（流体力学专业论文）凤眼莲生态型河道水流特性试验研究.pdf

摘要 摘要 随着生态型河道的推广建设，各类水生植物被用于河道水体净化，然而植被 的种植改变了原先河道的水体结构，影响了水体的水流特性。而漂浮植物作为水 生植物的一种，实践中得到了广泛的应用，了解其对水流水力特性的影响，对水 利工程、航道工程、以及生态修复工程都具有十分重要的意义。同时，在河道水 流有一定流速存在的水力特性条件下，水生植物是否可以达到预想的净化效果， 这是我们急需得知的问题。故对具有代表性的风眼莲进行室内模拟试验，具体分 析其对水流的影响和对水体的净化效果。 本文利用室内水渠进行模拟，主要研究内容为： 1 以三种不同方式种植风眼莲，在五种工况条件下量测流速场，从时均流速、 紊动强度、雷诺应力三个角度比较种植风眼莲前后水流运动的变化； 2 分析风眼莲种植后对渠道水位的影响，以及不同种植方式和不同工况条件下 对水流运动影响的区别： 3 在凤眼莲净化试验前，做好相应的空白对照试验，于不同时间段取水检测水 质，剔除空白对照的净化效率，从而得出风眼莲提高的净化效率：每种方式 试验前后称量风眼莲生物量，计算增长值，从而寻找达到最佳净化效果的生 物量： 4 探求较好的种植方式，使得其对水流的影响程度最小的同时也保证了良好的 净化效果。 关键词：风眼莲生态型河道 a d v水流特性流速分布紊动强度 雷诺应力净化 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e e x t e n d e dc o n s t r u c t i o no fe c o l o g i c a lw a t e r c o u r s e ，v a r i e so f h y d r o p h y t ea r eu s e dt op u r i f yp o l l u t e dw a t e r b u tt h eh y d r o p h y t ec h a n g e st h ef r a m eo f c h a n n e l ，a n di n f l u e n c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o w a so n eo ft h eh y d r o p h y t e ， p h y t o p l a n k t o nh a sab r o a da p p l i c a t i o n k n o w i n gt h ei n f l u e n c et oc h a r a c t e r i s t i c so f f l o wh a si m p o r t a n tm e a n i n gt oe n g i n e e f n go f i r r i g a t i o nw o r k s ，s e a - r o u t ea n de c o l o g y w h i l e ，c a nt h eh y d r o p h y t ew o r ks a t i s f y i n g l ya sw ee x p e c t i n gi sap r o b l e mt ob e u n d e r s t o o d s ow eu s ee i c h h o m i ac r a s s i p et oe x p e r i m e n ti n d o o rl a b o r a t o r y , a n a l y i n g t h ei n f l u e n c et 0f l o w 。 t h ec o n t e n t so f t h i sr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 e i c h h o m i ac r a s s i p ei sp l a n t e di nt h r e em o d e l s ，a n dv e l o c i t yi sm e a s u r e di nf i v e s i t u a t i o n t h e nc u r r e n tm o v e m e n ti sc o m p a r e db e f o r ea n da f t e re i c h h o m i a c r a s s i p e sp l a n t i n gf r o mt h r e ep o i n t s ，w h i c ha r ea v e r a g ev e l o c i t y , t u r b u l e n c e i n t e n s i t ya n dr e y n o l d ss t r e s s 2 t h ei n f l u e n c eo fe i c h h o m i ac r a s s i p et ow a t e r sh e i g h ti s a n a l y z e d ，a n dt h e d i f f e r e