生態潛壩對河流有機物質滯留影響實驗研究

岳珍珍，黃 偉，王玉蓉

(1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065；2.中國水利水電科學研究院，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、淺灘交錯的形式[1]，從而使河道的流態、生境棲息地及河道內有機物質滯留率降低，由此引發了一系列生態環境問題。因此，渠化河流的生態修復研究成為學者們關注的問題并取得了一定進展。然而，現有研究大多集中在河流生態修復技術的應用和設計，對河流生態修復效果和機理研究的文章很少。因此，本文以生態潛壩作為河流生態修復手段，生態潛壩的設置能夠增加有機物質在模擬渠化河道內的滯留比例，使有機物質更多地停留在河流縱向各區域，降低其從水槽遺失比例，以天然有機物質輸移滯留因子為評價河流生態系統功能性特征的指標研究其對河流生態系統功能的修復機理。

Rosport等通過水槽實驗研究了生態潛壩的水力學特性，認為生態潛壩可以在壩體下游形成水流擾動，甚至沖刷出深潭，最終形成類似深潭淺灘的結構[2]。Abrahams采用生態潛壩對河床進行修復，證實生態潛壩通過增大水流阻力，緩解河床沖刷程度，能夠增加河床底質形態的多樣性[3]。Jong指出在渠化河道內布置生態潛壩，能夠減緩過快流動的水流[4]。

國內研究者對生態潛壩也有一定的研究，如王兆印、徐江等人率先對生態潛壩在山區河流中產生的階梯-深潭系統的生態學作用進行了研究，發現生態潛壩能夠提高底棲動物的生物量[5]。

生態潛壩是一種利用圓木或塊石在河道中橫向修建的河道內棲息地修復結構，一般淹沒在水體中，具有在潛壩上游形成深水區，在潛壩下游形成深潭，塑造多樣性的地貌與水域環境，為水生生物提供庇護場所和多樣的水力環境[6]。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置

實驗裝置由2組相同的實驗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驗水槽，為實驗水槽提供24 h不間斷供水。實驗水槽由儲水池、玻璃水槽、擋水板和導水槽組成。儲水池為邊長0.5 m的正方體，水槽槽身長6 m、寬0.5 m，高0.4 m，坡度比為0.8%。為了保證兩組實驗水槽河床底質一致，采用細砂、粗砂、石英砂和鵝卵石均勻混合，然后將其鋪設在模擬渠道底部，河床底質厚度約為5 cm。在水槽的出口處設置了高為0.09 m擋板，以免水流過快流失。詳見圖1。

1.2 實驗分區

在2組實驗水槽中，一組放置生態潛壩，從Q下游方向2 m處定位點A，并從A點開始，朝下游方向，以1 m為間隔，依次取點B、C、D。待各點標記完成后，在生態潛壩組水槽A、B、C、D四個位置放置生態潛壩。另一組作為對照組未布置生態潛壩，模擬未被修復的渠化河流。

將實驗水槽沿著縱向方向劃分為5個區域，選取實驗水槽入水口Q下游1 m處作為起點，標記為點M。再將起點M至出水口Z之間的部分以1m的間隔劃分為5個區域，并用字母a、b、c、d和e分別對每個區域進行編號，具體見圖2。

圖1 實驗水槽縱向區域劃分示意圖(單位：cm)Fig.1 The deviceof experiment flume

圖2 實驗水槽縱向區域劃分示意Fig.2 Vertical zoning of experiment flume

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

(1)人工樹葉。實驗場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。邊長為3 cm和4 cm。圖3為一組天然樹葉和人工樹葉的實物圖。

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，有機物質滯留實驗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，長度控制在5 cm左右。

2.2 實驗方法

設定流量工況為1 200、1 000、800、600 L/h。在水槽上游起始點M處釋放30份人工樹葉或人工木棍，等待大約10 min，待槽內有機物質狀態穩定一段時間后，分別記錄在縱向a～e區域有機物質的數量，此過程大約為10 min。每組流量工況下實驗重復9次。

3 計算參數

采用有機物質滯留系數評價有機物質的輸移滯留趨勢，確保結果的可信度。兩者的計算方法如下所示。

(1)加權平均輸移距離。加權平均輸移距離由公式(1)計算得到：

(1)

(2)有機物質滯留系數。Speaker[7,8]等人指出天然有機物質在河道內的輸移和滯留情況呈負指數形式分布，并擬合出計算河道有機物質輸移滯留公式，如公式(2)所示：

k=-Ln(Lx/Li)/x

(2)

式中：x為距離有機物質釋放起點的距離，m；Lx為在給定點x處滯留的有機物質數量,個；Li為在給定點釋放有機物質的總量，個；x為有機滯留系數，它與每米停滯的有機物質數量相關， 越大代表有機物質停滯的幾率越高[9,10]。

