遼河干流灘地泥沙運(yùn)移機(jī)制試驗(yàn)分析

胡慶武

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

遼河為全國七大江河之一，是僅次于黃河和海河的多沙河流，遼河干流水質(zhì)污染及流域沙化問題嚴(yán)重，由于流域侵蝕，每年有大量泥沙及其攜帶的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入河道，成為遼河污染不可忽視的因素，直接或間接造成遼河干流主河道游蕩、河勢不穩(wěn)、水質(zhì)多年不達(dá)標(biāo)、河岸帶植被稀少、生物多樣性低等問題[1]。河道雖經(jīng)多年治理，但“久治不愈”。其重要原因是河流泥沙未得到有效防控，泥沙來源及防控機(jī)制不明晰[2]。遼河干流具有獨(dú)特的水資源匱乏與河道多沙并存的特征，現(xiàn)有水沙理論不適于指導(dǎo)遼河干流泥沙防控，已有工程措施難以滿足新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)需求，構(gòu)建適合于遼河干流的河道生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)體系是解決遼河問題的關(guān)鍵[3]。近些年來，對(duì)于遼河干流水沙問題研究取得了一定成果[4-15]，但是這些成果大都未能對(duì)遼河干流泥沙來源機(jī)制進(jìn)行探討。為弄清遼河干流泥沙來源，對(duì)其干流灘地泥沙運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行試驗(yàn)探討，從而為制定遼河泥沙防控措施提供重要的參考。

1 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)沙樣在105℃的烘箱內(nèi)烘6～8h，對(duì)其不同時(shí)期含水率進(jìn)行測定，試驗(yàn)選取1%、2%、3%、4%、5% 五組含水率進(jìn)行分析。本次試驗(yàn)的起動(dòng)風(fēng)速為流體起沙風(fēng)速，針對(duì)遼河干流灘地泥沙進(jìn)行了風(fēng)速分別為6、7、8、9、10m/s的5次試驗(yàn)，而流體起沙風(fēng)速是在晴天電場(電場強(qiáng)度為102V·m-1數(shù)量級(jí))條件下測得的，此時(shí)的電場對(duì)沙粒起沙風(fēng)速?zèng)]有影響，靜電力可忽略不計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 相同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風(fēng)速

含水率是影響起沙風(fēng)速的重要因素，研究表明起沙風(fēng)速與沙子含水率的變化有著直接關(guān)系，選取1%、2%、3%、4%、5% 五組含水率，研究了不同含水率與起沙風(fēng)速的關(guān)系。結(jié)果表明：在室內(nèi)模擬起風(fēng)條件下，含水率對(duì)起沙風(fēng)速的影響很大，分析結(jié)果見表1。

表1 起沙風(fēng)速與含水率的相關(guān)關(guān)系

從表1可看出含水率對(duì)起沙風(fēng)速有明顯的影響，在沙粒粒徑一定的情況下，起沙風(fēng)速與含水率呈線性關(guān)系，起沙風(fēng)速隨含水率的增大而增大，和干沙相比，起沙風(fēng)速增加了2.0～4.07倍，增加的倍數(shù)與含水率和沙粒粒徑有關(guān)，起沙風(fēng)速隨著含水率的增大而增大，并且當(dāng)含水率低于2%時(shí)，起沙風(fēng)速隨含水率的增大而迅速增大，而當(dāng)含水率高于2%時(shí)，其增大趨勢相對(duì)變緩。

水在沙粒之間有兩種作用力方式，一種是吸附在沙粒表面的吸附水，即水膜力；另一種是存在于顆粒間的水橋中，即水橋力，其中后者占主要部分。沙子在濕潤狀態(tài)下，當(dāng)氣流吹過由沙粒組成的水平沙床表面時(shí)，沙粒受到重力、拖曳力、內(nèi)聚力、水膜力和水橋力作用。粒徑相同時(shí)，濕度越大，水膜力越大，同時(shí)水分子與沙子顆粒之間的拉張力增加了顆粒間的內(nèi)聚力，沙子黏滯性和團(tuán)聚作用增強(qiáng)，起沙風(fēng)速也相應(yīng)增大；當(dāng)沙子含水率較低時(shí)，沙粒之間水的作用力主要以水橋力為主；當(dāng)沙子含水率較高時(shí)，水橋力逐漸減小，沙粒之間水的作用力主要以水膜力的為主，這也解釋了當(dāng)含水率小于2%時(shí)，隨著含水率的增大，水橋力越大，起沙風(fēng)速增大的趨勢越明顯；當(dāng)含水率大于2%時(shí)，隨著含水率的增大，水橋力對(duì)起沙風(fēng)速的影響逐漸減弱，起沙風(fēng)速增大的趨勢相對(duì)變緩。低含水率沙的起沙風(fēng)速受水橋力的影響比高含水率沙大。