n te f f e c ti nd i f f e r e n tm o d e l sa n ds i t u a t i o n sa r ec o m p a r e d 3 b l a n k - c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n e ，a f t e rw a t e rs a m p l e s t a k i n g ，t h e e l e v a t e d p u r i f i c a t o r ye f f i c i e n c y i s g a i n e d w h e nc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s p u r i f i c a t i o ni se l i m i n a t e d b i o l o g i cq u a n t i t yw a sw e i g h e d ，f o rs e e k i n gt h eb e s t s u i t a b l er a t i oo f b i o l o g i cq u a n t i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p o l l u t e dw a t e r 4 b e t t e rp l a n t i n gm o d e l sa r es e e k i n gf o r , i nw h i c ht h ee i c h h o m i ac r a s s i p ep l a y sa g o o dr o l ei np u r i f y i n ga n dd o e sl i t t e ri n f l u e n c et oc h a n n e l sf l o w k e y w o r d s ：e i c h h o m i ac r a s s i p e ，e c o l o g i c a lw a t e r c o u r s e ，a c o u s t i cd o p p l e rv e l o c i m e t e r h y d r o d y n a m i cb e h a v i o r , t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y , t u r b u l e n c ei n t e n s i t y r e y n o l d ss t r e s s ，p u r i f i c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：基! ! 窒鱼矽9 7 年三月硝 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：蕴兰鱼垫枷7 年3 月仿日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 水污染现状 当前，水污染和水短缺已成为困扰全球的一个重大的生态问题。水污染导致 了水资源可利用性能大幅降低，自然水生态的逐渐退化，造成人类饮水危机等一 系列的不利后果。我国是水资源短缺很严重的国家，全国六百多个大中城市约有 三分之二缺水，而水污染的持续不断使水环境问题的形势显得更加严峻。上世纪 七十年代以来，我国许多江、河、湖泊、水库的水质就一直在下降，到目前为止， 很大一部分水体水质只能达到、v 类。日益严重的水污染不仅加剧了水资源的 短缺，也极大地违背了资源的可持续发展战略，更是严重地威胁到人们的饮水安 全和身体健康。 为了满足生产和生活所需，就必须保护未受污染的水体和净化一切可修复的 水体。现今，随着城市化和工农业的迅猛发展，工业、畜牧业与食品加工业废水 已成为水体有机污染和重金属污染的主要污染源，传统的污水处理厂已不堪重 负，国内外学者正在寻求一种多元化的污水处理方式。在权衡了处理效果、经济 及环境影响等诸多因素后，发现水生植物修复技术具有净化费用省、环境影响小、 能使污染物最大限度降低的优点，比较适合我国的实际情况，于是，生态型河道 被提出并迅速成为关注的焦点。 1 1 2 植被对河道的影响 河道中的植被不管是天然还是后天栽种都必须有其适合的生长条件，河道的 形状、水流运动状态、环境等等都是影响植被生长的直接因素，然而这种影响又 是相互的，植被也会改变原有河道的水流特性。 早在1 9 4 8 年，r e e ”在美国农业工程冬季会议上就提出河道中水草的覆盖会 对行洪带来影响。日本名古屋大学环境工程实验室i 2 】认为水生植被是河道的重要 组成部分，在保证行洪安全的同时还要考虑环境方面的影响，以求水资源的最有 风h 皑莲生态型河道水流特忭试验研究 效利用。d a v i d 等。峙旨出在河道修复工程设计中必须充分认识到水流问题的复杂 性，其影响因素不仅来自水流本身，还要考虑生态环境方面的要求，对有植被的 河道进行水流动力学研究尤其重要。