時圣玉，李海福，蘇芳莉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，110866，沈陽)

河流沉墜式人工生態(tài)浮島固定方式試驗

時圣玉，李海福，蘇芳莉?

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，110866，沈陽)

以遼河實際水文資料為基礎(chǔ)，在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗場內(nèi)，模擬不同流速水流沖擊作用下沉墜式生態(tài)浮島固定方式的穩(wěn)定特征。結(jié)果表明:制作合理的浮島模型，要始終保持浮島在水面漂浮，同時減低浮島在水中的重心;根據(jù)不同水流情況，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整浮島之間的距離，以免發(fā)生浮島相互碰撞，水流速度越大，浮島之間的距離就越大。研究結(jié)果對遼河生態(tài)浮島的布設(shè)有著重要的意義。

生態(tài)浮島;固定方式;沉墜式;遼河

生態(tài)浮島又稱生態(tài)浮床，最早在1979年被德國以schwimmkampen(floating campus)的名稱介紹和推廣［1］。1995年在日本受到廣泛重視。之后，不少科研單位與企業(yè)開始對生態(tài)浮島進(jìn)行試驗研究，并將生態(tài)浮島定義為將植物種植于浮于水面的床體上，利用植物根系吸收水體中污染物質(zhì)，同時植物根系附著的微生物降解水體中污染物［2］，從而有效進(jìn)行水體修復(fù)的技術(shù)。這種技術(shù)作為修復(fù)污染水域同時改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的有效方法之一［3－4］，因具有造價低廉、運行簡便、改善景觀環(huán)境等優(yōu)點［5］，在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用中正日益增多，被公認(rèn)為是一項具有廣闊應(yīng)用前景的水體凈化技術(shù)［6］。

劉婭琴等［7］研究表明，生態(tài)浮床系統(tǒng)對浮游植物的影響是通過系統(tǒng)對營養(yǎng)物質(zhì)的去除來實現(xiàn)的，同時，對P的高效去除也是浮床系統(tǒng)抑制藍(lán)藻水華的因素之一。黃婧等［8］研究發(fā)現(xiàn)，水培蕹菜(Ipomoea aquatic)是一種可用于富營養(yǎng)化水體水質(zhì)凈化的優(yōu)良植物。盡管國內(nèi)外對生態(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、池塘和河流中得到了應(yīng)用［9－10］;但已有研究大多以室內(nèi)實驗?zāi)M，或以湖泊、小河流等水流狀態(tài)比較穩(wěn)定的水域中的水質(zhì)凈化研究為主，且多見于南方和熱帶及亞熱帶氣候區(qū)域，針對流態(tài)和水文情況復(fù)雜的大型河流及北方的研究卻少有報道。筆者針對遼河水質(zhì)惡化和生態(tài)景觀破碎問題，以遼河水文資料為基礎(chǔ)，通過在實驗條件下模擬不同流速作用下沉墜式生態(tài)浮島的穩(wěn)定特征，探討遼河實地生態(tài)浮島建設(shè)適宜的浮島固定方式及浮島類型構(gòu)造，以期為遼河生態(tài)浮島建設(shè)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)，從而促進(jìn)遼河的水質(zhì)改善和景觀恢復(fù)重建。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

1)模擬動水狀態(tài)的實驗池。模擬實驗池位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗場內(nèi)。在實驗場平坦處，用混凝土砌成3個大小相等的實驗池，在池內(nèi)模擬河道水流狀況設(shè)置實驗。每個實驗池的尺寸:長×寬×深為2.0 m×1.0 m×0.8 m，實驗池基礎(chǔ)埋深為0.8 m，地上部分高為0.9 m，內(nèi)部深度為0.8 m。

2)流速控制設(shè)備。流速控制設(shè)備由ppr管組裝而成，并通過15 m3潛水泵、閥門以及量程為0～0.4 mPa的壓力表控制水流速度。水流速度計算公式為

式中:v為水流速度，m/s;V為裝置抽出水的總體積，L;d為橡膠管內(nèi)徑，mm;t為抽出水所花的時間，s。通過計算得到流速與壓力的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

選出3組流速用于實驗，分別是在壓力為0 mPa時流速為6.83 m/s，壓力為0.040 mPa時流速為5.23 m/s，壓力為0.060 mPa時流速為3.32 m/s。

3)浮島模型的制作。浮島模型如圖1所示，是由高密度聚苯乙烯制作而成，共制作3個，每個池子放置1個。每個浮島模型的尺寸:長×寬×高為50mm×30 mm×10 mm，密度為1.8 g/cm3。在距離泡沫邊緣5 cm處挖出6個上口徑7 cm、下口徑5 cm的植物栽植孔，與植物栽植盆大小一致，然后在模型外圍用廢舊自行車胎做一保護(hù)圈，防止泡沫被刮碰破壞和方便后期的繩索固定。在固定保護(hù)圈時，采用寬2 cm的纖維繩，把保護(hù)圈和模型一起交叉綁定，以免后期放入實驗池后保護(hù)圈掉落。

