岳珍珍，黃 偉，王玉蓉

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

人類為盡可能利用水力資源，把蜿蜒性河流改造成直線河流，河道斷面采用梯形等幾何規(guī)則斷面，使河流流速增大，急流、緩流相間的格局消失，改變了深潭、淺灘交錯(cuò)的形式[1]，從而使河道的流態(tài)、生境棲息地及河道內(nèi)有機(jī)物質(zhì)滯留率降低，由此引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，渠化河流的生態(tài)修復(fù)研究成為學(xué)者們關(guān)注的問題并取得了一定進(jìn)展。然而，現(xiàn)有研究大多集中在河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，對(duì)河流生態(tài)修復(fù)效果和機(jī)理研究的文章很少。因此，本文以生態(tài)潛壩作為河流生態(tài)修復(fù)手段，生態(tài)潛壩的設(shè)置能夠增加有機(jī)物質(zhì)在模擬渠化河道內(nèi)的滯留比例，使有機(jī)物質(zhì)更多地停留在河流縱向各區(qū)域，降低其從水槽遺失比例，以天然有機(jī)物質(zhì)輸移滯留因子為評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)功能性特征的指標(biāo)研究其對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)功能的修復(fù)機(jī)理。

Rosport等通過水槽實(shí)驗(yàn)研究了生態(tài)潛壩的水力學(xué)特性，認(rèn)為生態(tài)潛壩可以在壩體下游形成水流擾動(dòng)，甚至沖刷出深潭，最終形成類似深潭淺灘的結(jié)構(gòu)[2]。Abrahams采用生態(tài)潛壩對(duì)河床進(jìn)行修復(fù)，證實(shí)生態(tài)潛壩通過增大水流阻力，緩解河床沖刷程度，能夠增加河床底質(zhì)形態(tài)的多樣性[3]。Jong指出在渠化河道內(nèi)布置生態(tài)潛壩，能夠減緩過快流動(dòng)的水流[4]。

國內(nèi)研究者對(duì)生態(tài)潛壩也有一定的研究，如王兆印、徐江等人率先對(duì)生態(tài)潛壩在山區(qū)河流中產(chǎn)生的階梯-深潭系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生態(tài)潛壩能夠提高底棲動(dòng)物的生物量[5]。

生態(tài)潛壩是一種利用圓木或塊石在河道中橫向修建的河道內(nèi)棲息地修復(fù)結(jié)構(gòu)，一般淹沒在水體中，具有在潛壩上游形成深水區(qū)，在潛壩下游形成深潭，塑造多樣性的地貌與水域環(huán)境，為水生生物提供庇護(hù)場(chǎng)所和多樣的水力環(huán)境[6]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由2組相同的實(shí)驗(yàn)水槽和一套供水裝置組成。其中供水裝置由水泵、供水管、浮子流量計(jì)和供水槽組成。開啟供水裝置，將供水槽蓄滿，由引流管將水引入兩組實(shí)驗(yàn)水槽，為實(shí)驗(yàn)水槽提供24 h不間斷供水。實(shí)驗(yàn)水槽由儲(chǔ)水池、玻璃水槽、擋水板和導(dǎo)水槽組成。儲(chǔ)水池為邊長(zhǎng)0.5 m的正方體，水槽槽身長(zhǎng)6 m、寬0.5 m，高0.4 m，坡度比為0.8%。為了保證兩組實(shí)驗(yàn)水槽河床底質(zhì)一致，采用細(xì)砂、粗砂、石英砂和鵝卵石均勻混合，然后將其鋪設(shè)在模擬渠道底部，河床底質(zhì)厚度約為5 cm。在水槽的出口處設(shè)置了高為0.09 m擋板，以免水流過快流失。詳見圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)分區(qū)

在2組實(shí)驗(yàn)水槽中，一組放置生態(tài)潛壩，從Q下游方向2 m處定位點(diǎn)A，并從A點(diǎn)開始，朝下游方向，以1 m為間隔，依次取點(diǎn)B、C、D。待各點(diǎn)標(biāo)記完成后，在生態(tài)潛壩組水槽A、B、C、D四個(gè)位置放置生態(tài)潛壩。另一組作為對(duì)照組未布置生態(tài)潛壩，模擬未被修復(fù)的渠化河流。

將實(shí)驗(yàn)水槽沿著縱向方向劃分為5個(gè)區(qū)域，選取實(shí)驗(yàn)水槽入水口Q下游1 m處作為起點(diǎn)，標(biāo)記為點(diǎn)M。再將起點(diǎn)M至出水口Z之間的部分以1m的間隔劃分為5個(gè)區(qū)域，并用字母a、b、c、d和e分別對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，具體見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽縱向區(qū)域劃分示意圖(單位：cm)Fig.1 The deviceof experiment flume

