李佳頤，宋艷暾，蔡崇法，郝蓉，占昌華，溫希望

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

水流是土壤侵蝕的動(dòng)力和泥沙輸移的載體。從坡面水流到河道連續(xù)體系中，侵蝕輸沙過(guò)程隨時(shí)空尺度的變化更加復(fù)雜[1-2]。河漫灘景觀是汛期淹沒(méi)沉積、非汛期出露侵蝕的灘地，屬于低梯度河流景觀。河漫灘景觀因梯度較低，水流能量較小，泥沙顆粒通常以懸浮形式輸移，受年際水位變化影響易產(chǎn)生含沙水流，是潛在的流域侵蝕源區(qū)。地表含沙水流潛入河流、湖泊、水庫(kù)等地時(shí)形成的一種特殊水沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象被定義為重力流。STURM等[3]根據(jù)含沙水流與環(huán)境流體（河水、湖水）之間密度差的大小將懸移質(zhì)形成的重力流分為異輕流（hypopycnal flow）、等密度流（homopycnal flow）和異重流（hyperpycnal flow）三類(lèi)。據(jù)PARSONS等[4]試驗(yàn)觀察，異輕流和等密度流均會(huì)逐步發(fā)育為異重流。MULDER等[5]認(rèn)為異重流是一種準(zhǔn)穩(wěn)定濁流，流體密度或濃度水平較低且沿著運(yùn)移路徑緩慢變化。在淡水環(huán)境中，考慮對(duì)流現(xiàn)象（finger convection）下形成異重流的沉積物臨界濃度很低（＜1 kg/m3）[4-6]。因此，灘區(qū)形成的含沙水流在水力學(xué)中多為異重流（hyperpycnal flow），又稱(chēng)濁流（turbidity currents），特指含沙水流遇到密度較小流體時(shí)，在密度差的驅(qū)動(dòng)下下潛并沿河床底部長(zhǎng)距離運(yùn)移、且不與環(huán)境流體相混的水流過(guò)程。異重流形成的關(guān)鍵是與環(huán)境流體存在密度差異，按密度差的形成原因可將異重流分為鹽度異重流、溫度異重流和泥沙異重流。泥沙異重流為最常見(jiàn)的形式，是海陸間泥沙輸移的主要?jiǎng)恿?，與侵蝕源匯系統(tǒng)密切相關(guān)[5]。河流沉積物輸移途中在河漫灘等低梯度地區(qū)發(fā)生的暫時(shí)性沉積為泥沙異重流的形成提供了大量碎屑物質(zhì)，為便于理解文中仍將這種特殊的水沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象稱(chēng)為含沙水流。

