不同坡度条件下“沙棘植物柔性坝”的阻水效应

[目的]探讨不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对水流流速和水深的影响,并分析和沟床糙率系数的变化及其主要影响参数,为"沙棘植物柔性坝"这一水土保持生态工程在山区沟道的推广应用提供理论依据。[方法]基于野外水流试验,根据试验数据,运用理论分析的方法,探讨"沙棘植物柔性坝"对水流的影响及沟道糙率的变化。探讨在不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对流速变幅值、水深沿程分布的影响,并对糙率系数的变化进行了分析。[结果]流速变幅值的大小与沙棘柔性坝坝长、种植密度和床面坡度有关;在沙棘柔性坝较长的试验床中,流速变幅值随着坡度的增大而增大;在沙棘种植密度较大的试验床中,上游区的雍水深度和糙率系数值随坡度的增大而增大。[结论]"沙棘植物柔性坝"对坝前水流流速有明显的衰减阻滞作用,其中柔性坝坝长和植物种植密度是影响"沙棘植物柔性坝"阻水效应的主要因素。

沙棘植物柔性坝糙率系数的野外水流试验

为了研究沙棘植物柔性坝的糙率系数,在陕西省华县小华山水库沙棘植物柔性坝进行了沙棘植物柔性坝野外水流试验。运用河流泥沙动力学理论推导了沙棘植物柔性坝的糙率估计公式,并对一定生长期非淹没流的沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了估算。结果表明,沙棘柔性坝的糙率范围大致介于0.04-0.09的范围内;并基于野外水流试验数据,按照河流动力学方法对沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了反推计算,所得结果与用理论公式估计的结果比较吻合,表明沙棘植物柔性坝糙率理论估计公式可用于对沙棘植物柔性坝的糙率估计,这对于进一步深入研究沙棘植物柔性坝的拦沙效应与机理具有重要意义。

植物柔性坝布置方式对水流的影响

岸边布置植物柔性坝是促使河势稳定、生态修复的有效措施。通过室内模型试验,探讨了在岸边布置不同排列方式的挺水植物对水流的影响。结果表明,植物柔性坝对植物坝体段和植物坝后段的水流具有明显的阻水作用,且阻水效果随挺水植物的布置方式不同而不同;长度为1/3河道宽的单侧布置的植物坝仅对植物坝一侧河岸起到稳定水流作用,而双侧布置的植物坝则能够在阻水效果相近的情况下起到保护两岸的作用。

砒砂岩区沙棘植物柔性坝野外试验研究综述

素有“地球癌症”之称的砒砂岩区位于黄河粗泥沙集中来源区核心区域,平均侵蚀模数20000 t/(km^(2)·a),其中粒径大于0.05 mm的粗泥沙含量高达80%左右。砒砂岩区沙棘植物柔性坝野外试验系统研究了该区土壤侵蚀的基本规律和分类系统、输沙机理、植物拦沙机理,以及植物柔性坝对水资源的调节作用,给出了支毛沟沟头沙棘植物柔性坝坝系系统工程技术和防止砒砂岩区土壤侵蚀的水土保持综合技术,为基岩产沙区的全方位治理和黄河粗泥沙治理提供了可靠的科学依据。

植物“柔性坝”对水流影响的试验研究

用生态措施治理水土流失是利用自然、改造自然的一种有效方法.通过室内水槽模型试验,探讨了植物“柔性坝”的布置方式、种植密度对河渠水流的影响.由试验得出,植物“柔性坝”可以起到阻缓水流、拦截泥沙的作用,并且植物“柔性坝”的种植密度和坝长不同,阻水作用亦不同.试验表明,坝长的阻水作用较坝的密度要大得多.在以多坝的形式布置时,两坝之间的水深、流速的大小与坝间距离有关.坝间的水深随着坝距的增大而减小,流速随着坝距的增大而增大.

植物“柔性坝”阻水试验及固沙机理分析

通过室内水槽模型试验,较系统地分析了植物"柔性坝"在交错布置方式下,5种不同排列方式对水流的影响。由试验得出,交错布置时植物"柔性坝"的阻水、拦沙作用更强,在坝长和种植密度相对较大的6cm×9cm×9排列方式下,植物坝上游区流速减小幅度最大,壅水最高,其阻水效果相对最好。同时还说明植物"柔性坝"可以削减水流的剪切应力,减小泥沙的输移比,使部分泥沙在坝上游沉积下来,起到拦沙的作用。

