时圣玉，李海福，苏芳莉

(沈阳农业大学水利学院，110866，沈阳)

河流沉坠式人工生态浮岛固定方式试验

时圣玉，李海福，苏芳莉†

(沈阳农业大学水利学院，110866，沈阳)

以辽河实际水文资料为基础，在沈阳农业大学水利学院综合试验场内，模拟不同流速水流冲击作用下沉坠式生态浮岛固定方式的稳定特征。结果表明:制作合理的浮岛模型，要始终保持浮岛在水面漂浮，同时减低浮岛在水中的重心;根据不同水流情况，应适当调整浮岛之间的距离，以免发生浮岛相互碰撞，水流速度越大，浮岛之间的距离就越大。研究结果对辽河生态浮岛的布设有着重要的意义。

生态浮岛;固定方式;沉坠式;辽河

生态浮岛又称生态浮床，最早在1979年被德国以schwimmkampen(floating campus)的名称介绍和推广［1］。1995年在日本受到广泛重视。之后，不少科研单位与企业开始对生态浮岛进行试验研究，并将生态浮岛定义为将植物种植于浮于水面的床体上，利用植物根系吸收水体中污染物质，同时植物根系附着的微生物降解水体中污染物［2］，从而有效进行水体修复的技术。这种技术作为修复污染水域同时改善富营养化水体水质的有效方法之一［3－4］，因具有造价低廉、运行简便、改善景观环境等优点［5］，在国内外的研究和应用中正日益增多，被公认为是一项具有广阔应用前景的水体净化技术［6］。

刘娅琴等［7］研究表明，生态浮床系统对浮游植物的影响是通过系统对营养物质的去除来实现的，同时，对P的高效去除也是浮床系统抑制蓝藻水华的因素之一。黄婧等［8］研究发现，水培蕹菜(Ipomoea aquatic)是一种可用于富营养化水体水质净化的优良植物。尽管国内外对生态浮岛的研究已有很多成功的案例和经验，并在国内外众多湖泊、池塘和河流中得到了应用［9－10］;但已有研究大多以室内实验模拟，或以湖泊、小河流等水流状态比较稳定的水域中的水质净化研究为主，且多见于南方和热带及亚热带气候区域，针对流态和水文情况复杂的大型河流及北方的研究却少有报道。笔者针对辽河水质恶化和生态景观破碎问题，以辽河水文资料为基础，通过在实验条件下模拟不同流速作用下沉坠式生态浮岛的稳定特征，探讨辽河实地生态浮岛建设适宜的浮岛固定方式及浮岛类型构造，以期为辽河生态浮岛建设提供理论与技术指导，从而促进辽河的水质改善和景观恢复重建。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

1)模拟动水状态的实验池。模拟实验池位于沈阳农业大学水利学院综合试验场内。在实验场平坦处，用混凝土砌成3个大小相等的实验池，在池内模拟河道水流状况设置实验。每个实验池的尺寸:长×宽×深为2.0 m×1.0 m×0.8 m，实验池基础埋深为0.8 m，地上部分高为0.9 m，内部深度为0.8 m。

2)流速控制设备。流速控制设备由ppr管组装而成，并通过15 m3潜水泵、阀门以及量程为0～0.4 mPa的压力表控制水流速度。水流速度计算公式为

式中:v为水流速度，m/s;V为装置抽出水的总体积，L;d为橡胶管内径，mm;t为抽出水所花的时间，s。通过计算得到流速与压力的对应关系如表1所示。

选出3组流速用于实验，分别是在压力为0 mPa时流速为6.83 m/s，压力为0.040 mPa时流速为5.23 m/s，压力为0.060 mPa时流速为3.32 m/s。

3)浮岛模型的制作。浮岛模型如图1所示，是由高密度聚苯乙烯制作而成，共制作3个，每个池子放置1个。每个浮岛模型的尺寸:长×宽×高为50mm×30 mm×10 mm，密度为1.8 g/cm3。在距离泡沫边缘5 cm处挖出6个上口径7 cm、下口径5 cm的植物栽植孔，与植物栽植盆大小一致，然后在模型外围用废旧自行车胎做一保护圈，防止泡沫被刮碰破坏和方便后期的绳索固定。在固定保护圈时，采用宽2 cm的纤维绳，把保护圈和模型一起交叉绑定，以免后期放入实验池后保护圈掉落。