隨景觀梯度降低，植被逐漸成為推動(dòng)水流結(jié)構(gòu)、泥沙侵蝕輸移和景觀格局等時(shí)空演變的主要驅(qū)動(dòng)因素[7]。植被特性、泥沙特性及由兩者決定的河床表層土壤抗侵蝕性均對(duì)河漫灘景觀的自身穩(wěn)定性和抗侵蝕性產(chǎn)生影響。土壤抗侵蝕性和水動(dòng)力條件是決定侵蝕強(qiáng)度或侵蝕能否發(fā)生的兩個(gè)關(guān)鍵因子。土壤侵蝕3個(gè)子過(guò)程中（土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積），土壤分離過(guò)程與水動(dòng)力關(guān)系的研究較多[8-9]，水動(dòng)力條件影響泥沙輸移和泥沙沉積過(guò)程的研究較為薄弱[10]。因此，植被條件下的水沙輸移及沉積過(guò)程受到廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量含植被水沙運(yùn)動(dòng)的研究，植被特性對(duì)流體結(jié)構(gòu)及阻力機(jī)制的影響逐漸成為含植被水沙運(yùn)動(dòng)研究重點(diǎn)。開(kāi)閘式水槽試驗(yàn)法（lock-exchange flume studies）已在研究中廣泛采用，如TANINO等[11]在開(kāi)閘式平坡水槽試驗(yàn)中利用鹽水配置的流體對(duì)植被阻力展開(kāi)試驗(yàn)研究；BARCELONA等[12]利用開(kāi)閘式水槽試驗(yàn)對(duì)比了流體在植被與無(wú)植被情況下的演變規(guī)律；王雨杭等[13]利用開(kāi)閘式斜坡水槽試驗(yàn)開(kāi)展了剛性植被對(duì)流體運(yùn)動(dòng)特性的影響研究。近些年，學(xué)者通過(guò)植被阻力系數(shù)CDa[14-17]、曼寧糙率系數(shù)n[18]等參數(shù)量化植被阻力，利用水槽試驗(yàn)及數(shù)值模擬探究了植被高度、密度、淹沒(méi)度、柔韌性、斑塊長(zhǎng)度、排列方式等植被特性對(duì)水流-植被-泥沙間流固耦合關(guān)系的影響[17,19-21]。如V?STIL?等[15]根據(jù)植被特征參數(shù)量化植被阻力，描述了植被中懸移質(zhì)泥沙侵蝕和沉積規(guī)律，同時(shí)指出縱向平流是為河漫灘提供細(xì)泥沙的重要途徑。多項(xiàng)研究表明[22-24]，植被的存在降低了流體時(shí)均速度和紊動(dòng)能，對(duì)懸移質(zhì)泥沙沉積模式產(chǎn)生影響。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)植被形態(tài)和冠層結(jié)構(gòu)是決定植被改變流體結(jié)構(gòu)及泥沙輸移能力的重要因素[25]，但目前仍缺乏其對(duì)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及阻力機(jī)制影響的定量研究[26]。

此外，泥沙自身屬性對(duì)水沙輸移及沉積過(guò)程的影響尚不清晰，而這正是明晰自然環(huán)境中含沙水流輸沙規(guī)律的關(guān)鍵。研究利用以菖蒲（Acorus calamusL.）和茼麻（Abutilon theophrastiMedicus）為原型制作的仿真植物，按隨機(jī)分布方式布設(shè)不同密度的植被斑塊，并用天然泥沙配置不同粒徑級(jí)配含沙水流，在開(kāi)閘式平坡水槽試驗(yàn)中探究了具有自然植物冠層形態(tài)特征的植被斑塊對(duì)含沙水流輸沙規(guī)律和阻力機(jī)制的影響，同時(shí)研究了泥沙粒徑級(jí)配因素與含沙水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律間的反饋機(jī)制。本研究可為河漫灘景觀水力侵蝕機(jī)制的深入研究提供參考，為流域侵蝕輸沙過(guò)程和河流水沙資源管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在長(zhǎng)450 cm、寬30 cm、高40 cm 的矩形平坡水槽中進(jìn)行（圖1），水槽的邊壁和底板由甲基丙烯酸酯樹(shù)脂制成，其無(wú)色透明的特性便于觀察。開(kāi)閘式平坡水槽試驗(yàn)系統(tǒng)由可拆卸垂直閘門(mén)分成蓄水段（150 cm）和試驗(yàn)段（300 cm）兩部分，在蓄水段配置初始含沙量C0為6 g/L 的含沙水流。試驗(yàn)通過(guò)可拆卸閘門(mén)將兩種不同密度的流體分離開(kāi)，以產(chǎn)生突然釋型含沙水流。當(dāng)閘門(mén)被移開(kāi)時(shí)含沙水流沿水槽底部向密度較小的環(huán)境流體中流動(dòng)，環(huán)境流體在其上方反向流動(dòng)。水槽底部放置15個(gè)直徑4 cm、高1.8 cm 的泥沙收集器ST0 至ST14。以閘門(mén)處為含沙水流運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)（0 cm），閘門(mén)左側(cè)（-）20 cm 處放置ST0，閘門(mén)右側(cè)（+）試驗(yàn)段每隔20 cm 處放置ST1 至ST14，鋪設(shè)PVC 板以固定泥沙收集器和仿真植物。用攝像機(jī)記錄含沙水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖1 水槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laboratory flume

