李海福，王鐵良，程 健，蘇芳莉

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽110161；2. 遼寧雙臺河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，遼寧盤錦124112；3.遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，沈陽110161）

隨著生態(tài)工程的日益興起，一種污水生態(tài)凈化技術(shù)——生態(tài)浮島技術(shù)逐漸受到人們的重視。生態(tài)浮島是一種長有水生植物或陸生植物、可為野生生物提供生境的飄浮島，主要由浮島基質(zhì)、植物和固定系統(tǒng)組成[1]。最早研究浮島技術(shù)的是美國生態(tài)學(xué)家GURNEY，他于1971 年發(fā)表的加拿大雁水上漂浮式人工巢論文，成為了生態(tài)浮島研究的先鋒[2]。1979 年由德國BESTMAN 公司開發(fā)的SchwimmkamPen 成為當(dāng)代最早的生物浮島（又名人工浮床）[3]，推動了生態(tài)浮島技術(shù)在地表水體污染控制和生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用研究[4-5]。CHANG 等[6]根據(jù)不同區(qū)域的污染特征采用適宜的材料構(gòu)建生態(tài)浮島，用于污染水體的凈化。針對養(yǎng)魚池的水體污染穩(wěn)定，牛天新等[7]構(gòu)建了一種以PVC 為骨架，塑料盆和海綿為固定體的組合式生態(tài)浮島，種植空心菜吸收水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)。針對景區(qū)水體流動交換量小實際情況，楊文煥等[8]采用高密度聚乙烯空心塑料基盤構(gòu)建生態(tài)浮島，種植水生植物營造水體景觀，凈化景區(qū)水體的污染。同時，張澤西等[9]采用聚苯乙烯纖維編織了無邊框多孔浮島的模式實驗，分析不同水生植物的水質(zhì)凈化能力?？琢顬榈萚10]對不同材料形式的浮島凈化效果進(jìn)行了研究，認(rèn)為添加絲瓜絡(luò)、玉米芯的浮島強化了浮島栽植基質(zhì)的脫氮除磷效果，凈化效果明顯高于單純的PVC 框體植物浮島和板式植物浮島。為增強浮島的基質(zhì)微生物對水體的凈化功能，王金旺等[11-12]構(gòu)建新型的生態(tài)膜載體生態(tài)浮島和輔以微生物固定化技術(shù)和曝氣充氧技術(shù)的組合浮島系統(tǒng)，經(jīng)靜態(tài)模擬試驗研究顯示，新型生態(tài)浮島有效提高了污染水體總氮和總磷的去除率?；谖叫圆牧系囊环N由黃花鳶尾、塑料浮板、改良型火山石填料、活性炭網(wǎng)組成的組合型生態(tài)浮島的模擬研究表明，組合型生態(tài)浮島可有效提高浮島自身的水體凈化能力[13]。

綜上，相關(guān)生態(tài)浮島的研究已有很多成功的案例和經(jīng)驗，并在國內(nèi)外眾多湖泊、池塘和河流廣泛應(yīng)用了生態(tài)浮島技術(shù)[14-15]，且表現(xiàn)出良好的水質(zhì)凈化功能[6]。但是已有研究大多以模擬試驗，或以養(yǎng)魚池、湖泊、小河流等水流流速較小及流態(tài)穩(wěn)定的水域開展相關(guān)研究，忽略了實際河流在流態(tài)復(fù)雜條件下，生態(tài)浮島極易被損毀而喪失浮島的水體凈化功能，缺乏對于多變水體條件下的生態(tài)浮島穩(wěn)定性能的研究。本研究以遼河實際水文資料為基礎(chǔ)，通過試驗?zāi)M研究不同流速作用下不同類型生態(tài)浮島的穩(wěn)定性，篩選出適合于復(fù)雜水體條件下的生態(tài)浮島類型，為遼河干流及相關(guān)水系河流景觀生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供技術(shù)支持，豐富生態(tài)浮島研究理論。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究以遼河干流實際水文資料為基礎(chǔ)，在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利綜合實驗基地構(gòu)建生態(tài)浮島模擬研究裝置。浮島載體采用高密度聚苯乙烯泡沫，密度18g·cm-3，不含揮發(fā)性有害物質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019 年6 月末至9 月在生態(tài)浮島模擬試驗裝置內(nèi)進(jìn)行。試驗裝置基礎(chǔ)埋深為漿砌石，地上為磚砌結(jié)構(gòu)。試驗池長2m，寬1m，深1m，共9 個，作為生態(tài)浮島的模擬水域。本研究設(shè)置3.23、5.23、6.83m·s-1共3 個流速，沉墜式、索道式、立樁式3種固定方式，共計9組試驗。