4 實驗數據統計

(1)實驗水槽內有機物質滯留與流失比例。分別將實驗水槽中人工樹葉和木棍滯留和遺失個數平均值除以有機物質總數，得到實驗水槽有機物質滯留和遺失比例，計算所有實驗工況下潛壩與非潛壩有機物質滯留與遺失比例平均值，用潛壩的有機物質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 實驗水槽內有機物的滯留與遺失比例 %Tab.1 The retention and loss ratio oforganic matter in experiment flume

對比有機物質潛壩組與非潛壩組有機物質滯留比例平均值，發現潛壩組的有機物質滯留比例要高于非潛壩組。潛壩組的有機物質遺失比例整體低于非潛壩組。潛壩組與非潛壩組有機物質木棍遺失比例差值(-24.5%)大于人工樹葉(-9.8%)。

綜合兩組實驗水槽有機物質滯留和遺失比例可得出，生態潛壩對有機物質在水槽中的滯留起到了積極的作用，防止了有機物質大量流失。

(2)實驗水槽內不同區域有機物質滯留比例。a、b、c、d四個縱向區域設4個流量，每組流量做9次實驗，將滯留的有機物質個數平均值除以參與實驗的有機物質總數，得到實驗水槽各個區域有機物質滯留比例平均值，得到圖4和圖5。

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

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

由圖4和圖5發現，潛壩組的最大停留比例均出現在區域a，非潛壩組則不存在顯著的最大停留點。隨著區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，非潛壩組人工樹葉滯留比例無明顯規律性變化。對木棍組而言，潛壩組與非潛壩組隨著區域沿水槽縱向方向上無明顯規律性變化。

(3)有機物的加權平均輸移距離。依照公式(1)計算得到各個流量工況下潛壩組與非潛壩組的加權平均輸移距離。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輸移距離均小于非潛壩組。對于人工樹葉而言，在流量較小時，潛壩組與非潛壩組加權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，人工樹葉的輸移距離高于木棍。

表2 有機物質加權平均輸移距離 mTab.2 The weighted average transport distance of organic matter

圖6 有機物質加權平均輸移距離Fig.6 The weighted average transport distance of organic matter

(4)有機物質滯留系數。依照公式(2)計算各個流量工況下潛壩組與非潛壩組各有機物質滯留系數的平均值，最后得到潛壩組與非潛壩組各有機物質滯留系數的差值。由于滯留系數數值較小，本文采用潛壩組與非潛壩組各有機物滯留系數比值體現兩者差異。依據表3，繪制圖7。

從表3可得出潛壩組的滯留系數有機物質人工樹葉和木棍滯留系數平均值分別為0.12和0.14，非潛壩組的有機物質人工樹葉和木棍滯留系數平均值為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隨著流量的增大均呈下降的趨勢，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，停滯幾率最大。

5 結 語

(1)通過統計縱向各區域有機物質滯留比例得到：①生態潛壩能夠提高天然有機物質在槽內的滯留比例，降低其遺失比例；②隨著區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，有機物的最大停留點出現在上游區域a；③在流量較小時，潛壩組與非潛壩組各縱向區域有機物質滯留比例差異較大，隨著流量的增大，潛壩組與非潛壩組在同一縱向區域各有機物質滯留比例差異縮小，由此可見，在流量較小時，生態潛壩對有機物質滯留能力提高效果更明顯。

表3 有機物質滯留系數Tab.3 Retention coefficient of organic matter

圖7 有機物質滯留系數與流量關系圖Fig.7 The realationship of retention coefficient and flow of organic material

(2)通過有機物質加權平均輸移距離分析得到：①潛壩組的加權平均輸移距離小于非潛壩組，且隨著流量的增大，兩者加權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，且停留的木棍能夠為其他有機物質提供停留場所，形成較密集的滯留群。

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[1] 徐國賓, 任曉楓. 河道渠化治理研究[J]. 水利水電科技進展, 2002,22(5):17-20.

[2] Rosport M. Hydraulics of steep mountain streams[J].International journal of sediment research, 1997,12(3):99-108.

[3] Abrahams A D, Li G, Atkinson J F. Step-pool streams: Adjustment to maximum flow resistance[J]. Water Resources Research, 1995,31(10):2 593-2 602.

[4] Jong M C Z, Cowx I G, Scruton D A. An evaluation of instream habitat restoration techniques on salmonid populations in a Newfoundland stream[J].RegulatedRivers-Research and Management, 1997,13(6):603-614.

[5] 徐 江, 王兆印.階梯-深潭的形成及作用機理[J].水利學報,2004,(10):48-55．

[6] 劉 瑛,高甲榮,馮澤深,等.利于河溪生物棲息環境生態工程述評[J].水土保持研究,2008，15(2)：256-259．

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[9] Schade J D, Fisher S G. Leaf litter in a Sonoran Desert stream ecosystem[J]. Freshwater Science, 1997,16(3):612-626.

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