本試驗(yàn)中提出以葉片長(zhǎng)寬比R（leaf length-width ratio）作為衡量單株植物冠層形態(tài)特征的指標(biāo)，即葉片長(zhǎng)寬比R較大的植物其冠層形態(tài)較大。因本試驗(yàn)主要考慮冠層葉片形態(tài)特征產(chǎn)生的影響，在制作仿真植物時(shí)已確保每株植物的株高及葉片垂向排列情況基本一致。選取兩種仿真植物布設(shè)植被斑塊（圖2），菖蒲（Acorus calamusL.）葉片長(zhǎng)寬比R為18.15，冠層葉片形態(tài)為條形，以該植物組成的植被斑塊在文中表示為R18.15S；茼麻（Abutilon theophrastiMedicus）葉片長(zhǎng)寬比R為1.47，冠層葉片形態(tài)為圓形，以該植物組成的植被斑塊在文中表示為R1.47R。

圖2 仿真植被斑塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of the simulated vegetation patches

式中R為葉片長(zhǎng)寬比；L為單株植物葉片長(zhǎng)度，cm ；W為單株植物葉片寬度，cm。

將單株仿真植物按隨機(jī)函數(shù)生成的點(diǎn)位布置于水槽底部，以布設(shè)隨機(jī)分布的植被斑塊。為了更好的描述植被密度，使用固體植被部分SPF（solid plant fraction）對(duì)植被密度進(jìn)行了量化，固體植被部分SPF定義為植被斑塊中植物莖占用的河床面積[27]，計(jì)算式如下：

式中SPF為固體植被部分，用于表示植被密度，%；N為植物數(shù)量；d為植物莖直徑，cm；A為植被斑塊所占面積，cm2。在本試驗(yàn)中SPF設(shè)置為1%、2%，試驗(yàn)水深12 cm。

為突出天然泥沙的非球狀不規(guī)則自然特征，試驗(yàn)采用從湖北省梁子湖河漫灘收集的泥沙配置3 種粒徑比例的含沙水流，并使用馬爾文3 000 粒度分析儀對(duì)其進(jìn)行分析。將粒徑10～100 μm 的泥沙歸為粗粒徑懸移質(zhì)（粗粉粒和細(xì)砂粒），為弱黏性顆粒；粒徑1～10 μm 的泥沙歸為細(xì)粒徑懸移質(zhì)（黏粒和細(xì)粉粒），為極黏性顆粒。按粗粒徑懸移質(zhì)初始占比將沙樣分為S66%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為66%的泥沙樣品）、S75%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為75%的泥沙樣品）、S82%（粗粒徑懸移質(zhì)初始占比為82%的泥沙樣品）。少數(shù)體積較大的泥沙顆粒很快從含沙水流中沉淀出來(lái)，因此在分析中未考慮。

1.2 試驗(yàn)方法

1）配置含沙水流：去除泥沙樣品中的樹(shù)葉、根系等雜物，篩分去除大于0.5 mm 的顆粒，在水槽蓄水段按一定比例配置含沙水流，充分?jǐn)嚢韬髮⒑乘畼拥够匦钏?，混合均勻，使得每次試?yàn)的含沙水流初始含沙量C0為6 g/L。

2）水槽試驗(yàn)過(guò)程及流速測(cè)定：將仿真植物和泥沙收集器固定在水槽底部，注水至預(yù)設(shè)水深，關(guān)閉閘門(mén)后，在蓄水段中配置初始含沙量C0為6 g/L 含沙水流。打開(kāi)閘門(mén)，含沙水流在密度差的驅(qū)動(dòng)下流入試驗(yàn)段。使用攝像機(jī)全程記錄含沙水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)影像資料對(duì)含沙水流鋒面進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到含沙水流的時(shí)間演變規(guī)律并確定其流速。當(dāng)含沙水流運(yùn)動(dòng)到水槽末端后，將泥沙收集器同時(shí)蓋上蓋子，以避免泥沙再次受到含沙水流影響。試驗(yàn)結(jié)束后，緩慢排干水流，取出泥沙收集器。

