辽河干流滩地泥沙运移机制试验分析

胡庆武

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

辽河为全国七大江河之一，是仅次于黄河和海河的多沙河流，辽河干流水质污染及流域沙化问题严重，由于流域侵蚀，每年有大量泥沙及其携带的氮磷等营养物质进入河道，成为辽河污染不可忽视的因素，直接或间接造成辽河干流主河道游荡、河势不稳、水质多年不达标、河岸带植被稀少、生物多样性低等问题[1]。河道虽经多年治理，但“久治不愈”。其重要原因是河流泥沙未得到有效防控，泥沙来源及防控机制不明晰[2]。辽河干流具有独特的水资源匮乏与河道多沙并存的特征，现有水沙理论不适于指导辽河干流泥沙防控，已有工程措施难以满足新时代生态文明建设需求，构建适合于辽河干流的河道生态修复理论与技术体系是解决辽河问题的关键[3]。近些年来，对于辽河干流水沙问题研究取得了一定成果[4-15]，但是这些成果大都未能对辽河干流泥沙来源机制进行探讨。为弄清辽河干流泥沙来源，对其干流滩地泥沙运移机制进行试验探讨，从而为制定辽河泥沙防控措施提供重要的参考。

1 试验方案

将试验沙样在105℃的烘箱内烘6～8h，对其不同时期含水率进行测定，试验选取1%、2%、3%、4%、5% 五组含水率进行分析。本次试验的起动风速为流体起沙风速，针对辽河干流滩地泥沙进行了风速分别为6、7、8、9、10m/s的5次试验，而流体起沙风速是在晴天电场(电场强度为102V·m-1数量级)条件下测得的，此时的电场对沙粒起沙风速没有影响，静电力可忽略不计。

2 试验结果

2.1 相同粒径、不同含水率沙粒的起沙风速

含水率是影响起沙风速的重要因素，研究表明起沙风速与沙子含水率的变化有着直接关系，选取1%、2%、3%、4%、5% 五组含水率，研究了不同含水率与起沙风速的关系。结果表明：在室内模拟起风条件下，含水率对起沙风速的影响很大，分析结果见表1。

表1 起沙风速与含水率的相关关系

从表1可看出含水率对起沙风速有明显的影响，在沙粒粒径一定的情况下，起沙风速与含水率呈线性关系，起沙风速随含水率的增大而增大，和干沙相比，起沙风速增加了2.0～4.07倍，增加的倍数与含水率和沙粒粒径有关，起沙风速随着含水率的增大而增大，并且当含水率低于2%时，起沙风速随含水率的增大而迅速增大，而当含水率高于2%时，其增大趋势相对变缓。

水在沙粒之间有两种作用力方式，一种是吸附在沙粒表面的吸附水，即水膜力；另一种是存在于颗粒间的水桥中，即水桥力，其中后者占主要部分。沙子在湿润状态下，当气流吹过由沙粒组成的水平沙床表面时，沙粒受到重力、拖曳力、内聚力、水膜力和水桥力作用。粒径相同时，湿度越大，水膜力越大，同时水分子与沙子颗粒之间的拉张力增加了颗粒间的内聚力，沙子黏滞性和团聚作用增强，起沙风速也相应增大；当沙子含水率较低时，沙粒之间水的作用力主要以水桥力为主；当沙子含水率较高时，水桥力逐渐减小，沙粒之间水的作用力主要以水膜力的为主，这也解释了当含水率小于2%时，随着含水率的增大，水桥力越大，起沙风速增大的趋势越明显；当含水率大于2%时，随着含水率的增大，水桥力对起沙风速的影响逐渐减弱，起沙风速增大的趋势相对变缓。低含水率沙的起沙风速受水桥力的影响比高含水率沙大。

在试验过程中，随着含水率的增加，从开机试验到沙粒起动所需要的时间越来越长；同时不同含水率条件下，沙粒起动的形式也不相同，在低含水率阶段，当风速逐渐增加到一定数值后，沙样表面变干，颜色逐渐变浅，随之沙样表面破坏，沙粒脱离湿沙层开始向下风蠕动；在高含水率阶段，只有当风速足够大时，局部的湿沙层迅速碎裂、崩解而被掀翻。

任意粒径范围的沙粒，含水率与起沙风速的关系是相似的，即起沙风速随含水率的增加呈线性增加，经线性回归分析，得到函数的一般关系式为：

V=a+bM

(1)

式中，V—起沙风速，m/s；M—含水率，%；a、b—回归系数。

2.2 不同粒径、不同含水率沙粒的起沙风速

为研究不同粒径、不同含水率沙粒的起沙风速，将起沙风速作为因变量，粒径和含水率作为自变量进行方差分析和线性回归分析，分析结果见表2—3。

从表2可以看出，粒径和含水率越大，起沙风速随之增大，说明大粒径沙粒在高含水率状态下越不容易起动；粒径和含水率两因素的P值(显著性差异值)都为0.000，按0.05检验水准，可认为粒径、含水率两因素效应显著，即粒径、含水率对起沙风速有显著影响；含水率因素大于粒径因素，可认为含水率因素对总变异的贡献大于粒径因素，即不同粒径、不同含水率条件下，含水率对起沙风速的影响起主要作用。由表3可以看出，粒径、含水率与起沙风速之间存在线性关系，经t检验，粒径和含水率的P值(显著性差异值)都为0.000，按α=0.05水平，均有显著意义。根据上表中的数据可以建立起沙风速与含水率和粒径的线性回归方程为：