v a s s i l i o s 和e d g e a r 4 提出湿地的修复也需 要考虑水力特性方面的设计，如水流阻力系数的确定和阻力方程的采用。 水中植被的存在改变了原先水流的运动特性，影响了水体结构，降低了时均 流速，抬高了水位等，这虽然已经引起了人们的注意，但有植被的河道水流特殊 而复杂，颇多的影响因素( 如：河道形状、底坡、植被种类、种植排列方式、种 植密度、淹没状态等等) 给研究带来了困难。2 0 世纪8 0 年代后期开始，陆续有 学者根据实际需要针对具体情况开展研究工作，从而使人们对有植被的河道水流 问题及水流特性有了深入的了解。但由于问题的复杂性，对有植被河道的水流问 题研究还是粗浅的，有待于更深入的研究。 近年来，随着人们对河道生态环境重要性的逐渐认识，生态型河道的发展如 火如荼，在有污染的河道中种植特定的水生植物，可以起到净化污水的效果。但 人为地胡乱种植认定可以净化和美观的植被是不科学的，缺乏考虑引入物种对河 道水流结构的影响只会增加生态型河道的隐患。 于是，摆在我们面前的问题就是，什么样的植物适合种植，在净化效果体现 的同时又能对水流特性的影响最小? 鉴于此，我们应分析利弊，因地制宜，合理 种檀，既能保证水利、航运安全和保护生态环境，还能起到美化景观的作用，这 也是生产实际中出现的新问题。 1 2 有植被河道水流的研究现状 1 2 1 对有植被河道的模型试验研究 河道中植被种类多、范围广，通常以沉水湿生的叶片草、浮游植物、挺水植 物和树木为主。流经植被的水流，其水流特性很大程度上取决于植被的类型、密 度和淹没状态、水流的速度和水深等。h s i c h s l ，l i 和s h e n 6 通过圆柱绕流试验 反映大树阻水效应的研究，m o h a m e d 和t i m o t h y l 7 】关于有植被渠道水流的阻力特 性研究，d u n n 掣8 】对矩形渠道中淹没的刚、柔性圆棒的阻水效应研究，w i l s o n 等州通过有无枝叶植被过流现象的对比以及针对不同形式淹没植被对明渠水流 第一章绪论 影响的研究，邱秀云等 10 】关于植物“柔性坝”的布置方式和种植密度对河渠水流 的影响研究，都很好地证实了该点。 根据植被枝干的坚硬程度，可将其分为刚性和柔性两类。因刚性植被随水流 摆动很小，不需考虑植被的弯曲，人们对刚性植被进行了大量的研究，柔性植被 的研究相比少些。不过，对淹没的草m 1 5 】和柔性窄条及树冠的试验研究还 是取得了一定的进展。柔性植被受到大流速水流冲击会发生弯曲变形，并且在不 同的流速和水位下会呈现不同的波动现象。r e e 和p a l m e r 1 2 j 指出当植被倒伏后， 看上去就像用梳子梳理过一样整齐，因此流经柔性植被的渠道水流问题实质上是 一个动边界的问题。当植被弯曲时，边界糙率会降低很多，植被的抗弯曲程度取 决于植被的柔韧度和密度。然而，先前的很多研究往往忽略了植被的韧性。k o u u e n 等 1 8 , 1 9 1 根据水位的高低将有柔性植被的河道划分为三个水流区域：1 、植被不弯 曲且稳定的区域；2 、植被受到波动的区域；3 、植被完全弯曲的区域。p a l m e r p o 】 根据水深和植被高度的相对关系划分为三种水流条件：1 、低水流，即水流流过 时枝干和叶子没有弯曲，处于非淹没状态；2 、中等水流，即植被处于完全淹没 状态，水流阻力随流量急剧变化，植被开始弯曲和摆动；3 、高水流，植被弯曲 倾斜，枝干和叶子摆动。i k e d a 和k a n a z a w a 引1 用l d v 量测明渠水流流经柔性植 被时的垂向流速分布，他们观察到平均流速分布在植被层顶部存在一偏转，还发 现紊动强度和雷诺应力在此位置也达到最大值，并向渠底和水面递减。m a g h a d a m 和k o u w e n i l7 j 也指出，如果河岸植被单单看作是刚性的，将导致流速和阻力关系 产生重大的错误。 国内，王忖1 2 2 j 对玻璃水槽中柔性模型植被的水流影响做了详细的研究。试验 证实柔性植被的存在使垂线流速降低，且在植被层顶部有一流速反梯度。研究表 明，由于植被强烈的波动和偏转使水流变得很不稳定，植被的弯曲高度所对应的 水深是紊动强度最大的地方，通过比较紊动强度分布和流速垂线分布后发现偏转 点对应的相对水深也就是紊动强度最大的地方，这和i k e d a 以及k a n a z a w a 2 1 】的 结论是一致的。试验还指出最大的紊动强度和雷诺应力都出现在植被区域的上 层，说明在该处发生着剧烈的质量和动量交换以及很强的剪切作用。但研究没有 明确定量，究竟植被存在造成了多大的紊动强度和雷诺应力的变化还是未知的， 而这才是实际工程中需要密切关注的问题，因此这样的物理模型研究对进一步理 风眼莲生态型河道水流特性试验珂 究 解柔性植被的物理特性及其对水流的影响是很重要的。 另外，河道自身形状也是影响水流特性的主要因素。不同形状河道的水体结 构不同，横断面流场也分布不均。p a s c h 和r o u v e l 2 3 1 对河滩种有植被的梯形复式 断面渠道进行了研究，他们将河道断面分割成四个部分，然后对各部分流速沿横 断面的分布采用不同公式进行计算，得出流速分布后，衔接得到整个断面的流速 分布。