1.3 方法

1.3.1 浮島載體模型 浮島載體采用聚苯乙烯泡沫，載體長50cm，寬30cm，高10cm。在距離載體泡沫邊緣5cm 處挖6個上口徑7cm，下口徑5cm 的植物栽植錐形圓孔，與植物栽植盆尺寸一致，在載體外圍用廢舊自行車胎做一保護(hù)圈，防止泡沫被刮碰破壞，且方便繩索的連接與固定。用寬2cm 的纖維扁繩將保護(hù)圈和載體一起交叉綁定，避免保護(hù)圈掉落。浮島載體模型見圖1。

圖1 浮島載體模型Figure 1 The model of floating island carrier

1.3.2 流速模擬 流速模擬設(shè)備主要由水泵（額定抽水量15m3·h-1）、5cm 口徑PPR 管、軟膠皮管、閥門、小量程壓力表（最大量程0.4MPa）組成。水泵是整個設(shè)備的水流控制中心，實現(xiàn)水的循環(huán)，避免水資源的浪費；PPR 管是水流的輸送通道；軟膠皮管用于水泵與PPR 管的連接和PPR 管末端的導(dǎo)流；閥門是流速調(diào)節(jié)中心，通過控制流量實現(xiàn)流速調(diào)節(jié)；壓力表是用于顯示不同流速的水壓力指數(shù)。流速率定結(jié)果見表1，試驗?zāi)M裝置見圖2。

圖2 流速模擬裝置Figure 2 The simulator of flow

表1 流速率定結(jié)果Table 1 Calibration result of flow velocity

1.3.3 浮島固定方式 本研究根據(jù)遼河干流實際建設(shè)條件，設(shè)計了沉墜式、索道式、立樁式3 種固定方式，在試驗過程中考慮到實際河流中水位越高，流速和流量隨之越大的實際情況，按最不利因素確定在試驗過程中所有試驗池水深均保持在0.8m。（1）沉墜式浮島。沉墜式浮島布設(shè)在1～3 號池，采用防風(fēng)化能力較強的4 根纖維繩固定（繩子有效長度1.15m）。將浮島載體放置于池子水面中央，每根繩子的一端綁定在浮島載體保護(hù)圈的四角，另一端分別綁定到4 個重3kg 的矩形混凝土沉墜上，置于試驗池的四角，使連接浮島和沉墜的繩子剛好繃直。（2）索道式浮島。索道式浮島布設(shè)在4～6 號池，鑒于施工和取料方便，布設(shè)前在4～6 號池池壁兩側(cè)預(yù)埋長2m，截面積為5cm×10cm的方形木樁8根，其中地下埋深1m，地上預(yù)留1m。然后在兩個木樁之間沿池壁（長邊方向）拉一條鐵絲（20#），作為固定浮島的索道，并在索道沿池子的兩個短邊方向各做一個鐵絲扣。將浮島放置在池子水面中央，各用一根纖維繩綁定在保護(hù)圈四角，另一端分別綁定在索道的鐵絲扣上，避免繩索滑動。（3）立樁式浮島。立樁式浮島布設(shè)在7～9號池，同理，布設(shè)前在7～9號池池壁兩側(cè)預(yù)埋長3m，截面積為5cm×10cm的方形木8根，其中地下埋深1m，地上預(yù)留2m，作為固定浮島的立樁。立樁布設(shè)完成后，將浮島放置在池子水面中央，各用一根纖維繩綁定在保護(hù)圈四角，另一端分別綁定在立樁地上1.5m處并固定。

1.3.4 數(shù)據(jù)采集與分析（1）浮島穩(wěn)定性指標(biāo)選擇。試驗設(shè)計對不同流速作用下浮島穩(wěn)定性進(jìn)行評價，選擇浮島的縱向位移（長邊方向）、橫向位移（短邊方向）和垂直浮動位移（浮島隨水面上下擺動大?。? 個指標(biāo)作為評價體系。（2）指標(biāo)測定與分析?？v向、橫向和垂直浮動位移觀察分別利用安裝在浮島右側(cè)、后端、左側(cè)的指針（用鐵絲制成）變動所對應(yīng)的水平固定于縱向、橫向池壁和豎直水面固定于左側(cè)池壁的觀測尺讀數(shù)觀察并記錄。觀測尺量程為1m，精度0.01m。數(shù)據(jù)觀測采用高像素數(shù)碼相機的連拍功能拍攝記錄，試驗開始前，先記錄指針的起始位移，開始試驗后每60s依次拍攝縱向、橫向和垂直浮動位移一次，共拍攝5 次，然后靜置至浮島不再擺動（約5min），做重復(fù)試驗，每次試驗重復(fù)3次，數(shù)據(jù)采集方法相同。相機的采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機判讀輸出，經(jīng)不同流速作用下力學(xué)分析、浮島位移變化分析及綜合穩(wěn)定分析確定不同固定方式浮島的穩(wěn)定性，篩選出最適宜的生態(tài)浮島類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同流速條件下浮島力學(xué)穩(wěn)定性分析