在試驗(yàn)過程中，隨著含水率的增加，從開機(jī)試驗(yàn)到沙粒起動(dòng)所需要的時(shí)間越來越長；同時(shí)不同含水率條件下，沙粒起動(dòng)的形式也不相同，在低含水率階段，當(dāng)風(fēng)速逐漸增加到一定數(shù)值后，沙樣表面變干，顏色逐漸變淺，隨之沙樣表面破壞，沙粒脫離濕沙層開始向下風(fēng)蠕動(dòng)；在高含水率階段，只有當(dāng)風(fēng)速足夠大時(shí)，局部的濕沙層迅速碎裂、崩解而被掀翻。

任意粒徑范圍的沙粒，含水率與起沙風(fēng)速的關(guān)系是相似的，即起沙風(fēng)速隨含水率的增加呈線性增加，經(jīng)線性回歸分析，得到函數(shù)的一般關(guān)系式為：

V=a+bM

(1)

式中，V—起沙風(fēng)速，m/s；M—含水率，%；a、b—回歸系數(shù)。

2.2 不同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風(fēng)速

為研究不同粒徑、不同含水率沙粒的起沙風(fēng)速，將起沙風(fēng)速作為因變量，粒徑和含水率作為自變量進(jìn)行方差分析和線性回歸分析，分析結(jié)果見表2—3。

從表2可以看出，粒徑和含水率越大，起沙風(fēng)速隨之增大，說明大粒徑沙粒在高含水率狀態(tài)下越不容易起動(dòng)；粒徑和含水率兩因素的P值(顯著性差異值)都為0.000，按0.05檢驗(yàn)水準(zhǔn)，可認(rèn)為粒徑、含水率兩因素效應(yīng)顯著，即粒徑、含水率對(duì)起沙風(fēng)速有顯著影響；含水率因素大于粒徑因素，可認(rèn)為含水率因素對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大于粒徑因素，即不同粒徑、不同含水率條件下，含水率對(duì)起沙風(fēng)速的影響起主要作用。由表3可以看出，粒徑、含水率與起沙風(fēng)速之間存在線性關(guān)系，經(jīng)t檢驗(yàn)，粒徑和含水率的P值(顯著性差異值)都為0.000，按α=0.05水平，均有顯著意義。根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)可以建立起沙風(fēng)速與含水率和粒徑的線性回歸方程為：

表2 粒徑、含水率對(duì)起沙風(fēng)速影響的方差分析

表3 粒徑、含水率對(duì)起沙風(fēng)速影響的線性回歸分析

V=171.875M+4.176D+3.218

(2)

式中，V—起沙風(fēng)速，m/s；M—含水率，%；D—粒徑，mm；常數(shù)項(xiàng)為3.218；回歸系數(shù)分別為171.875和4.176。

2.3 相同粒徑、不同風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕量的影響

針對(duì)遼河干流灘地泥沙進(jìn)行了風(fēng)速分別為6、7、8、9、10m/s的5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。表中風(fēng)蝕量用Q表示， 指的是試驗(yàn)沙樣水平方向的轉(zhuǎn)移量，用下式表示。

Q=W1-W2

(3)

式中，W1—不同試驗(yàn)風(fēng)速，m/s；W2—沙粒移動(dòng)的臨界風(fēng)速，m/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明：遼河干流灘地泥沙的風(fēng)蝕量和風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒在風(fēng)的作用下，隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)沙流，風(fēng)沙流中躍移的顆粒，增大了風(fēng)對(duì)沙粒的侵蝕力，而且還通過磨蝕，將更多的沙粒帶入氣流。同時(shí)高速躍移的沙粒通過沖擊方式，靠其動(dòng)能推動(dòng)更多的沙粒向前蠕移運(yùn)動(dòng)，在一定的條件下，風(fēng)的搬運(yùn)能力主要取決于風(fēng)速的大小，風(fēng)速越大，搬運(yùn)能力越強(qiáng)，風(fēng)蝕量越大。