可见，横断面为非矩形时，流场分布比较复杂，不同的河道断面分割直接 导致不同的流速分布。 国内黄本胜等【2 4 2 5 】结合珠江流域复式断面河槽的特征和种树的实际情况，建 立了九组不同潍高和不同滩槽宽度比的物理模型，对不同水深、不同模拟材料以 及树径与种树间距之比进行了种树前、后一百五十多组次试验研究，王忖嘲通过 改变复式断面河道滩地种树的密度和排列方式进行了相关试验，他们发现种树带 宽度、漫滩水深、种树密度和排列方式是影响河道水流的主要因素，在滩槽交界 附近，垂线流速有演变到“s ”形状的趋势，呈现三维流动，其流速分布大大偏 离了对数分布的规律。河道自身的非规则形状已使得水流运动变得复杂，再加上 植被的引入，此时的河道水流就变得更杂乱无章。 河道中植被增大了河床的水流阻力，这正是水流能量损失的主要因素。当前 人们主要是通过建立能量守恒方程来研究不同模型植被在不同排列方式下的水 流特性，从而给出相应问题的阻力公式或糙率表达式等。n o a t 等人 2 6 1 将种有部 分植被的明渠分为岸滩、沉水区、岸边区，分别得出相应的连续方程，动量方程， 紊动能及混合长度表达式。c h e n 1 3 l 石开究了有草皮宽浅渠道的水流阻力效应，通过 河床表面坡度的两种关系式推出了阻力系数的表达式。t e m p l e p 7 】进行了有草皮渠 道的流速分布的研究，给出了能量和动量系数，利用植被顶部切应力、混合长度 及糙率公式推出了流速分布的具体表达式。m a g h a d a m 和k o u w e n l l 7 1 用松树幼苗模 拟岸滩植被，运用达西公式、曼宁公式，从边界平均切应力和动量平衡的角度推 导出等效糙率公式。j o r d a n o v a 和j a m e s 2 8 】对河床出现植被影响水流输运进行了 试验研究，给出了物形阻力系数的相关公式。t e m p l e 2 9 1 研究了淹没草的水流阻水 效应，给出了植被的折合糙率。这些研究都是从阻力入手，利用相关方程推导得 出植被造成的阻水效应。 国内，韩璐等d o 在自循环水槽中对模型草的水流影响进行了试验研究，将水 第一章绪论 流阻力系数转化为曼宁系数，从而得出了与前人试验相吻合的结果。试验发现在 植被密集处水流的扰动较为明显，特别是植被层顶部，同时，在植草带后一定范 围内有尾迹流存在的现象。 将水利与生态结合的一次尝试研究是拉尼亚【3 1 】的半淹没植被的水流特性研 究，他选取了生态型河道常采用的水生植物菖蒲进行水槽试验模拟研究，证实了 水深和流量关系与植被的密度和布置形式关系非常密切。植被密度的增加导致过 水断面的减少和阻力的增大。流速在垂向有明显的分层，在菖蒲的茎杆层，流速 朝河床方向逐渐减少，而在冠叶层，流速朝水面方向逐渐减少。水流的紊动强度 分布在植被内部具各向异性。尽管与前人的研究成果吻合较好，但还是没有发现 水流紊动强度的具体规律，而且研究物种单一，且只是处于半淹没状态，淹没状 态没有涉及，这些都有待进一步试验研究。 1 2 2 植被对河道水流影响的数值模拟研究 在试验研究的同时，许多学者尝试求解水流运动微分方程，从数值模拟的角 度来研究植被的影响程度。 s t e p h e n 瞰j 对岸滩植被的水流阻力效应和行洪影响作了数值模拟，得出了流 量和水位以及种植密度与五年一遇洪水流量下水位的关系图，为岸滩合理种植植 被提供了较好的参考价值。k o u w e n 等n8 l 提出用植株长度和硬度作参数，推导曼 宁系数与流速和水力半径乘积之间的关系，虽然有其局限性，但这种方法对数值 模拟运算提供了新的思路。 紊动的水团在水体内以不同大小的涡旋存在，能量传递在大小涡旋内不断进 行，n a d a o k a 等人f 3 3 】就应用大涡模拟技术提出了一种沿水深积分平均的二维浅水 方程模型，c h e r t l 3 4 】运用前人建立的大涡模型，模拟了具有单侧和双侧桩群的宽 浅矩形明渠的水流问题，宿晓辉等【3 2 】针对浅水问题研究了带有植被的河道水流紊 流运动，建立了浅水问题的大涡模拟运动盯一，( l e s ) 模型。通过模拟计算发现， 植物存在使植物区域水流流速大幅减少，在靠近植物边界处产生较大的速度梯 度，并提出在有植物的规则河道中，植物对水流的阻力是紊流能量产生的主要来 源。l e s 模型不仅在计算结果上好于水深平均的大涡模拟模型，还可以模拟水流 运动沿水深方向的变化，为进一步研究紊流运动机理，特别是紊流大尺度涡旋的 风限莲生态型河道水流特性试验研究 发展提供了一种研究方法。 拾兵等【3 5 , 3 6 1 基于前人研究的理论推导和进行了一定的简化处理，结合部分水 槽试验资料的回归分析，建立了明渠植树后床面相对切应力、糙率与树木因子 f v 之间的计算关系。与他人不同的是，他将每棵植株作为单一个体考虑，计算 单株树木的体积，占河床面积及阻水面积，从而推导出相应的公式。虽然这些公 式还需进一步理论论证和试验验证，但提供了研究树群水流问题的一个新思路。 