3）泥沙的處理及分析：首先對(duì)泥沙進(jìn)行預(yù)處理：向收集的泥沙中加入2 ml 30%的雙氧水，水浴加熱至有機(jī)物完全去除且懸液無(wú)氣泡產(chǎn)生，待其冷卻后調(diào)節(jié)pH 值為7，使用離心機(jī)離心去除上清液，按一定的水沙比加入超純水，搖勻后取0.5 ml 測(cè)樣。利用激光粒度儀進(jìn)行分析，得到沉積泥沙的粒徑級(jí)配。

1.3 試驗(yàn)工況

采用3 種沙樣、2 種仿真植物和2 種植被密度組合，確定試驗(yàn)工況（表1）。試驗(yàn)使用圖像二值化處理后得到的植物莖直徑d和單位體積內(nèi)冠層正面面積a（a=Nd/A，其中N為植株數(shù)量，A為植被斑塊所占床面的面積，cm2）計(jì)算得到的無(wú)量綱植被斑塊密度Dn（non-dimensional canopy density，Dn=ad）量化植被斑塊特征，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)中Dn值（0.01 ＜Dn＜ 0.1）均在觀察到的自然植被冠層密度范圍內(nèi)[28]。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Test parameter table

1.4 含沙水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 含沙水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

為明確含沙水流演化過(guò)程和輸沙規(guī)律，根據(jù)含沙水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將其演化過(guò)程劃分為慣性力階段（inertial regime）、自相似階段（self-similar regime）、阻力主導(dǎo)階段（drag-dominated regime）和粘滯力主導(dǎo)階段（viscous regime）[11,29-31]。

在慣性力階段，含沙水流以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度只與有效重力加速度g′ 和水深H有關(guān)。該階段含沙水流頭部運(yùn)動(dòng)位置x與時(shí)間t成正比[11]。

式中x為含沙水流頭部運(yùn)動(dòng)位置，cm；g′為有效重力加速度，cm/s2；H為水深，cm；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

式中g(shù)為重力加速度，cm/s2；ρc為含沙水流密度，g/cm3；ρa(bǔ)為環(huán)境流體密度，g/cm3。

含沙水流受到上方環(huán)境流體回流的影響時(shí)，若流體阻力較小可假定阻力系數(shù)CDa為常數(shù)，則含沙水流進(jìn)入自相似階段，該階段運(yùn)動(dòng)由浮力和慣性力主導(dǎo)。隨著時(shí)間的推移，流動(dòng)速度變慢，其頭部運(yùn)動(dòng)位置隨時(shí)間演變規(guī)律為x∝t2/3[29]。

含沙水流流經(jīng)含植被或其他障礙物區(qū)域時(shí)，所受阻力增加，含沙水流會(huì)逐漸從慣性力階段轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇χ鲗?dǎo)階段[30-32]，其演變規(guī)律為x∝t1/2[33]。在阻力主導(dǎo)階段，含沙水流所受植被阻力大于慣性力和床壁阻力，可通過(guò)植被阻力系數(shù)CDa量化植被產(chǎn)生的阻力，其計(jì)算方法見(jiàn)式（7）。

式中q0為單寬流量，cm2/s；?為植被斑塊所占的體積分?jǐn)?shù)。

式中?為植被斑塊所占的體積分?jǐn)?shù)；a為單位體積內(nèi)冠層的正面面積[34]，cm-1；Dn為無(wú)量綱植被斑塊密度，Dn=ad。

當(dāng)流體擴(kuò)散到足夠薄時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由兩種流體之間的黏滯力決定，含沙水流進(jìn)入黏滯力主導(dǎo)階段，其演變規(guī)律為x∝t1/5[11]。