植物“柔性坝”拦沙机理的试验研究

通过室内水槽模型试验,研究了植物“柔性坝”在浑水水流流态下的拦沙机理。试验是在1/150、1/100和1/50三种不同底坡条件下均对应5.09L/s、9.08L/s和13.08L/s三种流量时进行观测的。对植树坝前后单颗粒泥沙运动速度的变化进行了观察,并对植物坝前与坝内的泥沙淤积形态进行了分析。由试验得出,底坡越大,植物坝上游泥沙运动速度的衰减率就越小,泥沙越早达到输沙平衡,植物坝的拦沙效果也越差。

沙棘植物“柔性坝”沟道土壤水分时空动态变化研究

沙棘植物柔性坝是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,特别适合于生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古准格尔旗砒砂岩地区东一支沟开展了沙棘植物柔性坝野外拦沙保水实验,结果表明,沙棘植物柔性坝各部位的土壤剖面含水量年内、年际时空动态变化有着明显的差异,沙棘植物柔性坝对沟道土壤水分具有显著的调节作用,降雨、地表植被种类、植被生长状况、土壤理化性质、地形和当地水文气象条件等是影响土壤水分时空变异的重要因子,而其中降雨和地表植被是主要影响因素。

植物“柔性坝”在不同底坡下水流特性的试验研究

通过室内水槽模型试验,较系统地分析了植物“柔性坝”在交错布置方式下,3种不同底坡对水流的影响。由试验得出,植树后底坡越大,流量对植物坝的壅水影响越不明显,即底坡对植物坝壅水的影响要比流量的影响大。同时通过对相同底坡不同流量下植树前后断面平均流速的分析,说明了植物坝能较好的减小坝前和坝内的水流平均流速,并将流速峰值均匀化。最后从理论上分析了植树前后糙率的变化。

底坡对植物“柔性坝”固沙能力的影响分析

通过室内水槽模型试验,研究了植物"柔性坝"在浑水水流流态下的拦沙机理。试验分别在1/150,1/100,1/50底坡条件下对应5.09,9.08,13.08 L/s流量时进行观测。对植树坝前后单颗粒泥沙运动速度的变化进行了观察,并对植物坝前与坝内的泥沙淤积形态进行了分析。由试验得出,底坡越大,植物坝上游泥沙运动速度的衰减率就越小,泥沙越早达到输沙平衡,植物坝的拦沙效果也越差。

布置植物“柔性坝”河道冲淤计算及数值模拟

为了解决我国的河流泥沙灾害,尤其是新疆的防沙、治沙和水土流失问题,通过室内物理模型试验的初期成果,经过理论分析,在物理模型试验的基础上建立相应的数学模型,对沙棘植物"柔性坝"过流水动力学特性的几个方面进行了深入分析,并尝试推导了一些相应的公式。对植物坝前上游段推移质泥沙的输移特性进行了研究,在试验的基础上,运用一维水沙数学模型,进行了植物坝前壅水区内河床冲淤计算的数值模拟。结果表明,计算值与实测值吻合较好,具有一定的实用价值。利用沙棘植物"柔性坝"来治理泥沙、减少泥沙危害,是一种全新的泥沙治理理念。它将生物措施和流体力学原理相结合,并且充分利用了两者的优势。

砒砂岩地区沟道沙棘植物“柔性坝”原型拦沙研究

本文通过实测资料分析得到砒砂岩区土壤侵蚀的基本特点是以冻融风化非径流土壤侵蚀为主,以沟壑中暴雨径流形成的股流为动力核心搬运输移泥沙,重力和风力仅对非径流产沙起加速作用,人类活动对坡面起破坏作用。小流域上、中、下游冻融风化土壤侵蚀的分配比例是76.1％、17.5％和6.4％,说明支毛沟头是土壤侵蚀的关键部位,沟顶坡、沟谷坡和沟床面积分别为22％、75％和3％,沟谷坡产沙量占总产沙量的90％,说明沟谷坡是产沙的关键部位。针对该地区的产沙规律,试验证明在砒砂岩区支毛沟中以沙棘灌木植物作为拦沙的坝型框架材料是可行的,并给出了明确的物理图形,与沟道淤地坝工程相配套,使粗细沙分选、泄流、生态恢复于一体,发挥综合功能。

砒砂岩地区沟道植物“柔性坝”拦沙试验

植物“柔性坝”试验在内蒙古西召沟小流域东一支沟进行 ,共布设 9座“柔性坝”。 1996～ 1998年各坝最大测段平均累计淤积厚度为 0 48m。 1997～ 1999年 ,“柔性坝”坝系总拦沙量为 985 5m3 ,全沟段纵比降比布设“柔性坝”前变小。 1997～ 1999年“柔性坝”坝系拦截大于 0 0 5mm的粗粒泥沙为 765 6m3 ,占该时段“柔性坝”坝系总拦沙量的 78%。试验表明 ,“柔性坝”坝系淤积量、淤积厚度与产沙量、沟道形态。