程莉【3 7 1 从水动力学基本理论出发，模拟宽浅河道岸滩种植植被的水流数学模 型，推求了沿水深积分平均的二维流动方程，并在空间域上采用伽辽金有限元法 对所得方程进行离散，最后运用牛顿拉斐逊迭代法对方程求解。a n t z e 等p 8 l 对 淹没植被的明渠进行了三维数值模型的研究。他们将渠道分解成很多子区域，联 立连续方程、动量方程和紊动能量方程，提出植被相关系数，并推导出植被阻力 的表达式，得出淹没植被不仅可以起到生态保护的作用而且可以营造蓄洪空间的 结论。 从连续方程、动量方程和紊动能量方程入手，运用不同的离散方法迭代求解 是数值模拟的主要思路。实际工程建设中可能更多的要采用数值模拟方法来进行 方案认证，所以建立更贴切的数值模型是急需的。 1 3 利用水生植被改善河道水质的研究现状 水生植物含有湿生、浮叶、漂浮、挺水和沉水植物五大类，不同种类的水生 植物在其适合的水环境中生长。用水生植被改善污染水体水质是环境领域学者研 究的重点，目前已取得了较大的进展。 大量n 、p 等营养物质进入水体，会引起水体的富营养化，导致浮游藻类大 量生长，从而形成水华，而这些营养元素却为水生植物生长所必需。试验证明， 水生植物具有明显去除n 、p 的效果【3 9 枷】，是治理、调节和抑制水体富营养化的 有效途径之一。 贺锋，吴振斌 4 1 , 4 2 通过试验比较，证明了水生植物净化法有其独特的优点， 主要特征是水生植物可以利用根茎部将水中有机物和氮、磷等营养盐类的吸附沉 淀及转化为体内吸收，同时还可利用根茎周围所产生的生物膜进行有机物沉淀、 过滤、吸附、分解，氮、磷营养盐类的吸附、硝化、脱氮等多种机能，达到净化 6 第一章绪论 水体的目的。 对于高等水生植物来说，营养物质则是它们重要的生长基础。许多水生维管 植物的生长速度很快，能吸收大量的氮、磷、钾等营养元素，如每公顷风眼莲每 年可吸收氮1 9 8 9 k g ，磷3 2 2 k g ，钾3 1 8 8 k g 。j u r g e nk e r n 4 4 1 用芦苇床处理生活污 水的试验中，c o d 、t n 、t p 等的去除率均在8 0 9 9 之问。成水平等f 4 5 】利用 香蒲、灯心草湿地净化城镇污水，出水水质总体上达到国家i i ，i i i 类地表水标准， 两种湿地对人工污水中t n 的去除率均维持在9 4 以上。 高等水生植物不仅可用于生活污水的改善，还可用于行业废水的处理。艾尔 肯热合曼4 6 】利用水浮莲净化酿酒废水，曾健等f 4 7 l 用风眼莲、水浮莲和浮莲净化 高能液体燃料废水，杨风江和李立明1 4 8 】用风眼莲和细绿萍净化淀粉废水，吴振斌 等1 4 9 , 5 0 用凤眼莲净化石化废水，夏汉平【5 l 用香根草和水花生净化垃圾污水，郑瑛 和李晖5 2 谰香蒲净化矿山废水，钱明浩等删用雍菜多花黑麦草净化浸出油厂废 水，吴振斌等酬用芦苇和香蒲床处理藻毒素水体，胡焕斌等1 5 5 1 用芦苇床处理铁 矿炸药污水，均取得了良好效果。 另外，高等水生植物之所以能抑制水华，是因为它与藻类之间存在着相互竞 争( a l l e l o s p o l y ) 和相生相克( a l l e l o p a t h y ) 的关系。高等水生植物对藻类的克制作用， 一方面是因为水生植物与浮游藻类争夺光照和营养物质而抑制藻类的过量生长 【5 6 ；另一方面也是最主要的原因是水生植物体内克生化合物的存在。俞子文【5 7 j 等研究证实了水花生、水浮莲、满江红、紫萍和西洋菜与雷氏衣藻有相生相克的 关系，并和风眼莲的克制作用进行了比较，发现5 种水生植物均有克制效应，但 都不如风眼莲强。孙文洁等1 5 8 , 5 9 1 对上海的一段富营养化水域进行治理，发现种植 了凤眼莲的水体藻类大量减少，通过室内模拟试验进一步证明了种植过风眼莲的 水体中含有杀藻物质。因风眼莲根系分泌的化学物质能够通过水环境进入藻细 胞，造成藻细胞代谢紊乱及膜结构的损伤，从而影响藻类的光合和呼吸作用，这 是造成藻体细胞伤害的主要原因之一。 王国祥等唧1 利用镶嵌组合植物群落( 由浮水、浮叶、沉水植物为优势种的斑 块小群丛构成) 控制湖泊饮用水源区藻类及氮的污染。结果表明，富营养化湖水 经过净化后，藻类生物量下降了5 7 7 ，相当于数量下降了2 3 个数量级，t 1 n 也下降了6 0 0 ，水质得到明显的改善。 风眼莲生态型河道水流特性试验研究 可见，高等水生植物对富营养化水体、有机污染和重金属污染等受损水体均 有较好的净化能力。根据实地环境条件和群落特性，合理配置水生植物群落，形 成稳定可持续利用的生态系统是值得大力提倡的。 当然，高等净化植物选取也需要合理的标准，首先所选取的植物必须具有一 定的净化能力，这是关键，也是目的之所在。第二要具有抗逆性，包括耐污能力 和抗虫害能力。第三所选取的植物应该是易于引种，并且管理简单、方便。第四， 其综台利用价值要高，即植物便于再利用，如用作饲料、肥料、沼气、药材等。 最后，最好可以起到美化景观的功效。 符合条件的高等水生植物很多，但从生长速度来看，风眼莲、水花生、美国 爵床和蒲草四种用来净化水体最为合适。其中又以风眼莲生长迅速，收获容易， 因此用于水体净化的研究也较多。 