植被群落空间配置对水动力学特性及水沙输移影响研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zmy_java
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植被覆盖下的坡面流研究是土壤侵蚀研究的基础环节,虽有诸多成果面世,但植被群落及其空间配置对水沙输移的影响机理尚不明确。同时,由于植被覆盖下的复杂水流条件,坡面流阻力的精准获取仍是目前研究的难点所在。本研究通过不同植被群落及空间配置的清水试验与含沙流试验相结合的方法,探究植被条件下水动力学及相对水动力学特性的变化规律,并构建植被群落下的坡面流阻力系数计算模型。分析含沙水流强度指标、最大泥沙拦蓄量和拦沙效应的变化特征,在此基础上,探究植被群落发挥拦沙阻水的作用机制。主要结论有:(1)探究了植被覆盖下水动力学特性变化规律。植被覆盖下水深不仅与流量呈显著正相关,同时还受植被类型、覆盖密度、空间配置的影响。覆盖密度相同且流量小于20L/min时,灌木覆盖时的水深更大,流速与弗汝德数更小。植被类型固定时,草被覆盖密度由1.5%增至7.6%时,水深增长率达74.76%,而流速、雷诺数、弗汝德数降幅则为34.40%、17.14%、41.50%。且在植被群落覆盖下可达更大的变化值。因此,为追求较大的水深和较小的流速、弗汝德数,建议在坡度为2°时采用单行交替格局覆盖,而在其他坡度采用上游灌木下游草被格局。(2)建立了植被覆盖下的综合阻力系数计算模型,并探究了植被类型、覆盖密度、空间配置对阻力系数的重要影响。研究发现,相同覆盖密度下,随着流量的增大,灌木组阻力系数从2.694减至0.820,草被组则先从2.932降至1.859后增至5.796。相同类型植被下,草被覆盖密度由1.5%增至7.6%时,草被覆盖、植被群落覆盖下平均阻力系数分别从1.065、3.403增长至6.875、12.586,可见增大覆盖密度和植被群落覆盖可提高阻力系数。根据阻力系数将各空间配置从大至小排序依次为:上游灌木下游草被格局>单行交替格局>双行交替格局>均匀格局。且阻力系数均随坡度增大而减小。植被群落覆盖情况下,存在群落附加阻力及格局附加阻力,且随着草被覆盖密度的增大,群落附加阻力呈先增后减的趋势。在各空间配置下,颗粒阻力、草被阻力、灌木阻力、组合植被附加阻力、格局附加阻力平均占比分别约为12.63%、6.03%、24.33%、18.31%和38.74%,且上游灌木下游草被格局的格局附加阻力占比最大。(3)探究了相对水动力学特性对植被类型的响应规律。流量在20 L/min前后分别采用灌木和草被覆盖,可获得最优的壅水缓流、增大阻力效果。对于相同类型下的植被,草被覆盖密度的增加有助于增大除相对雷诺数以外的其它相对水动力学特性参数。而相对雷诺数由于受灌木影响,仅在单一草被情况下随覆盖密度的增加而增大,而在植被群落下则随草被覆盖密度增大呈先增后减趋势。2°坡度下,单行交替格局的缓流增阻效果最优,其他坡度时则以上游灌木下游草被格局最优。关于流型流态,其最优格局分别为均匀格局和上游灌木下游草被格局。(4)探究了含沙水流水动力学特性的变化规律。水动力学特性参数受含沙量与植被空间配置的共同影响。随含沙量的增大,水深与阻力系数呈增大趋势,而流速、雷诺数及弗汝德数则呈减小趋势。针对水深、流速与雷诺数的最优格局为双行交替格局,而弗汝德数与阻力系数则为单行交替格局。最大泥沙拦蓄量随坡度的增加而减小,且受来水含沙量和空间配置的显著影响。最大泥沙拦蓄量在含沙量为200 kg/m~3时最大,含沙量的增大或减小均会导致最大泥沙拦蓄量的显著减小。植被对最大泥沙拦蓄量的影响显著,且单行交替格局最大泥沙拦蓄量最大,其次为双行交替格局,而裸露坡面的最大泥沙拦蓄量则最小。
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