雷諾數(shù)隨供水過程的變化在相同投影坡長、供水流量,不同坡度條件下,荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化整體呈先增長后穩(wěn)定的趨勢(圖2)。整個供水過程中,在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi),雷諾數(shù)隨供水過程的變化急劇增大,隨后變化較為平緩且基本呈直線。產(chǎn)流5 min后不同坡度條件下雷諾數(shù)的變化趨勢一致,而且?guī)缀踔丿B在一起,只有最大坡度(37°)下的雷諾數(shù)變化過程線離各坡度下的過程重疊線較遠。不同坡度條件下的荒草地坡面產(chǎn)流過程中,雷諾數(shù)變化范圍為59~369,均小于500,這表明水流型態(tài)也一直處于層流狀態(tài)。

        圖2不同坡度下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化

        經(jīng)過對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析得出,不同坡度條件下,荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的動態(tài)變化皆可用對數(shù)相關(guān)方程描述,經(jīng)驗方程及檢驗結(jié)果見表2。

        表2 不同坡度下坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程變化的經(jīng)驗方程

        不同坡度條件下荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化與不同供水流量條件下水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化總體上具有相似性,都隨供水歷時的增長而先增大后轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的變化趨勢。其主要差異在于,在開始產(chǎn)流后的5 min內(nèi),不同坡度條件下雷諾數(shù)隨徑流歷時增長的速率比不同供水流量條件下增長的速率大得多。

        2.2供水流量對荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

        荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量的增大而增大(圖3)。同坡度不同供水流量條件下,次產(chǎn)流過程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86~305,皆小于500,按照水流型態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn),表明試驗條件下荒草地坡面水流型態(tài)是層流。通過對試驗結(jié)果進行分析可知,荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量的變化可用冪函數(shù)相關(guān)方程描述,其經(jīng)驗方程為:

        Re=19.224Q1.1332(R=0.9832)

        (2)

        式中:Re表示平均雷諾數(shù),無量綱;Q表示供水流量(L/min)。

        同坡度條件下,隨著供水流量的增大,坡面水深及流速皆增大,所以,水流平均雷諾數(shù)必然增大。

        圖3供水流量對坡面水流雷諾數(shù)的影響

        2.3坡度對荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

        荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度的增大而增大(圖4)。同供水流量不同坡度條件下,坡面次產(chǎn)流過程的水流平均雷諾數(shù)變化為252~339,也皆小于500,按照水流型態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn),表明荒草地坡面水流型態(tài)也處于層流狀態(tài)。通過對試驗結(jié)果進行相關(guān)分析,水流平均雷諾數(shù)隨坡度的變化可用指數(shù)相關(guān)方程來描述,其經(jīng)驗方程為:

        Re=237.47e0.0073S(R=0.8012)

        (3)

        式中:Re表示平均雷諾數(shù),無量綱;S表示坡度(°)。

        圖4坡度對坡面水流雷諾數(shù)的影響

        同供水流量條件下,隨著坡度的增大,坡面水深減小,流速增大,但水深減小對雷諾數(shù)的減小作用小于流速增大對雷諾數(shù)的增加作用,所以,水流平均雷諾數(shù)隨坡度的增大而增加。

        2.4供水流量及坡度對荒草地坡面水流雷諾數(shù)的影響

        通過對不同供水流量、坡度條件下的全部試驗觀測數(shù)據(jù)進行多元回歸分析,得出二因子綜合作用描述方程為:

        Re=426.2477S0.0764Q1.1937

        (R=0.973;F=62.1491>F0.01(2,7)≈9.55)

        (4)

        模擬與檢驗結(jié)果表明,荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度、供水流量的動態(tài)變化可用二元冪函數(shù)方程描述,且相關(guān)關(guān)系高度顯著。式(4)表明,供水流量對雷諾數(shù)的影響大于坡度的影響,這與前面提到的有關(guān)學(xué)者[11-12]的研究結(jié)果基本一致。

        3 結(jié) 論

        (1) 荒草地坡面水流雷諾數(shù)隨供水過程的變化在不同供水流量及不同坡度下皆隨供水歷時的增長先快速增大隨后轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的變化趨勢,變化過程皆可用對數(shù)相關(guān)方程描述。其主要差異在于,開始產(chǎn)流后5 min內(nèi),不同坡度下雷諾數(shù)隨徑流歷時增長的速率比不同供水流量下增長的速率大得多。此外,各坡度下的雷諾數(shù)差異較小,變化過程線幾乎交疊在一起,

        只有最大坡度(37°)下的過程線與各坡度下的過程交疊線較遠;