1 4 凤眼莲的研究现状 1 4 1 风眼莲的生物学特性 风眼莲( e i c h o m i ae r a s s i p e s ) ，俗名水葫芦( w a t e rh y a c i n t h ) ，又名洋水仙、水 生风信子，学名： e i e h h o m i ac r a s s i p e s ( m a r t ) s o l m s 】，属单子叶植物纲 ( m o n o c o t y l e d o n e a e ) ，百合目( l i l i f l o r a e ) ，雨久花科( p o n t e d e f i a c e a e ) 【6 1 】。原产于南 美洲【矧，一般分布于南纬3 2 和北纬3 2 之间的世界大部分地区f 6 3 1 。 该物种大都生长在池塘水沟、池沼等水体中，属雨久花科凤眼莲属的多年生 漂浮水生草本植物。1 9 0 1 年作为花卉引入我国，上世纪5 0 6 0 年代粮食极度短缺 时期，被广泛放养于南方乡村河塘，作为猪饲料推广种植，也用于喂养家禽等， 后逸为野生。目前风眼莲广泛分布于河流、湖泊和水塘中，是我国目前分布最广 的外来物种之一哗】。 凤眼莲叶为深绿色，叶柄膨大成浮囊状，基部具有透明膜质的鞘状苞片，叶 腋间着生腋芽并由此发育新株；茎为短缩茎，由于茎中海绵组织发达，气囊大量 充气，所以能够直立和漂浮；根须发达，长1 5 3 0 c m ，并悬垂于水中；夏季开花， 穗状花序，花冠蓝紫色，漏斗状6 裂，花开后一两天就凋谢，种子在水中成熟并 排入水体1 6 5 , 6 6 。 第一章绪论 凤眼莲喜高温、对水域有较强的适应性和耐寒力，最适生长水温为2 5 3 5 ， 3 0 3 5 。c 时生长最快，水温下降到8 。c 左右时生长停止【6 6 】；宜在静水或缓慢流动 的水面生长，能耐荫蔽，在微弱的光照下就能生长，对酸碱不敏感，对水质肥瘦 要求不严。其营养成份为粗蛋白2 0 9 ，粗脂肪o 6 ，干物质1 9 4 7 ，粗纤维 1 2 2 4 、无氮浸出物1 2 2 4 ，灰分4 5 4 ，以及钙、磷等无机盐类，是营养丰 富的优质青饲料。 另外，其繁殖能力尤其惊人，一株凤眼莲，在两个月内能繁衍出上千个后代。 云南省昆明的小区试验表明，凤眼莲在河道或湖面常年覆盖水面，是单一优势种， 5 月份随气温迅速升高，植株高度增加，分枝大量出现，群体密度增加，并达到 顶峰，最高为1 1 4 株m 2 【6 7 】。 1 4 2 风眼莲用于水质改善的研究现状 凤眼莲是用于水质改善研究较多的水生植物。刘光良等f 6 8 l 对造纸污水的研究 表明，历时9 天，风眼莲对马尾松硫酸盐浆污水c o d 去除率达到2 4 6 ，对阔叶 混合材半化学浆污水c o d 去除率达到3 5 3 。杨继武等6 9 谰n , l l 艮莲净化石油钻 井污水，种植3 0 - - 4 0 天对污水色度去除率达到3 3 3 3 9 3 ，c o d 由1 7 8 2m g l 降到1 1 4 7 m g l 。李亚治【7 0 】通过对水葫芦水草人工湿地处理再生浆造纸废水的研 究表明，该系统性能稳定，出水水质能达到排放标准，水质得到很好的改善。 徐在宽【7 l j 进行了凤眼莲改良水质的试验研究，经过水质测定表明，当平均照 度1 3 7 9 l x 、平均水温1 5 时，测得每公斤凤眼莲可以从水体中吸收 p 0 4 3 - p 5 0 m g d ，吸收n 0 2 - n 和n h 4 + - n 4 7 9 m g d ，并且在1 5 天内消除水体中的 n 0 2 - n 。 可见，风眼莲为水质改善做出了巨大的贡献，它不仅能从污水中吸收大量氮、 磷、钾，防止水体富营养化，而且可以把工厂排出废水中的酚和氰化物等吸收， 分解成无毒物质，还能吸收污水中的重金属离子。 谢心仪等【7 2 】用风眼莲净化生活污水的研究表明，污水中的c u 、z n 经过1 5 天可分别去除5 0 、7 8 ，p b 经过1 0 天可去除1 0 7 。刘建武等f 7 3 】研究报道， 凤眼莲对萘污水的适应和净化能力最强，细叶满江红最差，其生长适应和净化能 力依次为：风眼莲 水花生 浮萍 紫萍 细叶满江红。在起始浓度分别为2 5 、6 5 、 9 风叭莲生态型河道水流特性试验研究 1 6 1 m g l 的萘污水中，风眼莲的7 天净化率分别可达9 7 1 、9 3 7 和9 0 4 。 曾健等1 4 7 1 利用凤眼莲、水花生、水浮莲、浮萍四种水生植物净化三肼污水的研究 表明，风眼莲对三肼污水具有较高的适应性，对偏二甲肼、甲基肼也具有良好的 去除作用。凤眼莲对浓度不超过6 0 m g l 的偏二甲肼和甲基肼污水的净化速率分 别是自净速率的2 2 5 倍，在平均气温2 4 。c 时，净化浓度约1 0 m g l 的偏二甲肼、 甲基肼污水仅需1 2 1 6 天就可降至o 1 m g l 。 。在养殖水体或受污染水体中投放风眼莲，可有效地改良水质，优化养殖环境。 同时，风眼莲吸收能力强，生长快，可作高产增收优良的青绿饲料和绿肥，变害 为利。 吴淑杭，姜震方7 4 1 为了探索深度净化猪粪便污水的方法，选用了风眼莲进行 研究。