圖2 實(shí)驗(yàn)水槽縱向區(qū)域劃分示意Fig.2 Vertical zoning of experiment flume

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)人工樹葉。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所在河岸植物多為楊樹，楊樹樹葉形狀似正三角形且不透水，由于天然落葉易碎，形狀和尺寸難以控制，故采用防水硬卡紙的人工樹葉取代天然落葉。硬卡紙密度為200 g/m2。邊長(zhǎng)為3 cm和4 cm。圖3為一組天然樹葉和人工樹葉的實(shí)物圖。

圖3 天然樹葉和人工樹葉Fig.3 Natural and artificial leaves

(2)木棍。由于人工木棍的模擬效果較差，有機(jī)物質(zhì)滯留實(shí)驗(yàn)中的樹枝滯留情況模擬選取由天然柳樹樹枝剪裁而成的小型木棍為代表。木棍整體的直徑控制在0.5～0.6 cm之間，長(zhǎng)度控制在5 cm左右。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)定流量工況為1 200、1 000、800、600 L/h。在水槽上游起始點(diǎn)M處釋放30份人工樹葉或人工木棍，等待大約10 min，待槽內(nèi)有機(jī)物質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定一段時(shí)間后，分別記錄在縱向a～e區(qū)域有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量，此過程大約為10 min。每組流量工況下實(shí)驗(yàn)重復(fù)9次。

3 計(jì)算參數(shù)

采用有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)評(píng)價(jià)有機(jī)物質(zhì)的輸移滯留趨勢(shì)，確保結(jié)果的可信度。兩者的計(jì)算方法如下所示。

(1)加權(quán)平均輸移距離。加權(quán)平均輸移距離由公式(1)計(jì)算得到：

(1)

(2)有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)。Speaker[7,8]等人指出天然有機(jī)物質(zhì)在河道內(nèi)的輸移和滯留情況呈負(fù)指數(shù)形式分布，并擬合出計(jì)算河道有機(jī)物質(zhì)輸移滯留公式，如公式(2)所示：

k=-Ln(Lx/Li)/x

(2)

式中：x為距離有機(jī)物質(zhì)釋放起點(diǎn)的距離，m；Lx為在給定點(diǎn)x處滯留的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量,個(gè)；Li為在給定點(diǎn)釋放有機(jī)物質(zhì)的總量，個(gè)；x為有機(jī)滯留系數(shù)，它與每米停滯的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量相關(guān)， 越大代表有機(jī)物質(zhì)停滯的幾率越高[9,10]。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)有機(jī)物質(zhì)滯留與流失比例。分別將實(shí)驗(yàn)水槽中人工樹葉和木棍滯留和遺失個(gè)數(shù)平均值除以有機(jī)物質(zhì)總數(shù)，得到實(shí)驗(yàn)水槽有機(jī)物質(zhì)滯留和遺失比例，計(jì)算所有實(shí)驗(yàn)工況下潛壩與非潛壩有機(jī)物質(zhì)滯留與遺失比例平均值，用潛壩的有機(jī)物質(zhì)滯留與遺失比例減去非潛壩組的，得到兩者之間的差值，并得到表1。

表1 實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)有機(jī)物的滯留與遺失比例 %Tab.1 The retention and loss ratio oforganic matter in experiment flume

對(duì)比有機(jī)物質(zhì)潛壩組與非潛壩組有機(jī)物質(zhì)滯留比例平均值，發(fā)現(xiàn)潛壩組的有機(jī)物質(zhì)滯留比例要高于非潛壩組。潛壩組的有機(jī)物質(zhì)遺失比例整體低于非潛壩組。潛壩組與非潛壩組有機(jī)物質(zhì)木棍遺失比例差值(-24.5%)大于人工樹葉(-9.8%)。

綜合兩組實(shí)驗(yàn)水槽有機(jī)物質(zhì)滯留和遺失比例可得出，生態(tài)潛壩對(duì)有機(jī)物質(zhì)在水槽中的滯留起到了積極的作用，防止了有機(jī)物質(zhì)大量流失。

(2)實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)不同區(qū)域有機(jī)物質(zhì)滯留比例。a、b、c、d四個(gè)縱向區(qū)域設(shè)4個(gè)流量，每組流量做9次實(shí)驗(yàn)，將滯留的有機(jī)物質(zhì)個(gè)數(shù)平均值除以參與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)物質(zhì)總數(shù)，得到實(shí)驗(yàn)水槽各個(gè)區(qū)域有機(jī)物質(zhì)滯留比例平均值，得到圖4和圖5。

