趙 波

(遼寧澤龍水利實業(yè)有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

近些年來，河流生態(tài)系統(tǒng)主要從水生植物種植、生物多樣性指數(shù)以及河流水環(huán)境改善進行修復和保護[1]。其中水生植物不但可增加河流的生態(tài)景觀，還可對其河流水質(zhì)進行凈化，在許多流域生態(tài)修復中得到應(yīng)用[2-6]。但是水生植物的一個局限在于其植物高度對水流過水能力有所影響，從而會在一定程度上影響河流的行洪能力。此外有研究表明，水生植物的類型對水流流速也有較為明顯的影響[7-15]。遼河中下游段為典型的平原地區(qū)，區(qū)域濕地類型較為明顯，為對遼河流域濕地進行有效生態(tài)保護，亟需對其生態(tài)保護措施進行分析，從而規(guī)劃和設(shè)計遼河流域濕地生態(tài)保護方案?？紤]到水生植物對其水流特征的影響，文章采用室內(nèi)試驗的方式，對不同水生植物布設(shè)高度方案以及植物類型下的水流特性進行觀測，從而探討遼河流域生態(tài)濕地水生植物適宜栽種高度以及栽種類型。研究成果可為遼河流域生態(tài)濕地的合理規(guī)劃提供重要的依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 水生植物設(shè)計方案

本次研究在遼寧省水科院的室內(nèi)試驗室進行不同水生植物高度和類型下的水流特征的分析，共設(shè)置沿程流速觀測斷面10個，為穩(wěn)定不同設(shè)計方案下的水流流態(tài)，在前端設(shè)置2個過渡斷面，主要采用4組觀測試驗，各試驗植物高度分別為0～15cm，各試驗組別間的植物的間距為50cm，不同類型植物之間的間隔寬度為25cm，植物密度為300～450株/m2，水生植物設(shè)計方案見表1。在各斷面均布設(shè)有流速觀測點，為保持試驗水流特性接近天然濕地的水流條件，對4組試驗水流特性參數(shù)進行設(shè)定，水流特性參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表2。

表1 水生植物高度設(shè)計方案

表2 水流特性試驗方案

1.2 指標分析方法

水生植物對水流影響的拖拽性系數(shù)計算方程為

(1)

式中，Cm—慣性比；ρ—水流密度，g/cm3；A0—過水斷面面積，cm2；d—植物葉面寬度，cm；U—流速，cm/s。

水流紊能計算方程為

(2)

2 試驗結(jié)果

2.1 水生植物高度對水力學指標的影響

對遼河生態(tài)濕地4種主要類型植物下不同栽種高度進行水力學指標分析，各水力學指標見表3。

表3 不同水生植物類型下的水力學試驗指標分析

從分析結(jié)果可看出，不同類型濕地生態(tài)植物下植物高度的水力學特征存在較為明顯的差異度，隨著水生植物栽植高度的增加，其水力半徑逐步增大，水力半徑是一個主要表征斷面過水能力的指標，水力半徑越大，其斷面過水能力越高，因此相比于相同的栽種密度而言，水生植物的栽種高度對其過水能力有所影響。此外，從雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)來看，不同類型水生植物栽種高度下的雷諾數(shù)總體在581.22到903.33之間變化，雷諾數(shù)是主要表征水流流動特征的無量綱值，雷諾數(shù)越小，表示其水流的黏聚力越低，水流流動的阻力越小，從試驗分析結(jié)果可看出，水生植物高度越高，其對水流的阻力也相應(yīng)較大。弗汝德數(shù)是主要表征水流慣性力的重要參數(shù)，弗汝德數(shù)越高，其水流慣性力越強，水流對濕地的沖刷作用越明顯。從試驗分析結(jié)果可看出，各試驗類型水生植物下植物高度越高，其弗汝德數(shù)越大，表明對濕地沖刷越大。

2.2 植物葉面類型對水力學影響分析

對不同植物類型下的水力學指標進行試驗分析，分析結(jié)果見表4。

表4 不同水生植物類型下的水力學指標分析結(jié)果

從試驗分析結(jié)果可看出，植物葉面類型對水流水力學指標的影響也較為顯著，從各植物類型可看出，隨著植物類型的變化，其試驗組序下的水力半徑總體在0.0189到0.0625下變化，大草的水力半徑要小于無草類型下的水力半徑，這主要是因為隨著植物高度的增加，其雷諾數(shù)有所提高，而雷諾數(shù)增加后，其水流的阻力相應(yīng)增加，使得其水流的過水能力相應(yīng)減少，因此其水力半徑也相應(yīng)減小。從各植物類型下的弗汝德數(shù)變化結(jié)果可看出，大草類型對水流慣性力影響有所減少，因此從無草類型對大草類型，其弗汝德數(shù)也相應(yīng)增加，水流的慣性力增加，大草類型在一定程度上增加了水流對濕地的沖刷影響。

2.3 植物葉面類型對其流速分層影響分析

在水生植物栽種高度以及植物類型分析的基礎(chǔ)上，對其不同植物類型下的流速分層進行試驗分析，分析結(jié)果見表5。

表5 不同植物葉面類型下的流速分層影響試驗結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，各植物類型下的流速分層存在較為明顯的差異，大草類型下的水流流速分層影響較為顯著，而無草類型下對其濕地流速分層影響較小，中草和小草類型下相對于大草類型下的流速分層影響程度較小，隨著試驗流量的增加，不同植物類型下的縱向流速分布具有相似性，在水流縱向方向上，其流速逐步減小，植物流速影響也逐步減小，當水生植物栽種高度為10～15cm時，植物阻水現(xiàn)象明顯，沿程衰減系數(shù)為0.1～0.5，通過試驗測定當水深為6～8cm時，流速遞減率最小，對水流影響程度相對較小，為各類型水生植物的適宜種植水深。中、小草植物類型對濕地表流速影響顯著，而大草類型對其底部流速影響明顯，且流速垂向遞增變化較大。

3 結(jié)論

(1)在遼河生態(tài)濕地水生植物栽種過程中，建議以中、小草栽種高度在距離表層水面的深度為4～6cm較適宜，大草栽種高度建議距離表層水面的深度為10～15cm適宜，在保持濕地生態(tài)效應(yīng)的同時降低水流沖刷和阻水影響。

(2)植物類型對水流流速分層產(chǎn)生一定程度的影響，但影響程度不高，主要影響集中在縱向4～5cm范圍內(nèi)，其分層流速影響逐步減小，因此在進行遼河濕地水生植物布設(shè)時，可不考慮其水生植物對其流速分層影響。

(3)植物栽種密度對水流影響也較高，文章還未涉及，在以后研究中需要對其最優(yōu)種植面積進行探討。