结果表明，风眼莲的净化效果很好，在不影响凤眼莲正常生长的前提下， 单位面积水体生长的风眼莲越多去除禽畜粪便污水c o d 和n h 4 + - n 的效果越好。 肖 7 5 】对化粪池的净化试验结果也表明，风眼莲对c o d 去除率可达9 2 。 从大多数研究成果来看，风眼莲在静水状态下有很强的净化能力，但到目前 为止，具体地对其单一物种在动水状态下净化能力的研究还很少。所以，通过实 验室水槽建立动水模型，研究风眼莲在该条件下的净化能力有较重要的现实意 义。 1 5 对存在问题的评述 前人已经做了较多关于有植被河道水流特性的研究，但随着人们对生态环境 的逐渐重视，现有的研究成果是远远不够的，今后需要考虑的问题有： ( 1 ) 人为、随意地选择用来净化水体和美化环境的植被是不科学的，缺乏考 虑引入物种对河道水流结构的影响只会增加生态型河道的隐患。因此， 通过模型试验研究相关物种对水流的影响是急需的。 ( 2 ) 原先研究的植被只局限于草皮、矮树丛和树木，都是可能天然存在于河 道中的物种，其它物种的研究甚少，对于可能应用于生态型河道的物种 更需及时研究其对水流的具体影响。 ( 3 ) 以往的研究均是在一特定环境下做出的相应结论，有一定的局限性。由 于野外实地测量的局限性，目前尚未见到对整个天然河道进行实地量测 】o 第一章绪论 的研究。并且，由于先前量测仪器的精度有限，早期的研究基本上集中 于估价平均流速、阻力规律和糙率系数，植被区域水流没有得到详尽的 描述、分析和理解，且这些水动力特性在防洪、泥沙运动中的意义研究 尚不充分。另外，迄今为止，对有植被河道的研究，不论是单式断面还 是复式断面渠道，都局限于顺直河道，没有考虑到弯曲河道的实际影响。 ( 4 ) 从环境角度来看，先前的研究大多是在静水状态下对某一物种的净化能 力进行定量化的描述。当把这些物种引入到河道中进行生态型建设时， 由于河道中或多或少有一定的流速存在，与原先静水状态的情况有一些 差距。于是，进行这样的模型研究有利于我们认清生态型河道中物种的 实际净化能力。 ( 5 ) 实际工程建设中可能更多的依靠数值模拟来进行方案的认证，所以建立 更贴切的数值模型是急需的。 ( 6 ) 随着水生态环境越来越受到重视，河流的生态修复成为人们密切关注的 问题。此时，植被对水流的影响已不仅仅停留在防洪护岸或改变水体结 构这样单一的角度上，而需要从更广泛的角度进行综合研究，但由于试 验条件和环境的限制，到目前为止，很多学者还仅仅只从单一或两三个 方面着手研究。 总之，有植被的河道水流问题是- - f o 多学科交叉课题，它涉及到水流、泥沙、 植被、地貌、河道演变及环境生态等诸多领域，有待学者结合多方面的知识进行 探究。 1 6 研究内容简介 风眼莲生态型河道是通过在河道内种植风眼莲这一物种来达到水质改善和 生态美观的效果，然而凤眼莲漂浮于水面上势必影响了原先河道的水流特性；同 时风眼莲在河道中多少受到一定的水流冲刷，在这样一个动水状态下其水体的净 化能力究竟能达到多大昵? 因此，正确理解流经风眼莲的河道水流特性以及其在 河道中的水体净化效果对凤眼莲生态型河道的设计和建设都起到较重要的作用。 本文即对此问题进行了试验研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 因河道水流有一定流速存在，凤眼莲可能会随之漂移，另外考虑到风眼 风眼连生态型河道水流特性试验研究 莲的生长繁殖能力很强，为了方便收割，采用框束圈圈定其生长空间， 同时亦能达到防冲效果。在河道中布置了框束圈多少对水流也有影响， 所以首先对其水流特性进行了试验研究。利用三维超声波多普勒流速仪 ( a d v ) 测定不同位置、不同流量、不同水位的瞬时流场，主要分析测 点位置高程处的时均流速、紊动强度、雷诺应力的垂向、横向和纵向分 布。 ( 2 ) 选用大小较致，生物量相当的风眼莲种植于框束圈中，对流经风眼莲 的渠道水流特性进行试验研究。同样采用a d v 量测不同位置、不同流量、 不同水位的瞬时流场，分析测点位置高程处的时均流速、紊动强度、雷 诺应力的垂向、横向和纵向分布，在不同方式、不同流量、不同水位之 间比较凤眼莲对水流运动的影响，得到一些有实用价值的结论。 ( 3 ) 在不同方式、不同流量、不同水位，从时均流速、紊动强度、雷诺应力 三个角度比较种植前后的水流运动的变化。 ( 4 ) 定期取水检测水质来反应凤眼莲净化污水的能力，分析水质指标 ( c o d m 。、t n 、t 凡氨氮) 随时间的变化以及种植前后生物量的变化， 得出提高的净化效率以及达到最佳净化效果的生物量。 本试验旨在研究风眼莲生态型河道的水流特性，通过矩形明渠的模拟，对凤 眼莲的阻水效应进行定量化研究，具体分析凤眼莲对水流的影响，在一定的基础 上监测风眼莲的净水能力，并研究分析风眼莲生态型河道的可行性。 第一章试验方案、布置与前期准备试验 第二章试验方案、布置与前期准备试验 2 1 试验方案 本试验在河海大学水力学实验室的模型水槽中进行，旨在模拟凤眼莲生态型 河道的水流特性及水体净化效果。试验选用矩形有坡水槽，用潜水泵循环槽内水 体，槽首设矩形薄壁堰抬高水位，并设测压管量测堰上水头。 