表2 粒径、含水率对起沙风速影响的方差分析

表3 粒径、含水率对起沙风速影响的线性回归分析

V=171.875M+4.176D+3.218

(2)

式中，V—起沙风速，m/s；M—含水率，%；D—粒径，mm；常数项为3.218；回归系数分别为171.875和4.176。

2.3 相同粒径、不同风速对风蚀量的影响

针对辽河干流滩地泥沙进行了风速分别为6、7、8、9、10m/s的5次试验，试验结果见表4。表中风蚀量用Q表示， 指的是试验沙样水平方向的转移量，用下式表示。

Q=W1-W2

(3)

式中，W1—不同试验风速，m/s；W2—沙粒移动的临界风速，m/s。

试验结果表明：辽河干流滩地泥沙的风蚀量和风速呈正相关关系，即风蚀量随着风速的增大而增大。这是因为当风速达到起沙风速时，沙粒在风的作用下，随风运动形成风沙流，风沙流中跃移的颗粒，增大了风对沙粒的侵蚀力，而且还通过磨蚀，将更多的沙粒带入气流。同时高速跃移的沙粒通过冲击方式，靠其动能推动更多的沙粒向前蠕移运动，在一定的条件下，风的搬运能力主要取决于风速的大小，风速越大，搬运能力越强，风蚀量越大。

2.4 相同风速、不同粒径对风蚀量的影响

由于不同粒径沙粒的起沙风速不同，说明其抗风蚀能力不同，风蚀量存在差异，为了研究沙粒粒径和风蚀量的关系，风速选定为7m/s，试验结果见表5。

试验结果表明：在一定风速条件下，辽河干流滩地泥沙的风蚀量和沙粒粒径呈负相关关系，即风蚀量随沙粒粒径的增大而逐渐减小，因此，从风蚀量的角度来说，沙粒粒径越小，沙粒的抗风蚀性越弱，越容易被风蚀。只有当沙粒获得足够的动能的条件下才能产生移动，而较大颗粒具有较大的惯性，细小颗粒则相反，因此，细小颗粒在低风速条件下就能产生移动，而大颗粒沙粒则需要更大的动能。同时粒径较小的沙粒强烈地向高处弹跳，增加了上层气流搬运的沙量，并且沙粒在飞行过程中飞得更远，所以对于气流的阻力减小。而粒径较大的沙粒的跃移高度和水平飞行距离都较小，在搬运过程中向近地面贴紧，底层沙量增加较多，近地面的气流能量消耗也随之增加，气流搬运颗粒的能力减弱了。因此，当风速一定时，风具有的动能也一定，颗粒粒径越大，近地面气流的能量消耗越多，风传递给颗粒的动能就越小，搬运能力越弱，风蚀量就越小；粒径越小，反之亦然。

随着沙粒粒径的减小，风蚀量逐渐增大，但当沙粒粒径小于0.50mm时，风蚀量突然增大，这说明粒径在0.05～0.5mm范围的沙粒越容易被风蚀，属于易蚀性颗粒。辽河干流水蚀沉积泥沙颗粒从上游到下游逐渐变细，粒径在0.05～0.5mm范围的沙粒所占的比重越来越大，在相同风速条件下，下游泥沙比上游泥沙更容易风蚀。

2.5 不同风速、不同粒径对风蚀量的影响

为研究不同风速、不同粒径对风蚀量的影响作用，将表5中的实验数据利用SPSS17.0软件，将风蚀量作为因变量，风速和粒径作为自变量进行方差分析和线性回归分析，分析结果见表6。

从表6可以看出，粒径越小，风速越大，风蚀量越大，说明小粒径沙粒在大风条件下越容易发生风蚀；粒径和风速两因素的P值(显著性差异值)都为0.000，按0.05检验水准，可认为粒径、风速两因素效应显著，即粒径、风速对风蚀量有显著影响；风速因素的Eta方大于粒径因素的Eta方，可认为风速因素对总变异的贡献大于粒径因素，即不同粒径、不同风速条件下，风速对风蚀量的影响起主要作用。

表6 粒径、风速对风蚀量影响的方差分析

3 试验结论

(1)当含水率小于2%时，随着含水率的增大，水桥力越大，起沙风速增大的趋势越明显；当含水率大于2%时，随着含水率的增大，水桥力对起沙风速的影响逐渐减弱。

(2)辽河干流水蚀沉积泥沙颗粒从上游到下游逐渐变细，粒径在0.05～0.5mm范围的沙粒所占的比重越来越大，在相同风速条件下，下游泥沙比上游泥沙更容易风蚀。

(3)本文对辽河干流滩地泥沙运移机制进行了明晰，但对其防控措施还未进行探讨，在后续研究中应重点结合其运移机制分析重点防控措施。