1.4.2 植被阻力系數(shù)CDa計(jì)算

使用植被阻力系數(shù)CDa量化植被冠層形態(tài)對(duì)水流演變的影響。計(jì)算式如下[35]：

式中CDc為單株植物阻力系數(shù)。

式（7）中單株植物阻力系數(shù)單株植物CDc計(jì)算式[36]為

式中Rec為以植物莖直徑為特征長(zhǎng)度的莖稈雷諾數(shù)，冠層內(nèi)尾流紊動(dòng)的產(chǎn)生與Rec有關(guān)，其計(jì)算式[36]為

式中U為冠層內(nèi)時(shí)均流速，cm/s；υ為清水運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，cm2/s，υ=0.008 97 cm2/s。

因清水和含沙水流的黏性和容重等性質(zhì)不同[37]，研究考慮了泥沙粒徑級(jí)配對(duì)流體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)的影響，使用清水和含沙水流的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)分別計(jì)算莖稈雷諾數(shù)Rec，其中含沙水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)υm計(jì)算式[38]為

式中sυ為體積含沙量百分?jǐn)?shù)；d50為泥沙中值粒徑，μm。

1.4.3 無(wú)量綱沉積通量DF計(jì)算

使用無(wú)量綱沉積通量DF（non-dimensional depositional flux）量化含沙水流中泥沙沉積的量。無(wú)量綱沉積通量DF越大，表示泥沙沉積的量越小，其計(jì)算式[31]為

式中D為非黏性泥沙沉積通量；c0為初始濃度，g/L；v0為閘門(mén)處的初始流速，cm/s。

非粘性泥沙沉積通量表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一斷面流體中泥沙量，本文使用非黏性泥沙沉積通量，計(jì)算式如下[39]：

式中ω為天然泥沙顆粒沉降速度，cm/s；c為水槽底部泥沙濃度，g/L。

式（12）中ω預(yù)測(cè)式[40]為

式中dK為泥沙有效粒徑，μm；d*為無(wú)因次顆粒參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 含沙水流的輸移及沉積規(guī)律

圖3 繪制出無(wú)量綱沉積通量DF沿程變化規(guī)律。從圖中可看出，所有試驗(yàn)工況下含沙水流無(wú)量綱沉積通量DF沿程均呈下降趨勢(shì)且下降幅度有所差異，表明含沙水流輸移過(guò)程中發(fā)生的泥沙沉降受植被冠層形態(tài)和泥沙粒徑級(jí)配影響。

圖3 固體植被部分SPF 為2%的植被斑塊中含沙水流的無(wú)量綱沉積通量變化規(guī)律Fig.3 Variation pattern of non-dimensional depositional flux of sand-bearing flow in vegetation patches with 2% SPF of solid plant fraction

SOLER等[31]研究表明，含沙水流流經(jīng)植被斑塊時(shí)，泥沙沉積作用力可分為慣性力主導(dǎo)、阻力主導(dǎo)和黏滯力主導(dǎo)3個(gè)階段。最初以慣性力為主，隨后變?yōu)樽枇χ鲗?dǎo)狀態(tài)，前2個(gè)階段過(guò)渡轉(zhuǎn)換距離為閘門(mén)下游總水深的5.1～7.6倍[32]。本研究中，慣性力主導(dǎo)階段位于水槽0～61 cm 區(qū)域，此階段無(wú)量綱沉積通量DF基本保持不變，泥沙沉積主導(dǎo)作用力為慣性力，與SOLER等[32]研究結(jié)果一致。試驗(yàn)條件下，在一定距離的過(guò)渡區(qū)后（x=61～91 cm），無(wú)量綱泥沙沉積通量DF下降趨勢(shì)增加（圖3），泥沙沉積速度加快。