2.1.1 受力分析（1）空間受力分解。沉墜式生態(tài)浮島空間受力分解見圖3～圖5。（2）力學(xué)解析。由圖3沉墜式浮島空間受力分析圖得：

圖3 沉墜式浮島空間受力分析Figure 3 Space force analysis of sinking floating island

由圖4浮島水平方向受力分析圖得：

圖4 浮島水平方向空間受力分析Figure 4 Horizontal force analysis of floating island

由式（4）得：

由圖5沉墜式浮島垂直方向受力分析圖得：

圖5 沉墜式浮島垂直方向受力分析Figure 5 Vertical force analysis of sinking type

由式（6）得：

同理，索道式和立樁式浮島垂直方向受力分析結(jié)果見式（8）。

2.1.2 不同浮島繩索拉力分析 由于本研究旨在討論不同流速作用下不同浮島的穩(wěn)定性分析，故浮島繩索拉力采用式（5）計算。

（1）不同流速作用下的水流沖力。水流沖力采用恒定總流動量式（9）進(jìn)行計算：

對水流噴出管道沖擊到浮島的全部水體作為控制體，沿水平方向取X軸，得到X方向的動量方程：

在試驗過程中為減少能量損失，輸水管道末端與浮島始終保持在5cm以內(nèi)，故在水流沖力的計算中不計能量損失，由能量方程得V1=V2=V，流速在X 軸上的投影V1X=V、V2X= 0 。分析控制體受力，由于水流沖擊到浮島后，周界及轉(zhuǎn)向后的水流方向表面都處在大氣中，可認(rèn)為浮島水流接觸表面的動水壓強等于大氣壓強，故動水壓P1=P2= 0。不計水流與空氣、水流與浮島見的摩擦阻力。重力G與X 軸垂直，Gx= 0。設(shè)浮島作用于水流的反力為R→，方向相反，取β1=β2= 1.0，得：

故當(dāng)V=6.83m·s-1時，F(xiàn)沖= 46.41N；當(dāng)V=5.23m·s-1時，F(xiàn)沖= 27.21N；當(dāng)V=3.23m·s-1時，F(xiàn)沖= 10.38N。

（2）不同流速下的繩索拉力。根據(jù)試驗時的實測數(shù)據(jù)和角度換算，在不同流速作用下不同浮島類型固定繩索與水面的夾角α和繩索垂直投影與池壁的夾角β平均值見表2。

表2 不同流速條件下生態(tài)浮島繩索角度變化結(jié)果Table 2 Analysis of the angle change of the ecological floating island rope under different flow rates

將實測角度數(shù)據(jù)α、β和不同流速作用下的水流沖力F沖帶入式（5），得不同流速作用下不同浮島類型的繩索拉力（圖6）。由圖6 可知，在不同流速作用下不同浮島繩索拉力理論計算值與實測值變化規(guī)律一致，在6.83m·s-1水流條件下，浮島理論繩索拉力立樁式較索道式增加12.69%，沉墜式較立樁式增加17.52%；浮島實測繩索拉力立樁式較索道式增加84.37%，沉墜式較立樁式增加314.41%，浮島繩索拉力總體呈索道式＜立樁式＜沉墜式。在5.23m·s-1水流速條件下，浮島理論繩索拉力立樁式較索道式增加14.13%，沉墜式較立樁式增加21.87%；浮島實測繩索拉力立樁式較索道式增加107.59%，沉墜式較立樁式增加359.15%，浮島繩索拉力總體呈索道式＜立樁式＜沉墜式。在3.23m·s-1水流條件下，浮島理論繩索拉力立樁式較索道式增加12.52%，沉墜式較立樁式增加32.34%；浮島實測繩索拉力立樁式較索道式增加103.45%，沉墜式較立樁式增加244.07%，繩索拉力總體呈索道式＜立樁式＜沉墜式。綜合來看，在不同流速作用下，浮島理論繩索拉力立樁式平均較索道式增加13.12%，沉墜式平均較立樁式增加23.91%；浮島實測拉力立樁式平均較索道式增加98.47%，沉墜式平均較立樁式增加305.87%。結(jié)果表明，不同類型浮島在不同流速作用下索道式浮島穩(wěn)定性優(yōu)于立樁式，立樁式優(yōu)于沉墜式，沉墜式穩(wěn)定性較差。

