不同植物类型及高度对辽河流域生态湿地水力学的影响

赵 波

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

近些年来，河流生态系统主要从水生植物种植、生物多样性指数以及河流水环境改善进行修复和保护[1]。其中水生植物不但可增加河流的生态景观，还可对其河流水质进行净化，在许多流域生态修复中得到应用[2-6]。但是水生植物的一个局限在于其植物高度对水流过水能力有所影响，从而会在一定程度上影响河流的行洪能力。此外有研究表明，水生植物的类型对水流流速也有较为明显的影响[7-15]。辽河中下游段为典型的平原地区，区域湿地类型较为明显，为对辽河流域湿地进行有效生态保护，亟需对其生态保护措施进行分析，从而规划和设计辽河流域湿地生态保护方案。考虑到水生植物对其水流特征的影响，文章采用室内试验的方式，对不同水生植物布设高度方案以及植物类型下的水流特性进行观测，从而探讨辽河流域生态湿地水生植物适宜栽种高度以及栽种类型。研究成果可为辽河流域生态湿地的合理规划提供重要的依据。

1 试验方法

1.1 水生植物设计方案

本次研究在辽宁省水科院的室内试验室进行不同水生植物高度和类型下的水流特征的分析，共设置沿程流速观测断面10个，为稳定不同设计方案下的水流流态，在前端设置2个过渡断面，主要采用4组观测试验，各试验植物高度分别为0～15cm，各试验组别间的植物的间距为50cm，不同类型植物之间的间隔宽度为25cm，植物密度为300～450株/m2，水生植物设计方案见表1。在各断面均布设有流速观测点，为保持试验水流特性接近天然湿地的水流条件，对4组试验水流特性参数进行设定，水流特性参数设置结果见表2。

表1 水生植物高度设计方案

表2 水流特性试验方案

1.2 指标分析方法

水生植物对水流影响的拖拽性系数计算方程为

(1)

式中，Cm—惯性比；ρ—水流密度，g/cm3；A0—过水断面面积，cm2；d—植物叶面宽度，cm；U—流速，cm/s。

水流紊能计算方程为

(2)

2 试验结果

2.1 水生植物高度对水力学指标的影响

对辽河生态湿地4种主要类型植物下不同栽种高度进行水力学指标分析，各水力学指标见表3。

表3 不同水生植物类型下的水力学试验指标分析

从分析结果可看出，不同类型湿地生态植物下植物高度的水力学特征存在较为明显的差异度，随着水生植物栽植高度的增加，其水力半径逐步增大，水力半径是一个主要表征断面过水能力的指标，水力半径越大，其断面过水能力越高，因此相比于相同的栽种密度而言，水生植物的栽种高度对其过水能力有所影响。此外，从雷诺数和弗汝德数来看，不同类型水生植物栽种高度下的雷诺数总体在581.22到903.33之间变化，雷诺数是主要表征水流流动特征的无量纲值，雷诺数越小，表示其水流的黏聚力越低，水流流动的阻力越小，从试验分析结果可看出，水生植物高度越高，其对水流的阻力也相应较大。弗汝德数是主要表征水流惯性力的重要参数，弗汝德数越高，其水流惯性力越强，水流对湿地的冲刷作用越明显。从试验分析结果可看出，各试验类型水生植物下植物高度越高，其弗汝德数越大，表明对湿地冲刷越大。

2.2 植物叶面类型对水力学影响分析

对不同植物类型下的水力学指标进行试验分析，分析结果见表4。

表4 不同水生植物类型下的水力学指标分析结果

从试验分析结果可看出，植物叶面类型对水流水力学指标的影响也较为显著，从各植物类型可看出，随着植物类型的变化，其试验组序下的水力半径总体在0.0189到0.0625下变化，大草的水力半径要小于无草类型下的水力半径，这主要是因为随着植物高度的增加，其雷诺数有所提高，而雷诺数增加后，其水流的阻力相应增加，使得其水流的过水能力相应减少，因此其水力半径也相应减小。从各植物类型下的弗汝德数变化结果可看出，大草类型对水流惯性力影响有所减少，因此从无草类型对大草类型，其弗汝德数也相应增加，水流的惯性力增加，大草类型在一定程度上增加了水流对湿地的冲刷影响。

2.3 植物叶面类型对其流速分层影响分析

在水生植物栽种高度以及植物类型分析的基础上，对其不同植物类型下的流速分层进行试验分析，分析结果见表5。

表5 不同植物叶面类型下的流速分层影响试验结果

从分析结果可看出，各植物类型下的流速分层存在较为明显的差异，大草类型下的水流流速分层影响较为显著，而无草类型下对其湿地流速分层影响较小，中草和小草类型下相对于大草类型下的流速分层影响程度较小，随着试验流量的增加，不同植物类型下的纵向流速分布具有相似性，在水流纵向方向上，其流速逐步减小，植物流速影响也逐步减小，当水生植物栽种高度为10～15cm时，植物阻水现象明显，沿程衰减系数为0.1～0.5，通过试验测定当水深为6～8cm时，流速递减率最小，对水流影响程度相对较小，为各类型水生植物的适宜种植水深。中、小草植物类型对湿地表流速影响显著，而大草类型对其底部流速影响明显，且流速垂向递增变化较大。

3 结论

(1)在辽河生态湿地水生植物栽种过程中，建议以中、小草栽种高度在距离表层水面的深度为4～6cm较适宜，大草栽种高度建议距离表层水面的深度为10～15cm适宜，在保持湿地生态效应的同时降低水流冲刷和阻水影响。

(2)植物类型对水流流速分层产生一定程度的影响，但影响程度不高，主要影响集中在纵向4～5cm范围内，其分层流速影响逐步减小，因此在进行辽河湿地水生植物布设时，可不考虑其水生植物对其流速分层影响。

(3)植物栽种密度对水流影响也较高，文章还未涉及，在以后研究中需要对其最优种植面积进行探讨。