表1 流速与压力的对应关系Tab．1 Correspondence between velocity and pressure

图1 浮岛模型Fig．1 Floating island model

4)植物的选择与栽植。在进行浮岛固定实验前，购买在辽河内能够生长的4种水生植物千屈菜(Lagerstroemia subcostataKoehne)、鸢尾(Iris potaninii)、紫花玉簪(Hosta plantagineaAschers)和玉带草(Pratia nummularia)并栽植到水中进行预实验。实验于2011年4月末至9月初在沈阳农业大学水利综合实验基地进行。把每种植物分别栽种到6个实验盆中，每个实验盆栽10株植物，观测其长势。通过对比，紫花玉簪和玉带草生长状况较差，千屈菜和鸢尾生长状况良好。故选用千屈菜和鸢尾栽植到浮岛模型中。将碳渣、碎石和沙土均匀混合放入高7 cm、直径7 cm的花盆中，再分别栽入千屈菜和鸢尾，保证根部全部掩埋在混合物中。

1.2 实验方法

1)浮岛布设方式。3个浮岛模型分别放在编号为1池子、2池子、3池子正中央处，采用防风化能力较强的4根纤维绳(绳子有效长度1.15 m)的一端绑定在浮岛载体保护圈的4个角上，另一端分别绑定一块质量3 kg的矩形混凝土块作为沉坠，放置于实验池的4个角上，使连接浮岛和沉坠的绳子刚好绷直，如图2所示。

图2 浮岛的布设方式Fig．2 Fixation methods of floating island

2)数据采集方法。在浮岛长边和短边的中间插入用铁丝做成的指针，再把量程为100 cm、精度为0.01 m的2把尺子分别悬挂在池壁的长边和短边上，确保在实验开始后指针在尺子的量程内，同时可以分辨出指针的读数，放置在池子长边处的尺子叫纵向尺，放置在池子短边处的尺子叫横向尺。

在实验前，用具有连拍功能的数码相机奥林巴斯SP－610UZ拍摄沉坠式浮岛的指针读数，同时向横向尺移动浮岛，使其绳子保持最大张力而沉坠不发生位移，次时，用相机拍摄纵向尺的指针。实验开始后，保证流速控制设备的出水口与浮岛的距离为5 cm，试验时间5 min。每隔60 s用数码相机分别拍摄横向尺和纵向尺，共拍摄5组数据。实验结束后，往横向尺方向移动浮岛，使其绳子保持最大张力而沉坠不发生位移，次时，用相机拍摄纵向尺的指针。在3种不同的流速情况下，3个池子内分别重复上述实验3次。

1.3 物理模型分析

每个浮岛的受力分析如图3所示。

1)垂直方向。有

式中:F为浮岛的浮力，N;G为浮岛的重力，N;数字4为4个沉坠的数量;g＇为沉坠的重力，N。

浮岛的重力G为载体质量、栽植植物的基质质量与植物的质量之和，重力的计算公式为G=mg(m为浮岛的质量，kg;g为重力加速度)。植物质量随植物生长周期的不同而不同，所以，浮岛的浮力必须大于植物质量达到最大值时浮岛的重力，否则会导致浮岛下沉，植物死亡。浮岛的浮力F通过浮力公式F=ρg V排(密度 ρ=1.0×103kg/m3;重力加速度g=9.8 N/kg;V排为浮岛浸泡在水中的体积，cm3)计算得出。浮力公式中唯一的变量V排可以通过测量浮岛载体浸入水中的深度h计算得出，即V排=50×30 h。对于沉坠重力g＇要分别测量出4个沉坠的质量，再根据重力公式计算得出。

图3 浮岛受力分析Fig．3 Stress analysis of floating island

2)横向方向。有

式中:T为水流的冲力，N;数字2为沉坠的数量;f为沉坠的摩擦力，N。

通过摩擦力计算公式f=μg，保证浮岛的稳定要确保沉坠的质量足够大，同时沉坠和地面之间有一定的摩擦力，即体现为摩擦因数μ的数字量，主要影响因素有接触面的材料和接触面的粗糙度。

2 结果与分析

在不同水流压强作用下，记录的生态浮岛的横向尺和纵向尺的位移量见表2。可以看出:在水流压强为0 mPa时，浮岛的横向尺位移量均值达到最大，为21.45 cm，水流压强为0.06 mPa时，浮岛的横向尺位移量均值最小，为7.24 cm;在水流压强为0 mPa时，浮岛的纵向尺位移量均值达到最大，为16.96 cm，水流压强为0.06 mPa时，浮岛的纵向尺位移量均值最小，为7.28 cm;在水流压强为0 mPa时，浮岛的沉坠位移量均值达到最大，为2.33 cm，水流压强为0.06 mPa时，浮岛的沉坠位移量均值最小，为1.33 cm。可知，水流压强的大小影响浮岛的位移量。水流压强越大，浮岛的位移量越大，即浮岛的摆动幅度越明显。

