基于濕地生態植物沿程斷面變化對水流特性影響的模擬試驗研究

李 兵

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

當前，河道生態如何治理逐步成為社會關注的熱點科學問題[1]。生態濕地是河流生態保護的重要舉措[2]。而濕地植物對河流水利特性必然產生不同程度的影響[3]，近些年來，對于濕地植物對水流特性研究也得到許多國內學者的關注和研究[4- 7]，這其中，觀測試驗的方式是分析生態濕地植物對水流特性影響的重要途徑[8- 10]。為此本文結合觀測試驗的方式，綜合分析濕地植物類型和植物高度對其水流特性的影響，研究成果對于生態濕地的規劃設計具有重要的參考和應用價值。

1 試驗方案

1.1 方案設計

本次試驗設計選用12個典型斷面作為濕地生態植物沿程斷面變化監測點，斷面水流從斷面1逐步向斷面12流動，濕地生態試驗現場如圖1所示。為了保持濕地生態植物穩定的水流條件，在濕地植物的前端安置了3個斷面，從第3個斷面開始，對濕地植物的類型以及高度進行相應改變。每種類型植物之間的長度為2m，寬度為20cm，植物與植物之間的間距設定為3cm。為對斷面流速進行分析，從水槽的第5個試驗斷面開始，分別設定5個斷面流速的監測點，在4種濕地植物類型下，流量分別按照15、20、25、30L/s進行設定。

圖1 試驗場景

表1 濕地植物設計方案

表2 試驗水流特性參數

1.2 水流特性指標分析方法

試驗首選需要計算濕地植物水流的拖拽性系數，其計算方程為：

(1)

式中，Cm—慣性系數；ρ—水流的密度值，g/cm3；A0—植物的橫斷面面積，cm2；d—植物半徑，cm；U—試驗水流的流速，cm/s。

在計算水流特性時，需要計算水流的紊動能量，其計算方程為:

(2)

2 試驗結果

2.1 植物高度對水流特性的影響

結合試驗方案，對4種不同植物高度下的生態濕地水流特性進行觀測試驗分析，試驗分析結果見表3，并對各流量條件下的植物高度水流特性影響進行分析，分析結果如圖2所示。

從表3中可以看出，在生態濕地，濕地植物的高度對水流力學特性參數指標影響較為明顯，在各試驗組序中，隨著植物高度的增加，水流特性出現較為明顯的阻滯作用。從圖2中可看出，在植物高度為2～5cm之間，植物高度對水流阻滯作用最為明顯，隨著植物高度的增加，對水流阻滯作用逐步減弱。

表3 植物高度的試驗結果分析數據

2.2 植物類型對水流特性的影響

在植物高度分析的基礎上，分析植物類型對水流特性的影響分析，具體分析結果見表4，如圖3所示。

從表4中可看出，植物類型對濕地水流特性也較為明顯，無草狀態下水流較為平穩，隨著草類型的變化，其對水流特性也逐步凸顯。在各試驗組次中，大草對水流特性具有較為明顯的衰減作用，而小草和中草對水流波段衰減作用弱于大草，對于生態濕地而言，中草和小草對于水流影響較弱。從圖3可看出，隨著縱向沿程距離的增加，植物類型對水流都具有一定程度的衰減效應。距離較遠處，其衰減效應逐步減弱。

圖2 不同流量條件下的植被高度水流特性分析

圖3 不同流量條件下的植被類型水流特性分析

表4 植物類型的試驗結果分析數據

3.3 植物類型對水流紊能的影響

結合試驗方式，對不同植物類型水流紊能進行分析，分析結果見表5。

表5 不同植物類型水流紊能分析數據

從表5可看出，不同植物類型下水流紊能變化不同，大草作用下水流紊能最強，無草狀態下水流紊能作用最弱，中草和小草相對于大草類型，其紊能有所減弱。從各試驗分組情況下，隨著試驗組序的增加，各植物類型的紊能作用逐步減弱。隨著放水流量的增加，各植物類型下垂向流速分布特征較為一致，即在垂直水流的方向上，其流速逐步減弱，水深在2～3cm之間，其垂向流速較高，而3cm水深以下，這種遞減趨勢逐步明顯。

4 試驗結論

(1)植物類型對濕地斷前流速影響較為明顯，達到一定沿程距離后，植物類型對水流的阻滯作用明顯減弱。植物大小確定情況下，濕地水流流速最大值的距離可以確定。隨著距離的增加，不同植物類型和高度下水流流速和水位都有一個相對調整的過程。

(2)各植物類型下底部水流流速偏高，高于一般明渠水流流速，中草和小草類型下的水流紊能作用較小，建議在其濕地規劃設計時表面高度在2～3cm設置中、小草植物類型，而在其底部設置大草，保持濕地最適宜的生態水流環境。