河岸带碎屑饵料起动特性实验研究

王正央 陈卓 冯镜洁 李然

收稿日期：2023-10-10

基金项目：国家自然科学基金重点项目“梯级开发河流洪水过程与水生态效应互馈机制及其协同调控研究”（52039006）；国家自然科学基金长江水科学研究联合基金“长江经济带小水电河流生态系统完整性评估监测与修复”（U2240212）。

作者简介：王正央（1999—），男，甘肃庆阳人，研究方向为生态水利。#通信作者：冯镜洁（1986—），女，研究方向为生态水力学，E-mail：

fengjingjie@scu.edu.cn。

摘 要：以对雅砻江进行采样分析得到的碎屑饵料特性为参考，制备实验碎屑饵料，设计了无碎屑、4.8%、9.1%、16.7%等不同碎屑饵料质量含量工况的模拟河岸，利用实验室可控水流系统探究流速对河岸带碎屑饵料补给起动的影响。结果表明，无碎屑饵料、4.8%、9.1%和16.7%碎屑饵料质量含量所需的起动流速分别为40.2、37.8、35.1和32.4 cm/s。随着碎屑饵料含量增加，向河流补给所需要的起动流速降低。实验条件下，得到碎屑饵料起动流速与碎屑饵料质量含量关系为。计算得到雅砻江锦屏段采样区的碎屑饵料起动流速为39.7 cm/s。研究成果可将传统水生态关注的饵料补给定性分析拓展至与水力学参数关联的定量影响，为河流碎屑饵料补给测算以及河流水生态系统健康保障提供科学数据与支撑。

关键词：碎屑饵料；起动；河岸带；水生态；机理实验

中图分类号：P734.4 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

河岸带是指由于水位改变而使河岸周边土地在最高水位与最低水位之间呈现季节性淹没和出露的干湿交替过渡区域[1]，是陆地和水生生态系统之间养分通量的重要区域[2]。河岸带的有机碎屑可补给至河流，为鱼类等提供饵料物质，称为有机碎屑饵料或碎屑饵料[3]。碎屑饵料主要为滤食性鱼类、底栖动物的食物来源。相关学者[4]对金沙江段的取样结果表明，碎屑饵料对草食性鱼类和滤食性鱼类的汛后贡献率均超过30%。汛期碎屑饵料的补给对鱼类育肥过程意义重大，梯级水库格局下，河道内高流量过程显著降低，库区的流速降低至接近静水状态，流速和淹没条件变化改变了碎屑饵料对河流的补给。因此，量化河岸带碎屑饵料补给的起动特性与水力学条件的关系很有必要。

基于雅砻江天然河岸带采集到的碎屑饵料密度和质量含量，通过机理实验，模拟含碎屑饵料的河岸带在不同水流条件下的碎屑饵料入河补给特性，探究不同碎屑饵料含量下的起动流速，并建立碎屑饵料起动流速与其质量含量的定量关系，为河岸带碎屑饵料入河量测算和保障河道内鱼类摄食来源的水生态保护及其调度研究提供科学依据和技术支撑。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验在顺直实验水槽中开展，水槽长15 m、宽0.5 m、高0.3 m（图1）。采用人工碎屑饵料泥沙混合材料构建实验段河岸，实验段位于水槽中部，横截面为底边长16 cm、高12 cm的三角形。在预实验中可观测到，进水口附近水流流态变化剧烈，会导致人工河岸发生侵蚀，进而加剧水流流态的变化，对碎屑饵料起动造成影响。为消除影响，在实验段两端均固定一段与实验段同截面的长为4 m的木质河岸模型用于稳流，水槽末端设有可调节高度的挡板。

1.2 实验材料

1.2.1 碎屑饵料实验材料

实验前，至雅砻江锦屏段采样，采集所得无机质为泥沙、砾石、颗粒态盐，有机质为植物碎片及小型动物尸体。分别使用1.2 、1.4 g/mL硅胶悬浊液，对土壤中碎屑有机物进行分馏操作，得到的碎屑饵料质量占样品质量的比例为碎屑饵料质量含量。雅砻江大河湾河段河岸带各采样点中，碎屑饵料质量含量最大为1%，密度≥1.4 g/cm3的碎屑饵料质量占比超过80%，碎屑饵料尺寸大于0.15 mm占比超过85%、碎屑饵料尺寸＞0.3 mm占比超过60%。

