生态潜坝对河流有机物质滞留影响实验研究

岳珍珍，黄 伟，王玉蓉

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

人类为尽可能利用水力资源，把蜿蜒性河流改造成直线河流，河道断面采用梯形等几何规则断面，使河流流速增大，急流、缓流相间的格局消失，改变了深潭、浅滩交错的形式[1]，从而使河道的流态、生境栖息地及河道内有机物质滞留率降低，由此引发了一系列生态环境问题。因此，渠化河流的生态修复研究成为学者们关注的问题并取得了一定进展。然而，现有研究大多集中在河流生态修复技术的应用和设计，对河流生态修复效果和机理研究的文章很少。因此，本文以生态潜坝作为河流生态修复手段，生态潜坝的设置能够增加有机物质在模拟渠化河道内的滞留比例，使有机物质更多地停留在河流纵向各区域，降低其从水槽遗失比例，以天然有机物质输移滞留因子为评价河流生态系统功能性特征的指标研究其对河流生态系统功能的修复机理。

Rosport等通过水槽实验研究了生态潜坝的水力学特性，认为生态潜坝可以在坝体下游形成水流扰动，甚至冲刷出深潭，最终形成类似深潭浅滩的结构[2]。Abrahams采用生态潜坝对河床进行修复，证实生态潜坝通过增大水流阻力，缓解河床冲刷程度，能够增加河床底质形态的多样性[3]。Jong指出在渠化河道内布置生态潜坝，能够减缓过快流动的水流[4]。

国内研究者对生态潜坝也有一定的研究，如王兆印、徐江等人率先对生态潜坝在山区河流中产生的阶梯-深潭系统的生态学作用进行了研究，发现生态潜坝能够提高底栖动物的生物量[5]。

生态潜坝是一种利用圆木或块石在河道中横向修建的河道内栖息地修复结构，一般淹没在水体中，具有在潜坝上游形成深水区，在潜坝下游形成深潭，塑造多样性的地貌与水域环境，为水生生物提供庇护场所和多样的水力环境[6]。

1 实验装置

1.1 实验装置

实验装置由2组相同的实验水槽和一套供水装置组成。其中供水装置由水泵、供水管、浮子流量计和供水槽组成。开启供水装置，将供水槽蓄满，由引流管将水引入两组实验水槽，为实验水槽提供24 h不间断供水。实验水槽由储水池、玻璃水槽、挡水板和导水槽组成。储水池为边长0.5 m的正方体，水槽槽身长6 m、宽0.5 m，高0.4 m，坡度比为0.8%。为了保证两组实验水槽河床底质一致，采用细砂、粗砂、石英砂和鹅卵石均匀混合，然后将其铺设在模拟渠道底部，河床底质厚度约为5 cm。在水槽的出口处设置了高为0.09 m挡板，以免水流过快流失。详见图1。

1.2 实验分区

在2组实验水槽中，一组放置生态潜坝，从Q下游方向2 m处定位点A，并从A点开始，朝下游方向，以1 m为间隔，依次取点B、C、D。待各点标记完成后，在生态潜坝组水槽A、B、C、D四个位置放置生态潜坝。另一组作为对照组未布置生态潜坝，模拟未被修复的渠化河流。

将实验水槽沿着纵向方向划分为5个区域，选取实验水槽入水口Q下游1 m处作为起点，标记为点M。再将起点M至出水口Z之间的部分以1m的间隔划分为5个区域，并用字母a、b、c、d和e分别对每个区域进行编号，具体见图2。

图1 实验水槽纵向区域划分示意图(单位：cm)Fig.1 The deviceof experiment flume

图2 实验水槽纵向区域划分示意Fig.2 Vertical zoning of experiment flume

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

(1)人工树叶。实验场地所在河岸植物多为杨树，杨树树叶形状似正三角形且不透水，由于天然落叶易碎，形状和尺寸难以控制，故采用防水硬卡纸的人工树叶取代天然落叶。硬卡纸密度为200 g/m2。边长为3 cm和4 cm。图3为一组天然树叶和人工树叶的实物图。

图3 天然树叶和人工树叶Fig.3 Natural and artificial leaves

(2)木棍。由于人工木棍的模拟效果较差，有机物质滞留实验中的树枝滞留情况模拟选取由天然柳树树枝剪裁而成的小型木棍为代表。木棍整体的直径控制在0.5～0.6 cm之间，长度控制在5 cm左右。

2.2 实验方法

设定流量工况为1 200、1 000、800、600 L/h。在水槽上游起始点M处释放30份人工树叶或人工木棍，等待大约10 min，待槽内有机物质状态稳定一段时间后，分别记录在纵向a～e区域有机物质的数量，此过程大约为10 min。每组流量工况下实验重复9次。

3 计算参数

采用有机物质滞留系数评价有机物质的输移滞留趋势，确保结果的可信度。两者的计算方法如下所示。

(1)加权平均输移距离。加权平均输移距离由公式(1)计算得到：

(1)

(2)有机物质滞留系数。Speaker[7,8]等人指出天然有机物质在河道内的输移和滞留情况呈负指数形式分布，并拟合出计算河道有机物质输移滞留公式，如公式(2)所示：

k=-Ln(Lx/Li)/x

(2)

式中：x为距离有机物质释放起点的距离，m；Lx为在给定点x处滞留的有机物质数量,个；Li为在给定点释放有机物质的总量，个；x为有机滞留系数，它与每米停滞的有机物质数量相关， 越大代表有机物质停滞的几率越高[9,10]。