        (2) 荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨供水流量及坡度的增大而增大,可分別用冪函數(shù)方程和指數(shù)方程描述;荒草地坡面水流平均雷諾數(shù)隨坡度、供水流量的變化可用二元冪函數(shù)方程描述,供水流量對雷諾數(shù)的影響大于坡度的影響;

        (3) 在不同供水流量及不同坡度下,次產(chǎn)流過程的坡面水流平均雷諾數(shù)變化為86~339?;牟莸仄旅嫠骼字Z數(shù)小于500,表明試驗條件下工程區(qū)荒草地坡面水流型態(tài)均為層流。

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        [3]Olson K R, Laflen J M, Norton L D. Evaluation of methods to study soil erosion-productivity relationships [J]. J. Soil and Water Cons.,1994,49(6):586-590.

        [4]劉國彬,張光輝.原狀土沖刷法與人工模擬降雨法研究土壤抗沖性對比分析[J].水土保持通報,1996,16(2):32-37.

        [5]李占斌,魯克新,丁文峰.黃土坡面土壤侵蝕動力過程試驗研究[J].水土保持學(xué)報,2002,16(2):5-7.

        [6]張科利.黃土坡面發(fā)育的細(xì)溝水動力學(xué)特性的研究[J].泥沙研究,1999(1):56-61.

        [7]肖培青,鄭粉莉.上方來水來沙對細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙過程的影響[J].水土保持通報,2001,21(1):23-25.

        [8]肖培青,鄭粉莉.上方來水來沙對細(xì)溝水流水力學(xué)參數(shù)的影響[J].泥沙研究,2002(4):69-74.

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        [11]丁文峰,李占斌,魯克新.黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界條件[J].山地學(xué)報,2001,19(6):551-555.

        [12]白清俊,沙際德.黃土坡面細(xì)溝流流態(tài)的試驗研究[J].水土保持學(xué)報,2001,15(5):26-29.

        Experimental Study of Overland Flow Pattern in the Banduo Hydropower Station Project Area of the Yellow River

        MA Chunyan1, WANG Zhanli2,3, LU Shaojuan2, BU Yaojun1, LI Qiang1

        (1.CollegeofLifeSciences,YulinUniversity,Yulin,Shaanxi719000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

        Reynolds number is one of the important hydraulics parameters. Clarifying the variation of slope flow Reynolds number will help recognize the internal mechanism of slope erosion process from the point of dynamics. On waste grassland in the Banduo hydropower station project area of the Yellow River, the overland flow patterns are studied by artificial scouring experiment under different slope gradients and water supply discharge. The results show that: (1) the overland flow Reynolds number on the waste grassland, a Judging index of flow pattern, changes under different water supply discharges and different slopes rose first and stabilized finally, the logarithmic equation can be used to describ the process; (2) the average overland flow Reynolds number increased with increase of water supply discharge and slope gradients, which can be described by power function equation and exponential equation, respectively, and to both of the two factors, by a dual power function equation; (3) the overland flow Reynolds number on the waste grassland is less than 500 under different water supply discharge and different slopes. The average Reynolds number varies between 86 and 339, indicating that overland flow in waste grassland is laminar flow on the project area.

        Banduo hydropower station of Yellow River; project area; waste grassland; flow pattern; Reynolds number

        2015-11-15

        2015-12-22

        國家自然科學(xué)基金項目“應(yīng)用三區(qū)土盤試驗解析黃土坡面片蝕動力學(xué)過程”(41471230);國家自然科學(xué)基金項目“黃土坡面細(xì)溝侵蝕關(guān)鍵參數(shù)及其耦合關(guān)系試驗研究”(41171227);中國科學(xué)院重點項目“近百年黃土高原侵蝕環(huán)境與水沙變化”(KZZD-EW-04-03);陜西省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)項目“生態(tài)修復(fù)植物引種利用研究與示范”(2014K01-12-03);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室開放項目(A314021402-1604);陜西省高??茀f(xié)青年人才托舉計劃資助;陜西省高??茀f(xié)青年人才托舉計劃(20150108);陜西省高??茀f(xié)青年人才托舉計劃(20150108)

        馬春艷(1983—),女,陜西榆林人,工程師,碩士,主要從事土壤侵蝕與水土保持教學(xué)與研究。E-mail:nldmcy2004@163.com

        王占禮(1960—),男,陜西榆林人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕過程及預(yù)報模型研究。E-mail:zwang@nwsuaf.edu.cn

        S157

        A

        1005-3409(2016)04-0006-04

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