采样结果未能获取到详细的粒径分布，据研究[5]，水体中碎屑饵料粒径处于0.1～0.5 mm之间，各站位的平均粒径大多＞0.2 mm。结合现场采样分析和文献调研成果，制备实验用人工碎屑饵料，采用聚乙烯和氧化钙高温熔结。为了实验中便于肉眼区分，将碎屑饵料制备为红色（图2）。实验所用的人工碎屑饵料平均密度采用1.4 g/cm3；粒径介于0.15～0.3 mm和0.3～0.5 mm的碎屑饵料各占50%。

1.2.2 河岸带实验材料

河岸材料为采用天然河道过滤非泥沙物质后的粗颗粒泥沙，其干密度为1.61 g/cm3，自然密度为2.25 g/cm3。使用搅拌机按工况设置的比例进行混合，为了测试混合物的均匀性，对各工况混合物随机采集质量为20.00 g的样品10个，使用密度分离法测量样品中碎屑饵料的质量。分离提取使用油和氯化锌溶液协同进行，油的密度为0.9 g/cm3，氯化锌溶液密度配制为1.6 g/cm3。当各样品中碎屑饵料平均质量误差＜5%，则认为碎屑饵料和泥沙混合均匀程度满足实验要求。

1.3 实验方法

采用机理实验，改变水力学条件探究河岸碎屑饵料随流速变化的起动特性。将碎屑饵料泥沙混合物压实在水槽中形成河岸带。在实验开始前，人工河岸属于干燥状态。为减少系统误差，同时降低初始水流脉动作用带来的冲刷影响，使用低流速对实验段河岸进行浸润，使得河岸的含水率接近天然情况下有水流浸润的状态。浸润时流量为3.57 L/s，水深10.3 cm，流速0.085 m/s，该流速条件河岸碎屑饵料基本无起动，对实验结果影响极小。

完成浸润后，逐步增大水流流速观察碎屑饵料起动情况。在预实验中，对比“增大流量”和“减小挡板”两种流速控制方法。由于较难控制流量无级平顺增加，流量变化时导致水流的流速突变，会导致短暂、局部的河岸碎屑饵料入河，不利于实验成果统计。比较后采用恒定进水流量，按1 cm逐级降低水槽尾部挡板高度，以此逐渐增大流速。各级流速条件下稳定10 min，观察实验段是否发生显著碎屑饵料起动现象，同时监测流速、水深等参数。

最后，对推移质运动阶段的划分及实验设计，当实验段床面有个数可数的碎屑饵料开始运动时，认为碎屑饵料开始起动；当实验段床面各处均观察到碎屑饵料随水流运动，且在稳定时间内均观察到碎屑饵料运动个数不可数时，认为该流速下持续有碎屑饵料随水流起动，此时流速为碎屑饵料起动流速。

1.4 实验工况

为探究碎屑饵料起动条件与水力学条件的关系，以河岸中碎屑饵料质量含量作为控制变量。在采集到的雅砻江天然河岸样品中，碎屑饵料质量含量为1%，模拟天然河岸碎屑饵料质量比1∶100进行预实验，该实验条件下碎屑饵料质量含量较少导致测量误差较高。本实验中则放大天然河岸碎屑饵料质量含量，以降低测量误差导致对规律的影响。共开展4组工况（表1）。工况2、3、4情况下，样品中碎屑饵料理论质量分别为0.95、1.18、3.33 g。样品中碎屑饵料平均质量分别为0.97、1.85、3.30g，平均相对误差分别为4.9%、2.5%、1.8%。各样品误差均小于5%，认为泥沙与碎屑饵料的混合程度满足实验要求。

2 结果与分析

2.1 实验结果

使用碎屑饵料起动流速的判定方法，得到不同工况下碎屑饵料起动流速（表2）。结果表明，实验条件下，河滩中不同质量含量碎屑饵料的起动流速不同，工况1（无碎屑饵料）河岸泥沙的平均起动流速为40.2 cm/s，工况2（碎屑饵料质量含量4.8%）、工况3（碎屑饵料质量含量9.1%）和工况4（碎屑饵料质量含量16.7%）的河岸碎屑饵料的平均起动流速分别为37.8、35.1和32.4 cm/s。

