不同植物類型及高度對遼河流域生態濕地水力學的影響

趙 波

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

近些年來，河流生態系統主要從水生植物種植、生物多樣性指數以及河流水環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景觀，還可對其河流水質進行凈化，在許多流域生態修復中得到應用[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，區域濕地類型較為明顯，為對遼河流域濕地進行有效生態保護，亟需對其生態保護措施進行分析，從而規劃和設計遼河流域濕地生態保護方案。考慮到水生植物對其水流特征的影響，文章采用室內試驗的方式，對不同水生植物布設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濕地的合理規劃提供重要的依據。

1 試驗方法

1.1 水生植物設計方案

本次研究在遼寧省水科院的室內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，共設置沿程流速觀測斷面10個，為穩定不同設計方案下的水流流態，在前端設置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，水生植物設計方案見表1。在各斷面均布設有流速觀測點，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進行設定，水流特性參數設置結果見表2。

表1 水生植物高度設計方案

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 試驗結果

2.1 水生植物高度對水力學指標的影響

對遼河生態濕地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

從分析結果可看出，不同類型濕地生態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，從雷諾數和弗汝德數來看，不同類型水生植物栽種高度下的雷諾數總體在581.22到903.33之間變化，雷諾數是主要表征水流流動特征的無量綱值，雷諾數越小，表示其水流的黏聚力越低，水流流動的阻力越小，從試驗分析結果可看出，水生植物高度越高，其對水流的阻力也相應較大。弗汝德數是主要表征水流慣性力的重要參數，弗汝德數越高，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，分析結果見表4。

表4 不同水生植物類型下的水力學指標分析結果

從試驗分析結果可看出，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，其雷諾數有所提高，而雷諾數增加后，其水流的阻力相應增加，使得其水流的過水能力相應減少，因此其水力半徑也相應減小。從各植物類型下的弗汝德數變化結果可看出，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，其弗汝德數也相應增加，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上，對其不同植物類型下的流速分層進行試驗分析，分析結果見表5。

表5 不同植物葉面類型下的流速分層影響試驗結果

從分析結果可看出，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，植物阻水現象明顯，沿程衰減系數為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 結論

(1)在遼河生態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，在保持濕地生態效應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，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種植面積進行探討。