4 实验数据统计

(1)实验水槽内有机物质滞留与流失比例。分别将实验水槽中人工树叶和木棍滞留和遗失个数平均值除以有机物质总数，得到实验水槽有机物质滞留和遗失比例，计算所有实验工况下潜坝与非潜坝有机物质滞留与遗失比例平均值，用潜坝的有机物质滞留与遗失比例减去非潜坝组的，得到两者之间的差值，并得到表1。

表1 实验水槽内有机物的滞留与遗失比例 %Tab.1 The retention and loss ratio oforganic matter in experiment flume

对比有机物质潜坝组与非潜坝组有机物质滞留比例平均值，发现潜坝组的有机物质滞留比例要高于非潜坝组。潜坝组的有机物质遗失比例整体低于非潜坝组。潜坝组与非潜坝组有机物质木棍遗失比例差值(-24.5%)大于人工树叶(-9.8%)。

综合两组实验水槽有机物质滞留和遗失比例可得出，生态潜坝对有机物质在水槽中的滞留起到了积极的作用，防止了有机物质大量流失。

(2)实验水槽内不同区域有机物质滞留比例。a、b、c、d四个纵向区域设4个流量，每组流量做9次实验，将滞留的有机物质个数平均值除以参与实验的有机物质总数，得到实验水槽各个区域有机物质滞留比例平均值，得到图4和图5。

图4 人工树叶在水槽内各纵向区域滞留比例Fig.4 The retention ratio of artificial leaf in Each longitudinal area of experiment flume

图5 木棍在水槽内各纵向区域滞留比例Fig.5 The retention ratio of crabstick in Each longitudinal area of experiment flume

由图4和图5发现，潜坝组的最大停留比例均出现在区域a，非潜坝组则不存在显著的最大停留点。随着区域沿水槽纵向方向上的变化，潜坝组人工树叶滞留比例呈下降趋势，非潜坝组人工树叶滞留比例无明显规律性变化。对木棍组而言，潜坝组与非潜坝组随着区域沿水槽纵向方向上无明显规律性变化。

(3)有机物的加权平均输移距离。依照公式(1)计算得到各个流量工况下潜坝组与非潜坝组的加权平均输移距离。详见表2，并绘制图6。

由表2可知潜坝组的加权平均输移距离比非潜坝组小。由图6分析得出，各流量工况下的潜坝组加权输移距离均小于非潜坝组。对于人工树叶而言，在流量较小时，潜坝组与非潜坝组加权平均输移距离差异较大，随着流量增大，两者之间的差异逐渐缩小。相对于木棍而言，人工树叶受流量的影响较大。在流量增大到一定程度时，人工树叶的输移距离高于木棍。

表2 有机物质加权平均输移距离 mTab.2 The weighted average transport distance of organic matter

图6 有机物质加权平均输移距离Fig.6 The weighted average transport distance of organic matter

(4)有机物质滞留系数。依照公式(2)计算各个流量工况下潜坝组与非潜坝组各有机物质滞留系数的平均值，最后得到潜坝组与非潜坝组各有机物质滞留系数的差值。由于滞留系数数值较小，本文采用潜坝组与非潜坝组各有机物滞留系数比值体现两者差异。依据表3，绘制图7。

从表3可得出潜坝组的滞留系数有机物质人工树叶和木棍滞留系数平均值分别为0.12和0.14，非潜坝组的有机物质人工树叶和木棍滞留系数平均值为0.06和0.06，得到潜坝组和非潜坝组的人工树叶滞留系数平均值的比值为1.99，木棍为2.35，由此可得出潜坝组的滞留系数要高于非潜坝组。由图8分析，潜坝组与非潜坝组人工树叶和非潜坝组木棍呈滞留系数随着流量的增大均呈下降的趋势，而潜坝组的木棍随着流量是先增大后减小，在流量为1 000 L/h时，停滞几率最大。

5 结 语

(1)通过统计纵向各区域有机物质滞留比例得到：①生态潜坝能够提高天然有机物质在槽内的滞留比例，降低其遗失比例；②随着区域沿水槽纵向方向上的变化，潜坝组人工树叶滞留比例呈下降趋势，有机物的最大停留点出现在上游区域a；③在流量较小时，潜坝组与非潜坝组各纵向区域有机物质滞留比例差异较大，随着流量的增大，潜坝组与非潜坝组在同一纵向区域各有机物质滞留比例差异缩小，由此可见，在流量较小时，生态潜坝对有机物质滞留能力提高效果更明显。

表3 有机物质滞留系数Tab.3 Retention coefficient of organic matter

图7 有机物质滞留系数与流量关系图Fig.7 The realationship of retention coefficient and flow of organic material

(2)通过有机物质加权平均输移距离分析得到：①潜坝组的加权平均输移距离小于非潜坝组，且随着流量的增大，两者加权平均输移距离差异逐渐变小。②由于木棍的尺寸和重量大于人工树叶，木棍较易停留在河道内，且停留的木棍能够为其他有机物质提供停留场所，形成较密集的滞留群。

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[1] 徐国宾, 任晓枫. 河道渠化治理研究[J]. 水利水电科技进展, 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.阶梯-深潭的形成及作用机理[J].水利学报,2004,(10):48-55．

[6] 刘 瑛,高甲荣,冯泽深,等.利于河溪生物栖息环境生态工程述评[J].水土保持研究,2008，15(2)：256-259．

[7] Speaker R W, Luchessa K J, Franklin J F, et al. The use of plastic strips to measure leaf retention by riparian vegetation in a coastal Oregon stream[J]. American Midland Naturalist, 1988,120(1):22-31.

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

[10] Webster J R, Benfield E F, Golladay S W, et al. Experimental studies of physical factors affecting seston transport in streams[J]. Limnology and Oceanography, 1987,32(4):848-863.