植物“柔性坝”过流水动力学方程的建立及其数值模拟

植物"柔性坝"的存在干扰了原有的水流流态,使坝上游水深增加,水流流速减小,同时还增大河床糙率,削减了床面剪应力。通过室内物理模型试验的初期成果,推导建立清水条件下植物二维水动力学方程,对植物"柔性坝"过流时的水动力学特性进行了数值研究,并用有限元法进行了数值计算。将数值计算得到的流速值与模型试验流速值结果进行了比对,两者吻合较好,证明了所选数学模型和数值计算方法的可靠性。

沙棘柔性坝在砒砂岩地区沟道治理中的试验

根据野外试验资料 ,研究沙棘在砒砂岩地区沟道治理中垂直于水流方向的植树技术 ,以及形成沙棘活性植物柔性坝坝系的拦沙作用及淤积分布规律。为探讨沟道拦截泥沙和整体效应 ,同时研究沟道沙棘柔性坝坝系工程和刚性谷坊、骨干工程的联合拦沙模式。试验初步证明 ,在砒砂岩地区的沟道治理中 ,沙棘是一种集多功能于一体的拦沙筑坝框架材料 。

黄河粗沙区沙棘柔性坝拦沙效应与数学模拟

针对沙棘植物"柔性坝"的拦粗淤细作用,结合黄河粗沙区沟道侵蚀及泥沙输移的规律,开展了这方面的机理研究及野外拦沙保水试验,推导了沙棘植物柔性坝前壅水计算迭代公式.分析结果表明,沙棘植物坝具有良好的拦沙阻水作用,起到了滞流和增大入渗的作用;"柔性坝"可显著调节沟道土壤水分,提高水源涵养能力,对发展沟头林业和沟坡农业生产打下良好基础,而且可实现水沙分治.

黄河粗砂区沙棘柔性坝拦沙效应与数学模拟

针对沙棘植物“柔性坝”的拦粗淤细作用，结合黄河粗沙区沟道侵蚀及泥沙输移的规律，开展了这方面的机理研究及野外拦沙保水试验，推导了沙棘植物柔性坝前壅水计算迭代公式。分析结果表明，沙棘植物坝具有良好的拦沙阻水作用，起到了滞流和增大入渗的作用；“柔性坝”可显著调节沟道土壤水分，提高水源涵养能力，对发展沟头林业和沟坡农业生产打下良好基础，而且可实现水沙分治。

植物柔性工程学浅思

2006年5月笔者在《砒砂岩地区沙棘植物“柔性坝”试验技术总结(1995—2006)》报告中提出“植物柔性工程学”和“研究沟道湿地形成的条件和发展前景”,这是沙棘植物柔性坝在学科和实践领域的延伸和发展,也是一个问题的两个方面。植物柔性工程学是构建沟道人工湿地生态系统的科学指南和理论基础,而沟道人工湿地生态系统构建是进行试验研究、示范的平台,这是黄土高原基岩产沙区标本兼治之举,意在解决沟壑控制、生态恢复和生存环境改善的实际问题。初步给出了植物柔性工程的概念、定义、功能、分类、作用原理等,也给出了植物柔性工程学的研究思路和方法。

沙棘植物对砒砂岩沟道土壤改良效应的研究

基于内蒙古砒砂岩地区准格尔旗东一支沟沙棘植物柔性坝野外水保试验,根据监测的土壤有机质数据,运用比较与统计分析的方法,研究了沙棘植物对沟道土壤的改良效应。结果表明,沙棘植物的存在,极大地提高了沟道土壤肥力,改善了植物群落的生长环境,对于该区生态环境的恢复与重建具有重要意义。沙棘柔性坝所形成的复合地表枯枝落叶层的腐殖质、根系的死亡代谢及分泌物都是沟道土壤有机质的重要来源;沙棘植物柔性坝沟道0—30cm土壤层的有机质含量平均值要高出对比沟1.25倍;东一支沟沙棘柔性坝沟道土壤有机质含量从上游到下游表现出沿程增加的趋势;各典型沙棘柔性坝沿土壤剖面的有机质含量平均值是相应对比沟的约1.8倍;有机质沿土壤剖面的分布对比说明,沙棘植物的存在改变了沟道有机质沿土壤剖面的分布,这种分布有利于沙棘植物及砒砂岩沟道次生植物群落的生长与恢复。