2.4 相同風(fēng)速、不同粒徑對(duì)風(fēng)蝕量的影響

由于不同粒徑沙粒的起沙風(fēng)速不同，說明其抗風(fēng)蝕能力不同，風(fēng)蝕量存在差異，為了研究沙粒粒徑和風(fēng)蝕量的關(guān)系，風(fēng)速選定為7m/s，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定風(fēng)速條件下，遼河干流灘地泥沙的風(fēng)蝕量和沙粒粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)蝕量隨沙粒粒徑的增大而逐漸減小，因此，從風(fēng)蝕量的角度來說，沙粒粒徑越小，沙粒的抗風(fēng)蝕性越弱，越容易被風(fēng)蝕。只有當(dāng)沙粒獲得足夠的動(dòng)能的條件下才能產(chǎn)生移動(dòng)，而較大顆粒具有較大的慣性，細(xì)小顆粒則相反，因此，細(xì)小顆粒在低風(fēng)速條件下就能產(chǎn)生移動(dòng)，而大顆粒沙粒則需要更大的動(dòng)能。同時(shí)粒徑較小的沙粒強(qiáng)烈地向高處彈跳，增加了上層氣流搬運(yùn)的沙量，并且沙粒在飛行過程中飛得更遠(yuǎn)，所以對(duì)于氣流的阻力減小。而粒徑較大的沙粒的躍移高度和水平飛行距離都較小，在搬運(yùn)過程中向近地面貼緊，底層沙量增加較多，近地面的氣流能量消耗也隨之增加，氣流搬運(yùn)顆粒的能力減弱了。因此，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)具有的動(dòng)能也一定，顆粒粒徑越大，近地面氣流的能量消耗越多，風(fēng)傳遞給顆粒的動(dòng)能就越小，搬運(yùn)能力越弱，風(fēng)蝕量就越?。涣皆叫?，反之亦然。

隨著沙粒粒徑的減小，風(fēng)蝕量逐漸增大，但當(dāng)沙粒粒徑小于0.50mm時(shí)，風(fēng)蝕量突然增大，這說明粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒越容易被風(fēng)蝕，屬于易蝕性顆粒。遼河干流水蝕沉積泥沙顆粒從上游到下游逐漸變細(xì)，粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒所占的比重越來越大，在相同風(fēng)速條件下，下游泥沙比上游泥沙更容易風(fēng)蝕。

2.5 不同風(fēng)速、不同粒徑對(duì)風(fēng)蝕量的影響

為研究不同風(fēng)速、不同粒徑對(duì)風(fēng)蝕量的影響作用，將表5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS17.0軟件，將風(fēng)蝕量作為因變量，風(fēng)速和粒徑作為自變量進(jìn)行方差分析和線性回歸分析，分析結(jié)果見表6。

從表6可以看出，粒徑越小，風(fēng)速越大，風(fēng)蝕量越大，說明小粒徑沙粒在大風(fēng)條件下越容易發(fā)生風(fēng)蝕；粒徑和風(fēng)速兩因素的P值(顯著性差異值)都為0.000，按0.05檢驗(yàn)水準(zhǔn)，可認(rèn)為粒徑、風(fēng)速兩因素效應(yīng)顯著，即粒徑、風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕量有顯著影響；風(fēng)速因素的Eta方大于粒徑因素的Eta方，可認(rèn)為風(fēng)速因素對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大于粒徑因素，即不同粒徑、不同風(fēng)速條件下，風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕量的影響起主要作用。

表6 粒徑、風(fēng)速對(duì)風(fēng)蝕量影響的方差分析

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)當(dāng)含水率小于2%時(shí)，隨著含水率的增大，水橋力越大，起沙風(fēng)速增大的趨勢越明顯；當(dāng)含水率大于2%時(shí)，隨著含水率的增大，水橋力對(duì)起沙風(fēng)速的影響逐漸減弱。

(2)遼河干流水蝕沉積泥沙顆粒從上游到下游逐漸變細(xì)，粒徑在0.05～0.5mm范圍的沙粒所占的比重越來越大，在相同風(fēng)速條件下，下游泥沙比上游泥沙更容易風(fēng)蝕。

(3)本文對(duì)遼河干流灘地泥沙運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行了明晰，但對(duì)其防控措施還未進(jìn)行探討，在后續(xù)研究中應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合其運(yùn)移機(jī)制分析重點(diǎn)防控措施。