相同粒徑級(jí)配條件下，植被斑塊R18.15S中沿程DF均低于植被斑塊R1.47R，且DF在植被斑塊R1.47R中降幅較小，隨葉片長(zhǎng)寬比R值的增加DF降幅增加。本試驗(yàn)條件下，R值由1.47 變化為18.15，3 種級(jí)配濃度的含沙水流S66%、S75%、S82%的DF降幅分別增加了12.87%、26.38%、22.27%。植被斑塊R18.15S的DF值較低且DF降幅較大。由此可見(jiàn)，R值較大的植被斑塊對(duì)含沙水流的泥沙攔截作用更強(qiáng)，無(wú)量綱沉積通量DF值更低，泥沙沉積的量更大。

同時(shí)，本試驗(yàn)在兩種冠層形態(tài)的植被斑塊R18.15S和R1.47R均表現(xiàn)為含沙水流S66%沉積通量最低、沉積的量最大，含沙水流S82%沉積通量最高、沉積的量最小，并不是粗粒徑懸移質(zhì)含量越高越易沉積，表明無(wú)量綱沉積通量DF除受到葉片長(zhǎng)寬比R表征的冠層形態(tài)影響外，與其粒徑級(jí)配也有密切關(guān)系。懸移質(zhì)泥沙的垂向運(yùn)動(dòng)（沉積）是由流體紊動(dòng)、顆粒本身的紊動(dòng)以及顆粒間碰撞共同作用下的結(jié)果。細(xì)粒徑懸移質(zhì)慣性較小，能夠較好地隨紊動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，與周?chē)黧w的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小，對(duì)尾流內(nèi)擾動(dòng)很弱、顆粒紊動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)可忽略不計(jì)。而粗粒徑懸移質(zhì)慣性較大，顆粒保持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能力很強(qiáng)，與周?chē)黧w存在較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使尾流內(nèi)顆粒紊動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)。含沙水流S82%中粗粒徑懸移質(zhì)含量高，泥沙顆粒紊動(dòng)強(qiáng)度最大，導(dǎo)致了無(wú)量綱沉積通量DF較高。含沙水流中泥沙顆粒紊動(dòng)強(qiáng)度與粗粒徑懸移質(zhì)含量呈正比，粗粒徑懸移質(zhì)含量的增加不利于泥沙沉積。本試驗(yàn)中，含沙水流S82%輸移到180 cm 處時(shí)幾乎停止前進(jìn)，其輸移距離最短。因此，試驗(yàn)條件下泥沙顆粒中粗粒徑懸移質(zhì)（10～100 μm 的弱黏性顆粒）含量高的含沙水流無(wú)量綱沉積通量DF最大，即泥沙沉積的量最少且輸移距離最短。

圖4 顯示無(wú)量綱沉積通量率隨水流鋒面所受植被冠層阻力的變化趨勢(shì)，含沙水流沿水槽運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鋒面所受的植被阻力用位移尺度下的無(wú)量綱冠層阻力CDaax（non-dimensional canopy dragforce at each position）來(lái)表示，其中CDaa為動(dòng)量吸收尺度（momentum absorption scale），x為含沙水流隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)位置。含沙水流在運(yùn)動(dòng)初期處于慣性力主導(dǎo)階段，直至CDaax≈4.5 時(shí)，無(wú)量綱沉積通量率基本保持不變，表明含沙水流在此階段能保持其濁度，這與SOLER等[32]研究結(jié)果相似。在慣性力主導(dǎo)階段，無(wú)論冠層形態(tài)，無(wú)量綱沉積通量率與CDaax無(wú)關(guān)且近似恒定，其值為（1 ± 0.05）。進(jìn)入阻力主導(dǎo)階段后，無(wú)量綱沉積通量率隨CDaax的增加呈冪律下降，其斜率為（-1.14 ± 0.12）（R2=0.69，P＜＜0.05）。由此可知，試驗(yàn)條件下的阻力主導(dǎo)階段中，植被冠層形態(tài)及泥沙粒徑級(jí)配與泥沙沉降之間存在著強(qiáng)烈的反饋機(jī)制。床沙組成變化是流域侵蝕輸沙研究的重要組成部分。對(duì)所有工況下床沙的中值粒徑進(jìn)行分析，含沙水流從初始位置（閘門(mén)處）運(yùn)動(dòng)到水槽末端，河床泥沙中細(xì)粒徑懸移質(zhì)含量不斷增加，床沙粒徑級(jí)配呈細(xì)化趨勢(shì)（圖5）。不同粒徑級(jí)配條件下，細(xì)粒徑懸移質(zhì)在植被斑塊R18.15S中沉積的量更多，植被斑塊R18.15S中床沙更細(xì)。兩種冠層形態(tài)的植被斑塊R18.15S和R1.47R中，均為含沙水流S82%的床沙細(xì)化趨勢(shì)更顯著。因此，試驗(yàn)條件下，沿含沙水流運(yùn)動(dòng)方向底床泥沙細(xì)化趨勢(shì)受植被斑塊冠層形態(tài)特征及泥沙粒徑級(jí)配影響。