因河道水流有一定的流速存在，为防止风眼莲随水流漂移，特于渠底粘上铁 丝网( 铁丝网格：2 5 c m x 2 5 c r a ，铁丝直径：l m m ) 模拟框束圈，并在铁丝网之 间用红色鱼网线牵拉( 红线直径：l m m ) 。通过改变框束圈的形状、大小来改变试 验组次，共选用三种。试验用风眼莲大小较一致，生物量相当。 试验利用a d v 测定不同位置、不同流量、不同水位的瞬时流场，并于不同时 间取水检测水质，主要分析时均流速、紊动强度、雷诺应力的垂向、横向和纵向 分布，风眼莲对水位的影响，生物量的变化以及水质指标( c o d m 。、t n 、t p 、 氨氮) 随时间的变化。 整个试验分三种种植方式，每种方式选取同水位下三个流量和同流量下三个 水位五种工况，共3 5 组次，对每组量测不同位置的垂线流速，同时测定同流量、 同水位下水质指标和风眼莲生物量的变化，比较不同水位下的净化效果。 测速选取五个断面，种植区前、中、后各选一个，植被区选取两个断面。每 个断面选取3 根垂线，其中植被区的两个断面由于风眼莲框束圈的影响只选取中 问垂线。每根垂线上的测点数将根据实际水位决定，每隔0 8 - 2 0 c m 选取一个测 点。 首先，对矩形明渠水槽进行测速试验，同时进行一些试验前的准备试验，包 括垂线个数的选择、样本流速时长的选择等；其次，考虑到框束圈的阻水效应， 对未种植前布有框束圈的水槽进行测速，同时进行空白水质检测试验，方便后面 试验的分析比较；最后，是试验的主体部分，即对种有风眼莲的试验水槽进行流 速量测和水质检测。 由于每种种植方式的框束圈形状、大小不等，试验分为三个阶段。每阶段在 风跟莲生态型河道水流特性试验研究 量测完带有框束圈的水流后，在水槽中加入一定量污水，再加入自来水混合至要 求的水深，开启水泵设定并调节流量，待水混合稳定后取水检测并作为原水浓度， 然后种下一定生物量的风眼莲，稳定后测速。其后通过变换流量和水位，在五种 工况下分别量测。其中，在同流量下变水位是向水槽内添加自来水至要求的水位， 稳定后测速，并将第一次取水的水质浓度作为该段试验的原水浓度。期间每天定 时取水一次进行检测( 三个平行样) ，并连续七天记录下取水时的水、气温度。 流量选取分别表示为q 1 、q 2 、q 3 ，在q 3 条件下另选两个水位表示为w 2 、w 3 ， 种植方式分a 、b 、c 三种。 2 2 试验解决问题 本试验主要解决的问题如下： ( 1 ) 不同流量、不同水位下，从时均流速、紊动强度、雷诺应力三个角度比 较种植前后水流运动的变化； ( 2 ) 不同流量、不同水位之间比较种植风眼莲后对水流运动的影响； ( 3 ) 不同方式下比较凤眼莲对水流运动的影响； ( 4 ) 种植风眼莲后对水位的影响； ( 5 ) 在不同时间段取水检测水质，得出种植风眼莲所提高的净化效率； ( 6 ) 每阶段后称量风眼莲生物量，计算增长值，寻找达到水体净化最佳效果 的生物量。 2 3 试验布置 2 3 1 水槽内框束圈与测速垂线的布置 三种框束圈细部结构及测速断面和垂线的布置情况如图2 - 1 ，其中a 、c 方 式测速垂线顺水流方向从左至右分别为垂线2 、3 、4 ，而b 方式则分别为垂线l 、 3 、5 。图中框束圈迎水流从上至下从前到后圈号分别记为l 、2 、3 、4 。试验所 用风眼莲个体大小相当，a 、1 3 、c 三方式圈内种植密度分别为3 9 5 5 5 、3 1 8 3 2 、 2 7 4 8 8 k g m 2 。 1 4 第二章试验方案、布置与前期准备试验 肖戏 。一 。j 6 商 m m 宵自- ：i 客 、 、3 【j k i；叩 目武 日喊：自r 两自r 丽0 o 、3 - 4 测速垂线 水葫芦种植囤 霍缱埔母 单位tn n i宝l l 釉m 量、 一牾j ( o ，；l叫：。d i g埔l o 疗丑 断商：断面4断刺2断耐5断瓣3 测月l 垂女t 水葫芦种植圈 螽线蝙号 罨f 蔫禹瑟垂手弓寸_ 淹疰蓉干辛难_ _ 乜 断面i断甄4 鼬莉2断滞5鲋新0 蒯时 斟措剥i 。薄爵划。 麟1 荆黼 俯视图 1 5 测翊l 垂线 水葫芦种植叩 噩线编号 横向剖面围 单位zc n 风眼莲生态型河道水流特性试验研究 俯视图 横向剖面圈 单位：c n 图2 - 1 各方式框束圈细部结构与测速垂线布置图 2 3 2 流量与水位的布置 流量选取分别表示为q l 、q 2 、q 3 ，并在q 3 条件下另选两个水位w 2 、w 3 。 流量的变化主要通过循环管道上的阀门开启度控制，循环水泵的功率一定， 通过阀门的开启度调节可以控制水槽首端进水的速率，从而改变水槽主体内的流 量大小。水位的变化是通过向水槽内加减定量的水来实现的，每次水位的改变是 在静水状态下进行的，在水槽壁面刻有要求的水位高度，待水面的凹液面与刻度 线齐平时即停止水位的加减。在同一静水位组次的试验进程中，测速前补充槽内 水份的蒸发量，维持水槽内总水位不变。 2 3 3 试验工况 试验共3 5 个组次，各组次具体工况见表2 - 1 。3 5 组次可分为7 大组，第一 组为未种植前水槽的测速试验，第二、四、六组分别为布完网后水槽的空白对照 试验，第三、五、七为种有风眼莲后水槽的测速和水质试验。 1 6 第