生態(tài)潛壩對(duì)河流有機(jī)物質(zhì)滯留影響實(shí)驗(yàn)研究

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(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

人類(lèi)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)快流動(dòng)的水流[4]。

國(guó)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(méi)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(kāi)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(guò)快流失。詳見(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(shù)葉。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所在河岸植物多為楊樹(shù)，楊樹(shù)樹(shù)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(shù)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(shù)葉和人工樹(shù)葉的實(shí)物圖。

圖3 天然樹(shù)葉和人工樹(shù)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(shù)枝滯留情況模擬選取由天然柳樹(shù)樹(shù)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(shù)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(guò)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)葉滯留比例呈下降趨勢(shì)，非潛壩組人工樹(shù)葉滯留比例無(wú)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(wú)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(jiàn)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(shù)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(shù)葉受流量的影響較大。在流量增大到一定程度時(shí)，人工樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(yǔ)

(1)通過(guò)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(shù)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(jiàn)，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(guò)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(shù)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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