圖4 無(wú)量綱沉積通量率隨位移尺度下無(wú)量綱冠層阻力的變化趨勢(shì)Fig.4 Trends in non-dimensional depositional flux ratio with nondimensional canopy dragforce at each position

圖5 固體植被部分SPF 為2%的植被斑塊中床沙中值粒徑變化趨勢(shì)Fig.5 Trends in median diameter of bed sand in vegetation patches with 2% SPF in solid plant fraction

2.2 植被冠層阻力分析

將植被阻力系數(shù)CDa與莖稈雷諾數(shù)Rec繪制于圖6，由圖可知，植被阻力系數(shù)CDa隨莖稈雷諾數(shù)Rec的增加而略微減小。在所有工況下，植被斑塊R1.47R的平均阻力系數(shù)CDa=1.07，植被斑塊R18.15S的平均阻力系數(shù)CDa=0.81，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)分層情況的原因?yàn)橹脖蛔枇ο禂?shù)CDa主要受植被冠層形態(tài)影響。

圖6 植被阻力系數(shù)CDa 與莖稈雷諾數(shù)Rec 的關(guān)系Fig.6 Relationship between vegetation drag coefficient CDa and stem Reynolds number Rec

為確定植被阻力根據(jù)冠層形態(tài)變化的規(guī)律，用植物莖尺度下的無(wú)量綱冠層阻力CDaad（non-dimensional canopy dragforce at the plant stem scale）表示植被冠層形態(tài)特征對(duì)含沙水流的影響，繪制了無(wú)量綱植被斑塊密度Dn與無(wú)量綱冠層阻力CDaad的關(guān)系圖（圖7）。在研究中，無(wú)量綱冠層阻力CDaad受植物冠層形態(tài)、植被密度和泥沙粒徑級(jí)配的影響。

圖7 植物莖尺度下無(wú)量綱冠層阻力CDaad 與無(wú)量綱植被斑塊密度Dn 的關(guān)系Fig.7 Relationship between non-dimensional canopy dragforce at the plant stem scale CDaad and non-dimensional canopy density Dn

如圖7 所示，無(wú)量綱冠層阻力CDaad與植被密度為正相關(guān)關(guān)系。同密度條件下，植被斑塊R18.15S的CDaad值均大于植被斑塊R1.47R，即冠層形態(tài)特征較大的植被斑塊中含沙水流所受冠層阻力更大。試驗(yàn)中植被條件一定時(shí)，無(wú)量綱冠層阻力CDaad在泥沙粒徑級(jí)配影響下存在差異，但相較于植被特征，泥沙特性對(duì)植被冠層阻力的影響較為細(xì)微。

植被阻力系數(shù)CDa受植被特征影響的同時(shí)還與水流條件有關(guān)，但計(jì)算CDa時(shí)并未充分考慮水流條件。為將水流條件與植被特征體現(xiàn)在一個(gè)量綱數(shù)CDa上，考慮了泥沙粒徑級(jí)配對(duì)流體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)的影響，使用清水和含沙水流的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)分別計(jì)算莖稈雷諾數(shù)Rec。