圖4 人工樹葉在水槽內(nèi)各縱向區(qū)域滯留比例Fig.4 The retention ratio of artificial leaf in Each longitudinal area of experiment flume

圖5 木棍在水槽內(nèi)各縱向區(qū)域滯留比例Fig.5 The retention ratio of crabstick in Each longitudinal area of experiment flume

由圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，潛壩組的最大停留比例均出現(xiàn)在區(qū)域a，非潛壩組則不存在顯著的最大停留點(diǎn)。隨著區(qū)域沿水槽縱向方向上的變化，潛壩組人工樹葉滯留比例呈下降趨勢(shì)，非潛壩組人工樹葉滯留比例無明顯規(guī)律性變化。對(duì)木棍組而言，潛壩組與非潛壩組隨著區(qū)域沿水槽縱向方向上無明顯規(guī)律性變化。

(3)有機(jī)物的加權(quán)平均輸移距離。依照公式(1)計(jì)算得到各個(gè)流量工況下潛壩組與非潛壩組的加權(quán)平均輸移距離。詳見表2，并繪制圖6。

由表2可知潛壩組的加權(quán)平均輸移距離比非潛壩組小。由圖6分析得出，各流量工況下的潛壩組加權(quán)輸移距離均小于非潛壩組。對(duì)于人工樹葉而言，在流量較小時(shí)，潛壩組與非潛壩組加權(quán)平均輸移距離差異較大，隨著流量增大，兩者之間的差異逐漸縮小。相對(duì)于木棍而言，人工樹葉受流量的影響較大。在流量增大到一定程度時(shí)，人工樹葉的輸移距離高于木棍。

表2 有機(jī)物質(zhì)加權(quán)平均輸移距離 mTab.2 The weighted average transport distance of organic matter

圖6 有機(jī)物質(zhì)加權(quán)平均輸移距離Fig.6 The weighted average transport distance of organic matter

(4)有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)。依照公式(2)計(jì)算各個(gè)流量工況下潛壩組與非潛壩組各有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)的平均值，最后得到潛壩組與非潛壩組各有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)的差值。由于滯留系數(shù)數(shù)值較小，本文采用潛壩組與非潛壩組各有機(jī)物滯留系數(shù)比值體現(xiàn)兩者差異。依據(jù)表3，繪制圖7。

從表3可得出潛壩組的滯留系數(shù)有機(jī)物質(zhì)人工樹葉和木棍滯留系數(shù)平均值分別為0.12和0.14，非潛壩組的有機(jī)物質(zhì)人工樹葉和木棍滯留系數(shù)平均值為0.06和0.06，得到潛壩組和非潛壩組的人工樹葉滯留系數(shù)平均值的比值為1.99，木棍為2.35，由此可得出潛壩組的滯留系數(shù)要高于非潛壩組。由圖8分析，潛壩組與非潛壩組人工樹葉和非潛壩組木棍呈滯留系數(shù)隨著流量的增大均呈下降的趨勢(shì)，而潛壩組的木棍隨著流量是先增大后減小，在流量為1 000 L/h時(shí)，停滯幾率最大。

5 結(jié) 語

(1)通過統(tǒng)計(jì)縱向各區(qū)域有機(jī)物質(zhì)滯留比例得到：①生態(tài)潛壩能夠提高天然有機(jī)物質(zhì)在槽內(nèi)的滯留比例，降低其遺失比例；②隨著區(qū)域沿水槽縱向方向上的變化，潛壩組人工樹葉滯留比例呈下降趨勢(shì)，有機(jī)物的最大停留點(diǎn)出現(xiàn)在上游區(qū)域a；③在流量較小時(shí)，潛壩組與非潛壩組各縱向區(qū)域有機(jī)物質(zhì)滯留比例差異較大，隨著流量的增大，潛壩組與非潛壩組在同一縱向區(qū)域各有機(jī)物質(zhì)滯留比例差異縮小，由此可見，在流量較小時(shí)，生態(tài)潛壩對(duì)有機(jī)物質(zhì)滯留能力提高效果更明顯。

表3 有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)Tab.3 Retention coefficient of organic matter

圖7 有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)與流量關(guān)系圖Fig.7 The realationship of retention coefficient and flow of organic material

(2)通過有機(jī)物質(zhì)加權(quán)平均輸移距離分析得到：①潛壩組的加權(quán)平均輸移距離小于非潛壩組，且隨著流量的增大，兩者加權(quán)平均輸移距離差異逐漸變小。②由于木棍的尺寸和重量大于人工樹葉，木棍較易停留在河道內(nèi)，且停留的木棍能夠?yàn)槠渌袡C(jī)物質(zhì)提供停留場(chǎng)所，形成較密集的滯留群。

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