表1 流速與壓力的對應(yīng)關(guān)系Tab．1 Correspondence between velocity and pressure

圖1 浮島模型Fig．1 Floating island model

4)植物的選擇與栽植。在進(jìn)行浮島固定實驗前，購買在遼河內(nèi)能夠生長的4種水生植物千屈菜(Lagerstroemia subcostataKoehne)、鳶尾(Iris potaninii)、紫花玉簪(Hosta plantagineaAschers)和玉帶草(Pratia nummularia)并栽植到水中進(jìn)行預(yù)實驗。實驗于2011年4月末至9月初在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利綜合實驗基地進(jìn)行。把每種植物分別栽種到6個實驗盆中，每個實驗盆栽10株植物，觀測其長勢。通過對比，紫花玉簪和玉帶草生長狀況較差，千屈菜和鳶尾生長狀況良好。故選用千屈菜和鳶尾栽植到浮島模型中。將碳渣、碎石和沙土均勻混合放入高7 cm、直徑7 cm的花盆中，再分別栽入千屈菜和鳶尾，保證根部全部掩埋在混合物中。

1.2 實驗方法

1)浮島布設(shè)方式。3個浮島模型分別放在編號為1池子、2池子、3池子正中央處，采用防風(fēng)化能力較強的4根纖維繩(繩子有效長度1.15 m)的一端綁定在浮島載體保護(hù)圈的4個角上，另一端分別綁定一塊質(zhì)量3 kg的矩形混凝土塊作為沉墜，放置于實驗池的4個角上，使連接浮島和沉墜的繩子剛好繃直，如圖2所示。

圖2 浮島的布設(shè)方式Fig．2 Fixation methods of floating island

2)數(shù)據(jù)采集方法。在浮島長邊和短邊的中間插入用鐵絲做成的指針，再把量程為100 cm、精度為0.01 m的2把尺子分別懸掛在池壁的長邊和短邊上，確保在實驗開始后指針在尺子的量程內(nèi)，同時可以分辨出指針的讀數(shù)，放置在池子長邊處的尺子叫縱向尺，放置在池子短邊處的尺子叫橫向尺。

在實驗前，用具有連拍功能的數(shù)碼相機奧林巴斯SP－610UZ拍攝沉墜式浮島的指針讀數(shù)，同時向橫向尺移動浮島，使其繩子保持最大張力而沉墜不發(fā)生位移，次時，用相機拍攝縱向尺的指針。實驗開始后，保證流速控制設(shè)備的出水口與浮島的距離為5 cm，試驗時間5 min。每隔60 s用數(shù)碼相機分別拍攝橫向尺和縱向尺，共拍攝5組數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，往橫向尺方向移動浮島，使其繩子保持最大張力而沉墜不發(fā)生位移，次時，用相機拍攝縱向尺的指針。在3種不同的流速情況下，3個池子內(nèi)分別重復(fù)上述實驗3次。

1.3 物理模型分析

每個浮島的受力分析如圖3所示。

1)垂直方向。有

式中:F為浮島的浮力，N;G為浮島的重力，N;數(shù)字4為4個沉墜的數(shù)量;g＇為沉墜的重力，N。

浮島的重力G為載體質(zhì)量、栽植植物的基質(zhì)質(zhì)量與植物的質(zhì)量之和，重力的計算公式為G=mg(m為浮島的質(zhì)量，kg;g為重力加速度)。植物質(zhì)量隨植物生長周期的不同而不同，所以，浮島的浮力必須大于植物質(zhì)量達(dá)到最大值時浮島的重力，否則會導(dǎo)致浮島下沉，植物死亡。浮島的浮力F通過浮力公式F=ρg V排(密度 ρ=1.0×103kg/m3;重力加速度g=9.8 N/kg;V排為浮島浸泡在水中的體積，cm3)計算得出。浮力公式中唯一的變量V排可以通過測量浮島載體浸入水中的深度h計算得出，即V排=50×30 h。對于沉墜重力g＇要分別測量出4個沉墜的質(zhì)量，再根據(jù)重力公式計算得出。