圖6 不同固定方式生態(tài)浮島繩索拉力變化結(jié)果Figure 6 Analysis of rope pulling force of the ecological floating islands with different fixing modes

2.2 不同流速條件下浮島穩(wěn)定性綜合分析

2.2.1 浮島位移變化 由圖7可知，（1）對浮島橫向位移，在3.23m·s-1水流作用下，浮島橫向位移沉墜式較索道式減小8.67%，立樁式較沉墜式減小75.15%，浮島橫向位移總體呈立樁式＜沉墜式＜索道式，即立樁式浮島最為穩(wěn)定，沉墜式次之，索道式較不穩(wěn)定；在5.23m·s-1水流作用下，浮島橫向位移索道式較沉墜式減小9.25%，立樁式較索道式減小39.78%，浮島橫向位移總體呈立樁式＜索道式＜沉墜式，即立樁式浮島最為穩(wěn)定，索道式浮島次之，沉墜式浮島較不穩(wěn)定；在6.83m·s-1水流作用下，浮島橫向位移索道式較沉墜式減小42.59%，立樁式較索道式減小15.95%，浮島橫向位移總體呈立樁式＜索道式＜立樁式，即立樁式浮島最為穩(wěn)定，索道式浮島次之，沉墜式浮島較不穩(wěn)定。（2）對浮島縱向位移，在3.23m·s-1水流作用下，浮島縱向位移索道式較沉墜式減小15.59%，立樁式較沉墜式減小63.35%，浮島縱向位移總體呈立樁式＜索道式＜沉墜式，即立樁式浮島最為穩(wěn)定，索道式次之，沉墜式較不穩(wěn)定；在5.23m·s-1水流作用下，浮島縱向位移立樁式較沉墜式減小73.61%，索道式較立樁式減小5.98%，浮島縱向位移總體呈索道式＜立樁式＜沉墜式，即索道式浮島較為穩(wěn)定，立樁式浮島次之，沉墜式浮島較不穩(wěn)定；在6.83m·s-1水流作用下，浮島橫向位移索道式＜立樁式＜沉墜式，即索道式浮島較為穩(wěn)定，立樁式次之，沉墜式較不穩(wěn)定。（3）對浮島垂直浮動位移，在3.23m·s-1和5.23m·s-1水流作用下，3 種固定方式的浮島垂直浮動位移大小基本一致，即3 種固定方式的浮島穩(wěn)定性無明顯差別；在6.83m·s-1水流作用下，浮島垂直浮動位移索道式小于立樁式和沉墜式，沉墜式略小于立樁式，即索道式穩(wěn)定性優(yōu)于立樁式和沉墜式，沉墜式穩(wěn)定性略優(yōu)于立樁式。綜合分析顯示，在不同流速作用下，浮島橫向位移索道式平均較沉墜式減小14.39%，立樁式平均較索道式減小44.28%；浮島縱向位移索道式平均較沉墜式減小55.17%，立樁式平均較沉墜式減小63.16%，索道式平均較立樁式減小20.18%，總體表現(xiàn)出索道式和立樁式浮島穩(wěn)定性優(yōu)于沉墜式。

圖7 浮島穩(wěn)定性分析圖Figure 7 Stability analysis of floating island

2.2.2 浮島穩(wěn)定性分析 為進(jìn)一步分析明確不同固定方式浮島的穩(wěn)定性，篩選出最為適宜的生態(tài)浮島類型，本研究基于上述位移變化分析結(jié)果進(jìn)行了經(jīng)多變量雙因素方差分析，結(jié)果表明在0.05 的顯著性水平下，不同流速對浮島縱向、橫向、垂直浮動位移的影響均很顯著（p值均為0.000），說明流速變化是影響浮島穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，不同固定方式對浮島縱向、橫向、垂直浮動位移的影響均很顯著（p值均為0.000），說明不同固定方式的浮島穩(wěn)定性差異顯著。不同固定方式和不同流速綜合影響對浮島縱向、橫向、垂直浮動位移的交互效應(yīng)均很顯著（p值均為0.000），說明不同固定方式的浮島在不同流速作用下穩(wěn)定性存在顯著的差異，因此需對方差分析結(jié)果進(jìn)行深入分析確定不同固定方式浮島的穩(wěn)定性差異。

