生態(tài)潛壩措施下城市景觀河流有機(jī)物滯留效應(yīng)的物理模型試驗

石 寧

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

城市景觀河流既要考慮城市景觀也需要對河流的生態(tài)功能進(jìn)行綜合規(guī)劃。當(dāng)前，由于城市景觀河流渠化作用，使得河流的流速加大，而河流流速的加大，使得河流中的有機(jī)質(zhì)滯留效益降低，影響城市景觀河流的生態(tài)功能。近些年來，對于城市景觀河流生態(tài)功能的研究得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注[1-7]，其中生態(tài)潛壩成為當(dāng)前城市景觀河流生態(tài)功能改善的一種有效措施。但是生態(tài)潛壩如何設(shè)置才能使得城市景觀河流有機(jī)質(zhì)滯留比例達(dá)到最優(yōu)是當(dāng)前一個較難的科學(xué)問題。物理模型試驗的方式是解決此類問題既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的有效途徑[7-9]，為此本文結(jié)合物理模型試驗方式探討不同生態(tài)潛壩措施下有機(jī)物滯留和遺失比例，從而尋求最優(yōu)的城市景觀河流生態(tài)潛壩設(shè)置方式。

1 模型試驗方法

模型試驗有機(jī)質(zhì)材料采用樹葉木棍進(jìn)行鋪設(shè)，樹葉密度和寬度分別為400g/cm3和4cm，木棍的總體直徑在0.7～0.8cm之間。結(jié)合有機(jī)物質(zhì)滯留系數(shù)評價方程來對生態(tài)潛育壩下的有機(jī)質(zhì)滯留效應(yīng)進(jìn)行評價，有機(jī)質(zhì)加權(quán)平均運(yùn)移方程為：

(1)

國外學(xué)者針對有機(jī)質(zhì)傳輸呈現(xiàn)指數(shù)分布，進(jìn)行方程的擬合，擬合方程為：

k=-ln(Lx/Li)/x

(2)

式中，x—有機(jī)質(zhì)釋放的起點距離，m；Lx—有機(jī)質(zhì)滯留的比例，%；Li—有機(jī)質(zhì)遺失的比例，%；x—有機(jī)質(zhì)滯留評價系數(shù)。

2 試驗概況

在進(jìn)行模型試驗時，生態(tài)潛育壩在鋪設(shè)時考慮設(shè)定上、中、下游4個斷面，且考慮橫向范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)的滯留試驗，模型試驗工況如圖1所示。設(shè)定的來水量為400、500、600、700、800、1000L/h。在模型起點處主要釋放50份樹葉和人工木棍后，等待放水試驗30min后，待水面平穩(wěn)后，沿縱向和橫向斷面分析有機(jī)質(zhì)的數(shù)量，每次試驗時間為30min。

3 試驗結(jié)果

3.1 生態(tài)潛壩措施縱向范圍有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果

分析縱向4個斷面下生態(tài)潛壩有機(jī)質(zhì)的滯留結(jié)果，見表1、如圖2所示。

從縱向斷面滯留試驗結(jié)果可以看出，隨著斷面比降的加大，有機(jī)質(zhì)滯留的比例有所加大，而遺失比例有所減少，這主要是因為斷面比降的增加其流速有所增加，使得有機(jī)質(zhì)快速向下游流動，使得下游有機(jī)質(zhì)的滯留比例加大。樹棍相比于人工樹葉，其對有機(jī)質(zhì)滯留比例影響要大。從圖2中可以看出，從上到下斷面，縱向上兩種有機(jī)質(zhì)滯留比例的差值逐步加大。

圖1 物理模型試驗現(xiàn)場圖

圖2 各縱斷面有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果

3.2 生態(tài)潛壩下橫向范圍有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果

試驗分析橫向范圍內(nèi)生態(tài)潛壩措施下有機(jī)質(zhì)的滯留結(jié)果，見表2、如圖3所示。

從試驗結(jié)果可以看出，橫向范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)滯留比例不如縱向范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)滯留比例，相比于縱向斷面，橫向范圍滯留比例均值低15%，這主要是因為城市景觀河流橫向擴(kuò)散效應(yīng)不如其縱向擴(kuò)散效應(yīng)。且從圖3中可看出，兩種有機(jī)質(zhì)在生態(tài)潛壩措施下的差值大于其縱向范圍內(nèi)的差值。

表1縱向斷面有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果單位：%

表2橫向范圍各區(qū)域有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果單位：%

3.3 不同流量下生態(tài)潛壩措施下的有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果

試驗分析不同流量下生態(tài)潛壩措施下有機(jī)質(zhì)滯留試驗，試驗結(jié)果見表3、如圖4所示。

表3 不同流量條件下生態(tài)潛壩措施下有機(jī)質(zhì)滯留系數(shù)結(jié)果

從試驗結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)，河流中水量的增加，其對縱向斷面有機(jī)質(zhì)滯留的影響比例較小，達(dá)到20%，而對橫向范圍內(nèi)的有機(jī)質(zhì)滯留影響比例較高，達(dá)到60%，因此在城市景觀河流中設(shè)置生態(tài)潛壩進(jìn)行有機(jī)質(zhì)滯留時，在豐水期，應(yīng)重點考慮橫向范圍內(nèi)的有機(jī)質(zhì)滯留，而在枯水期時，重點考慮縱向范圍的有機(jī)質(zhì)的滯留效應(yīng)。

圖3 不同橫向范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)滯留試驗結(jié)果

圖4 不同流量條件下生態(tài)潛壩措施下的有機(jī)質(zhì)滯留系數(shù)對比結(jié)果

4 結(jié)語

(1)隨著斷面縱向比降的加大，相比于非生態(tài)潛壩措施，生態(tài)潛壩措施下有機(jī)質(zhì)的滯留比例有所增加，平均運(yùn)移的距離加長，因此在城市景觀河流生態(tài)潛壩設(shè)置中，應(yīng)重點考慮上、中、下比降較大的區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，可實現(xiàn)城市景觀河流生態(tài)功能的優(yōu)化。

(2)隨著河流水量的加大，其有機(jī)質(zhì)滯留的系數(shù)逐漸加大，比較容易在其局部形成密集的有機(jī)質(zhì)群。