結(jié)果如圖5 所示。含沙水流中的懸浮泥沙沉降概率隨粒徑的減小而降低，當(dāng)粗粒徑懸移質(zhì)沉降時(shí)，部分細(xì)粒徑懸移質(zhì)可以保持懸浮狀態(tài)隨含沙水流運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的距離。

圖6 中顯示使用清水和含沙水流的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)計(jì)算的莖稈雷諾數(shù)Rec基本相同。結(jié)果表明，相比與泥沙粒徑級(jí)配對(duì)流速的影響，其對(duì)含沙水流黏滯特性的影響程度較為微弱。由此可知，同濃度含沙水流中，泥沙粒徑級(jí)配對(duì)莖稈雷諾數(shù)Rec的影響主要表現(xiàn)在流速的變化上。因此，不同粒徑級(jí)配的含沙水流中植被阻力系數(shù)CDa的差異主要也由流速變化引起。

繪制含沙水流流速變化規(guī)律圖8。含沙水流流速的大小取決于泥沙沉降，無(wú)植被條件下，因沉降造成的泥沙損失減小了含沙水流與周?chē)黧w之間的密度差，使含沙水流減速。本試驗(yàn)條件下，不同粒徑級(jí)配含沙水流的泥沙沉速及所受植被冠層阻力不同，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中密度差減小的程度和速度不同，進(jìn)而影響水流演變過(guò)程。在試驗(yàn)中，含沙水流流速隨時(shí)間推移逐漸減小，但受泥沙粒徑級(jí)配影響的流速變化規(guī)律尚不清晰，有待深入研究。

圖8 含沙水流位置隨時(shí)間演變規(guī)律Fig.8 Evolution of the location of sand-bearing flow with time

3 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)開(kāi)閘式平坡水槽試驗(yàn)，選取2 種仿真植物、2 種植被密度和3 種粒徑級(jí)配的天然泥沙樣品，研究了冠層尺度下植被斑塊對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的影響及其阻力機(jī)制。試驗(yàn)條件下的主要結(jié)論有：

1）含沙水流輸移及沉積過(guò)程受植物冠層形態(tài)特征和粗粒徑懸移質(zhì)（10～100 μm 的弱黏性顆粒）含量影響。粗粒徑懸移質(zhì)含量低的含沙水流在冠層形態(tài)較大的植被斑塊中無(wú)量綱沉積通量更低，泥沙易于沉積。植被冠層形態(tài)較大或粗粒徑懸移質(zhì)含量高的含沙水流中，沿水流運(yùn)動(dòng)分析床沙細(xì)化趨勢(shì)更顯著。

2）隨機(jī)分布狀態(tài)下，研究發(fā)現(xiàn)密度和冠層形態(tài)較大的植被斑塊產(chǎn)生的冠層阻力較大，對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響越大，阻水?dāng)r沙效應(yīng)越強(qiáng)。相較于植被特性，泥沙粒徑級(jí)配對(duì)植被冠層阻力的影響程度較低。

3）根據(jù)動(dòng)力機(jī)制對(duì)含沙水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行劃分，發(fā)現(xiàn)在阻力主導(dǎo)階段植被冠層形態(tài)及泥沙粒徑級(jí)配與無(wú)量綱沉積通量間存在強(qiáng)烈的反饋機(jī)制。位移尺度下的無(wú)量綱冠層阻力CDaax＜ 4.5 時(shí)（慣性力主導(dǎo)階段），無(wú)量綱沉積通量率基本保持不變；CDaax＞ 4.5 時(shí)（阻力主導(dǎo)階段），無(wú)量綱沉積通量率隨CDaax的增加呈冪律下降，植物冠層形態(tài)及植被密度均與冠層阻力存在正反饋機(jī)制。