基于方差分析結(jié)果，對每一組合水平( )Ai,Bj上的觀測數(shù)據(jù)，求其樣本均值作為每組水平上的總體均值的估計值，利用置信度不小于95% 的Bonferroni 同時置信區(qū)間對其均值做多重比較分析。Bonferroni 同時置信區(qū)間分析結(jié)果見表3。由表3可知，（1）對浮島縱向位移，在3.23m·s-1流速作用下，沉墜式和索道式固定方式對縱向位移的影響較立樁式固定方式顯著，沉墜式和索道式固定方式對縱向位移的影響無顯著差異；在5.23m·s-1流速作用下，沉墜式和索道式固定方式對縱向位移的影響均比立樁式固定方式顯著，沉墜式和索道式固定方式對縱向位移的影響無顯著差異；在6.83m·s-1流速條件下，沉墜式固定方式對縱向位移的影響比索道式和立樁式固定方式顯著，索道式固定方式對縱向位移的影響比立樁式固定方式顯著。（2）對浮島橫向位移，在3.23m·s-1流速作用下，沉墜式和索道式固定方式對橫向位移的影響均顯著于立樁式，而沉墜式和索道式固定方式對橫向位移的影響無顯著差異；在5.23m·s-1流速作用下，沉墜式固定方式對浮島橫向位移的影響顯著于索道式和立樁式固定方式，而索道式和立樁式固定方式對浮島橫向位移的影響無顯著差異；在6.83m·s-1流速作用下，沉墜式固定方式對浮島橫向位移的影響顯著于索道式和立樁式固定方式，而立樁式固定方式對浮島橫向位移的影響顯著于索道式固定方式。（3）對浮島垂直浮動位移，在3.23，5.23，6.83m·s-1流速作用下，3 種固定方式的浮島垂直浮動位移均無顯著差異。由縱向、橫向、垂直浮動位移3個指標(biāo)整體分析表明，在不同流速作用下，浮島穩(wěn)定性索道式優(yōu)于立樁式，立樁式優(yōu)于沉墜式。

表3 Bonferroni同時置信區(qū)間分析結(jié)果Table 3 Results of Bonferroni simultaneous confidence interval

3 討論與結(jié)論

生態(tài)浮島作為漂浮于水面的物理綜合體，在水流作用下，浮島受自身重力和繩索牽引手里受力影響外，還受水體自身的作用影響[16]。浮島在模擬水流作用下，牽引繩索主要受水流沖擊力、浮島重力和浮力影響，同時受反方向水體阻力影響造成水體沖擊力能量的損失[17-18]。因此，本研究對不同流速作用下各類型浮島伸縮拉力的分析顯示，因水流沖擊力在作用于浮島載體后，能量出現(xiàn)了損失，引起伸縮拉力實測值較理論計算值小。經(jīng)對觀測數(shù)據(jù)的多重比較分析表明，不同固定方式的浮島在不同流速作用下穩(wěn)定性存在明顯差異。從浮島縱向位移變化量來看浮島穩(wěn)定性立樁式優(yōu)于索道式，索道式優(yōu)于沉墜式；從浮島橫向位移變化量來看，浮島穩(wěn)定性索道式優(yōu)于立樁式，立樁式優(yōu)于沉墜式；從浮島垂直浮動位移變化量來看，3 種固定方式浮島差異不大。研究結(jié)果與相關(guān)學(xué)者關(guān)于生態(tài)浮島穩(wěn)定性篩選的研究結(jié)果一致[19-20]，認(rèn)為不同固定方式浮島總體上索道式和立樁式浮島穩(wěn)定性優(yōu)于沉墜式。

根據(jù)不同類型生態(tài)浮島受力分析顯示，不同浮島類型在在不同流速作用下生態(tài)浮島繩索拉力總體表現(xiàn)為索道式＜立樁式＜沉墜式，說明索道式浮島穩(wěn)定性優(yōu)于立樁式，立樁式優(yōu)于沉墜式，沉墜式穩(wěn)定性較差。根據(jù)橫向、縱向和垂向生態(tài)浮島位移變化量及多重比較分析結(jié)果，浮島位移變化量總體上表現(xiàn)出索道式和立樁式在不同流速作用下總體小于沉墜式，浮島穩(wěn)定性索道式和立樁式優(yōu)于沉墜式。綜合不同固定方式生態(tài)浮島受力、位移及穩(wěn)定性分析顯示，生態(tài)浮島穩(wěn)定性索道式優(yōu)于立樁式，立樁式優(yōu)于沉墜式。因此本研究推薦索道式浮島作為遼河干流生態(tài)浮島試驗建設(shè)的理想類型，立樁式浮島作為備選類型，沉墜式浮島不適合應(yīng)用于流態(tài)復(fù)雜的大河流。