2.2 起动流速与碎屑饵料质量含量的关系分析

碎屑饵料起动流速与碎屑饵料质量含量的关系如图2所示。考虑到随着碎屑饵料质量含量的增加，河岸带碎屑饵料起动流速不会无限减小，采用指数关系拟合起动流速和碎屑饵料质量含量关系的数据点，得到河岸带碎屑饵料起动流速的经验公式：

UCD=40.2e-0.013ω（1）

其中：UCD为碎屑饵料起动流速，单位为cm/s；ω为碎屑饵料质量含量。由公式可知，雅砻江锦屏河段的碎屑饵料对应的起动流速为39.7 cm/s。

2.3 与粗颗粒泥沙起动经验公式的对比分析

为了分析实验数据和经验公式的合理性，收集已有泥沙起动流速计算的经典公式，包括我国的李宝如、郑兆珍及王尚毅，以及前苏联的克诺洛兹等。文献中起动流速的与粒径D、水力半径R有关，采用本实验中工况1的实验成果进行计算，粒径采用床沙组成中接近最粗的一部分粒径作为代表粒径，取D=

0.14 cm，取床沙起动时的水深h=7 cm计算水力半径R=5.14 cm，水的动黏性系数为0.01 cm2/s。表3为本实验适用范围内各家起动流速公式及计算结果。

其中，N=gμs，μs为床面泥沙的密实程度，在该实验中为0.512。

各公式计算的理论泥沙起动流速分别为40.9、40.8和37.3 cm/s，工况1测得无碎屑饵料混合的泥沙的平均起动流速为40.2 cm/s，本实验实测泥沙起动流速与经验公式计算的泥沙起动流速对比如图3所示。由此可以看出，本实验结果与经典公式计算结果较符合，表明本实验测量得到的含有碎屑饵料河岸带的起动流速成果合理。对比含碎屑饵料泥沙起动结果与无碎屑饵料泥沙起动结果，差距显著，表明碎屑饵料沉积物的起动阈值用常规泥沙运动概化存在误差，在开展碎屑饵料入河补给量测算时，应考虑含碎屑饵料对河岸泥沙启动的影响。

3 结论

（1）无碎屑饵料工况的泥沙启动流速为40.2 cm/s，

当河岸带碎屑饵料质量含量提升至4.8%、9.1%和16.7%时，泥沙与碎屑饵料混合物的起动流速降低为37.8、35.1和32.4 cm/s。表明随着碎屑饵料质量含量的增加，碎屑饵料起动流速降低。

（2）碎屑饵料起动流速与碎屑饵料质量含量呈负指数相关关系，拟合为。以此计算得到采样的雅砻江锦屏河段碎屑饵料对应的起动流速为39.7 cm/s。

（3）将本实验中无碎屑饵料工况的起动流速与前人建立的泥沙起动公式计算结果对比，实验结果与公式计算结合符合性较好，表明本研究得到的含碎屑饵料河岸起动流速合理，碎屑饵料在河岸占比较大时，起动流速采用常规泥沙运动概化的误差不能忽略。

（4）本研究尚未探究不同泥沙特性（黏性、非黏性等）、碎屑饵料形状和材质特性的影响，也未考虑持续流水条件下碎屑饵料入河特性，将进一步结合多个真实河岸的泥沙与碎屑饵料特征，开展概化实验研究不同条件下的碎屑饵料补给特征。

参考文献

[1] 江维薇，杨楠，肖衡林.三峡库区与西南库区消落带植物多样性及群落构建比较[J].湖泊科学，2023，35（2）：564-579.

[2] 刘学勤.湖泊底栖动物食物组成与食物网研究[D].中国科学院研究生院（水生生物研究所），2006.

[3] 胡金润. 基于稳定同位素和脂肪酸组成的抚仙湖食物网结构和有机碳源分析[D].广州：暨南大学，2021.

[4] 陈卓.水流条件对河流碎屑饵料补给规律的影响研究[D].四川成都：四川大学，2023.

[5] 胡文烨，陈坚，李东义，等.西北太平洋春、秋季悬浮颗粒物的粒径变化与物质组分[J].应用海洋学学报，2017，36（2）： 221-232.