圖3 浮島受力分析Fig．3 Stress analysis of floating island

2)橫向方向。有

式中:T為水流的沖力，N;數(shù)字2為沉墜的數(shù)量;f為沉墜的摩擦力，N。

通過摩擦力計算公式f=μg，保證浮島的穩(wěn)定要確保沉墜的質(zhì)量足夠大，同時沉墜和地面之間有一定的摩擦力，即體現(xiàn)為摩擦因數(shù)μ的數(shù)字量，主要影響因素有接觸面的材料和接觸面的粗糙度。

2 結(jié)果與分析

在不同水流壓強作用下，記錄的生態(tài)浮島的橫向尺和縱向尺的位移量見表2?？梢钥闯?在水流壓強為0 mPa時，浮島的橫向尺位移量均值達(dá)到最大，為21.45 cm，水流壓強為0.06 mPa時，浮島的橫向尺位移量均值最小，為7.24 cm;在水流壓強為0 mPa時，浮島的縱向尺位移量均值達(dá)到最大，為16.96 cm，水流壓強為0.06 mPa時，浮島的縱向尺位移量均值最小，為7.28 cm;在水流壓強為0 mPa時，浮島的沉墜位移量均值達(dá)到最大，為2.33 cm，水流壓強為0.06 mPa時，浮島的沉墜位移量均值最小，為1.33 cm。可知，水流壓強的大小影響浮島的位移量。水流壓強越大，浮島的位移量越大，即浮島的擺動幅度越明顯。

在水流壓強為0 mPa時，浮島橫向位移和縱向位移量分別為21.45和16.96 cm，在水流壓強為0.04 mPa時，浮島橫向位移和縱向位移量分別為12.83和9.79 cm，橫向位移量大于縱向位移量，說明橫向搖擺幅度大于縱向搖擺幅度。在實際河流中，浮島橫向與縱向受力不均，會導(dǎo)致浮島側(cè)翻現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，物體的重心越低，受到相同作用力時，穩(wěn)定性越高，所以，在保證生態(tài)浮島不下沉的情況下，可以適當(dāng)增加浮島自身質(zhì)量，以降低生態(tài)浮島的重心，增加生態(tài)浮島的穩(wěn)定性。在布設(shè)生態(tài)浮島時，應(yīng)把橫向位移量作為確定浮島之間距離的依椐，以減小浮島的相互碰撞。

表2 浮島在不同水流壓強作用下的位移量Tab．2 Floating island of displacement under different flow rates of water

3 結(jié)語

1)浮島本身的浮力必須要大于浮島植株自身最大重力，不能用植株在未達(dá)到最大質(zhì)量時的重力進(jìn)行計算。

2)在保證生態(tài)浮島漂浮的情況下，可以適當(dāng)增加浮島自身質(zhì)量，以防止側(cè)翻。

3)在確定浮島沉墜質(zhì)量時，應(yīng)適當(dāng)增加接觸面的摩擦度，以保證浮島的穩(wěn)定。

4)布設(shè)浮島時，要根據(jù)不同河流流速，適當(dāng)調(diào)節(jié)浮島之間的相互距離，當(dāng)水流速度為6.8 m/s時，生態(tài)浮島之間的距離為22 cm，當(dāng)水流速度為5.2 m/s時，生態(tài)浮島之間的距離為13 cm，當(dāng)水流速度為3.3 m/s時，生態(tài)浮島之間的距離為8 cm。

4 參考文獻(xiàn)

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Fixation experiment on ecological floating island of sinking pendant in river

Shi Shengyu，Li Haifu，Su Fangli
(College of Water Resource，Shenyang Agricultural University，110866，Shenyang，China)

Based on actual hydrological data，this experiment were conducted at College of Water Resource，Shenyang Agricultural University.This paper studied the stability characteristics of sinking pendant fixation of ecological floating islands under different flow rates of water.Result shows that floating island model should always maintain the island floating in the water and reduce its gravity center.In the condition of different flow rates of water，the distance between the floating islands should be reasonable to avoid collision between different floating islands，and the distance should increase with increased flow rate.The results will supply important basis to the layout of ecological floating island in Liao river.

ecological floating island;fixation methods;sinking pendant fixation;Liao River

2012－01－29

2012－04－19

國家自然基金青年基金“造紙廢水對遼河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響及生態(tài)修復(fù)研究”(31100517);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃“雙臺河口濕地凈化入海污水植物根際效應(yīng)研究”(LJQ2011070);遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“造紙廢水對雙臺河口鹽堿化濕地生態(tài)修復(fù)研究”(2009A628)

時圣玉(1988—)，男，碩士研究生。主要研究方向:水土保持與生態(tài)環(huán)境評價。E－mail:henneshengyu@163.com

?責(zé)任作者簡介:蘇芳莉(1977—)，女，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持與生態(tài)環(huán)境評價。E－mail:sufangli8@163.com

(責(zé)任編輯:宋如華)