在水流压强为0 mPa时，浮岛横向位移和纵向位移量分别为21.45和16.96 cm，在水流压强为0.04 mPa时，浮岛横向位移和纵向位移量分别为12.83和9.79 cm，横向位移量大于纵向位移量，说明横向摇摆幅度大于纵向摇摆幅度。在实际河流中，浮岛横向与纵向受力不均，会导致浮岛侧翻现象。根据经典物理学，物体的重心越低，受到相同作用力时，稳定性越高，所以，在保证生态浮岛不下沉的情况下，可以适当增加浮岛自身质量，以降低生态浮岛的重心，增加生态浮岛的稳定性。在布设生态浮岛时，应把横向位移量作为确定浮岛之间距离的依椐，以减小浮岛的相互碰撞。

表2 浮岛在不同水流压强作用下的位移量Tab．2 Floating island of displacement under different flow rates of water

3 结语

1)浮岛本身的浮力必须要大于浮岛植株自身最大重力，不能用植株在未达到最大质量时的重力进行计算。

2)在保证生态浮岛漂浮的情况下，可以适当增加浮岛自身质量，以防止侧翻。

3)在确定浮岛沉坠质量时，应适当增加接触面的摩擦度，以保证浮岛的稳定。

4)布设浮岛时，要根据不同河流流速，适当调节浮岛之间的相互距离，当水流速度为6.8 m/s时，生态浮岛之间的距离为22 cm，当水流速度为5.2 m/s时，生态浮岛之间的距离为13 cm，当水流速度为3.3 m/s时，生态浮岛之间的距离为8 cm。

4 参考文献

［1］Hoeger S.Sehwimmkam Pen Germany’s article floating islands［J］.J Soli Water Cons，1988，43(4):304－306

［2］曹勇，孙从军.生态浮床的结构设计［J］.环境科学与技术，2009，32(2):121－124

［3］Li Wen，Friedrich R.In situ removal of dissolved phosphorus in irrigation drainage water by planted floats:preliminary results from growth chamber trial［J］.Agric E－cosystem Environ，2002，90(1):9－15

［4］Monnet F，Vaillant N，Hitmi A，et al.Treatment of domestic wastewaterusing the nutrientfilm technique(NFT)to produce horticultural roses［J］.Water Res，2002，36(4):3489－3496

［5］李英杰，金相灿，年跃刚，等.人工浮岛技术及其应用［J］.水处理技术，2007，33(10):49－51

［6］Cristina S C，Antonio O S S，Paula M L.Constructed wetland systems vegetated with different plants applied to the treatment of tannery wastewater［J］.Water Research，2007，41:1790－1798

［7］刘娅琴，邹国燕，宋祥甫，等.框式复合型生态浮床对富营养水体浮游植物群落结构的影响［J］.水生生物学报，2010，34(1):196－202

［8］黄婧，林惠凤，朱联东，等.浮床水培蕹菜的生物学特征及水质净化效果［J］.环境科学与管理，2008，33(12):92－94

［9］Craig T M，Randall K S，Charles C.Physiealand vegetative charaeteristies of floating islands［J］.Aquatic Plant Manage，2001，39:107－111

［10］Alam S K，Ager L A，Rosegger T M，et al.The effects of mechanical harvesting of floating plant tussock communities on water quality in Lake Istokpoga［J］.Floride Lake Resery Manage，1996，12:455－461

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

国家自然基金青年基金“造纸废水对辽河三角洲湿地生态系统的影响及生态修复研究”(31100517);辽宁省高等学校优秀人才支持计划“双台河口湿地净化入海污水植物根际效应研究”(LJQ2011070);辽宁省教育厅科学技术研究项目“造纸废水对双台河口盐碱化湿地生态修复研究”(2009A628)

时圣玉(1988—)，男，硕士研究生。主要研究方向:水土保持与生态环境评价。E－mail:henneshengyu@163.com

†责任作者简介:苏芳莉(1977—)，女，博士后，副教授，硕士生导师。主要研究方向:水土保持与生态环境评价。E－mail:sufangli8@163.com

(责任编辑:宋如华)