不同流速条件下生态浮岛固定方式稳定性模拟研究

李海福，王铁良，程 健，苏芳莉

（1.沈阳农业大学水利学院，沈阳110161；2. 辽宁双台河口湿地生态系统国家定位观测研究站，辽宁盘锦124112；3.辽宁省水土流失防控与生态修复重点实验室，沈阳110161）

随着生态工程的日益兴起，一种污水生态净化技术——生态浮岛技术逐渐受到人们的重视。生态浮岛是一种长有水生植物或陆生植物、可为野生生物提供生境的飘浮岛，主要由浮岛基质、植物和固定系统组成[1]。最早研究浮岛技术的是美国生态学家GURNEY，他于1971 年发表的加拿大雁水上漂浮式人工巢论文，成为了生态浮岛研究的先锋[2]。1979 年由德国BESTMAN 公司开发的SchwimmkamPen 成为当代最早的生物浮岛（又名人工浮床）[3]，推动了生态浮岛技术在地表水体污染控制和生态修复方面的应用研究[4-5]。CHANG 等[6]根据不同区域的污染特征采用适宜的材料构建生态浮岛，用于污染水体的净化。针对养鱼池的水体污染稳定，牛天新等[7]构建了一种以PVC 为骨架，塑料盆和海绵为固定体的组合式生态浮岛，种植空心菜吸收水体中的富营养物质。针对景区水体流动交换量小实际情况，杨文焕等[8]采用高密度聚乙烯空心塑料基盘构建生态浮岛，种植水生植物营造水体景观，净化景区水体的污染。同时，张泽西等[9]采用聚苯乙烯纤维编织了无边框多孔浮岛的模式实验，分析不同水生植物的水质净化能力。孔令为等[10]对不同材料形式的浮岛净化效果进行了研究，认为添加丝瓜络、玉米芯的浮岛强化了浮岛栽植基质的脱氮除磷效果，净化效果明显高于单纯的PVC 框体植物浮岛和板式植物浮岛。为增强浮岛的基质微生物对水体的净化功能，王金旺等[11-12]构建新型的生态膜载体生态浮岛和辅以微生物固定化技术和曝气充氧技术的组合浮岛系统，经静态模拟试验研究显示，新型生态浮岛有效提高了污染水体总氮和总磷的去除率。基于吸附性材料的一种由黄花鸢尾、塑料浮板、改良型火山石填料、活性炭网组成的组合型生态浮岛的模拟研究表明，组合型生态浮岛可有效提高浮岛自身的水体净化能力[13]。

综上，相关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、池塘和河流广泛应用了生态浮岛技术[14-15]，且表现出良好的水质净化功能[6]。但是已有研究大多以模拟试验，或以养鱼池、湖泊、小河流等水流流速较小及流态稳定的水域开展相关研究，忽略了实际河流在流态复杂条件下，生态浮岛极易被损毁而丧失浮岛的水体净化功能，缺乏对于多变水体条件下的生态浮岛稳定性能的研究。本研究以辽河实际水文资料为基础，通过试验模拟研究不同流速作用下不同类型生态浮岛的稳定性，筛选出适合于复杂水体条件下的生态浮岛类型，为辽河干流及相关水系河流景观生态系统恢复提供技术支持，丰富生态浮岛研究理论。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究以辽河干流实际水文资料为基础，在沈阳农业大学水利综合实验基地构建生态浮岛模拟研究装置。浮岛载体采用高密度聚苯乙烯泡沫，密度18g·cm-3，不含挥发性有害物质，化学性质稳定。

1.1 试验设计

试验于2019 年6 月末至9 月在生态浮岛模拟试验装置内进行。试验装置基础埋深为浆砌石，地上为砖砌结构。试验池长2m，宽1m，深1m，共9 个，作为生态浮岛的模拟水域。本研究设置3.23、5.23、6.83m·s-1共3 个流速，沉坠式、索道式、立桩式3种固定方式，共计9组试验。

1.3 方法

1.3.1 浮岛载体模型 浮岛载体采用聚苯乙烯泡沫，载体长50cm，宽30cm，高10cm。在距离载体泡沫边缘5cm 处挖6个上口径7cm，下口径5cm 的植物栽植锥形圆孔，与植物栽植盆尺寸一致，在载体外围用废旧自行车胎做一保护圈，防止泡沫被刮碰破坏，且方便绳索的连接与固定。用宽2cm 的纤维扁绳将保护圈和载体一起交叉绑定，避免保护圈掉落。浮岛载体模型见图1。

图1 浮岛载体模型Figure 1 The model of floating island carrier

1.3.2 流速模拟 流速模拟设备主要由水泵（额定抽水量15m3·h-1）、5cm 口径PPR 管、软胶皮管、阀门、小量程压力表（最大量程0.4MPa）组成。水泵是整个设备的水流控制中心，实现水的循环，避免水资源的浪费；PPR 管是水流的输送通道；软胶皮管用于水泵与PPR 管的连接和PPR 管末端的导流；阀门是流速调节中心，通过控制流量实现流速调节；压力表是用于显示不同流速的水压力指数。流速率定结果见表1，试验模拟装置见图2。

图2 流速模拟装置Figure 2 The simulator of flow

表1 流速率定结果Table 1 Calibration result of flow velocity

1.3.3 浮岛固定方式 本研究根据辽河干流实际建设条件，设计了沉坠式、索道式、立桩式3 种固定方式，在试验过程中考虑到实际河流中水位越高，流速和流量随之越大的实际情况，按最不利因素确定在试验过程中所有试验池水深均保持在0.8m。（1）沉坠式浮岛。沉坠式浮岛布设在1～3 号池，采用防风化能力较强的4 根纤维绳固定（绳子有效长度1.15m）。将浮岛载体放置于池子水面中央，每根绳子的一端绑定在浮岛载体保护圈的四角，另一端分别绑定到4 个重3kg 的矩形混凝土沉坠上，置于试验池的四角，使连接浮岛和沉坠的绳子刚好绷直。（2）索道式浮岛。索道式浮岛布设在4～6 号池，鉴于施工和取料方便，布设前在4～6 号池池壁两侧预埋长2m，截面积为5cm×10cm的方形木桩8根，其中地下埋深1m，地上预留1m。然后在两个木桩之间沿池壁（长边方向）拉一条铁丝（20#），作为固定浮岛的索道，并在索道沿池子的两个短边方向各做一个铁丝扣。将浮岛放置在池子水面中央，各用一根纤维绳绑定在保护圈四角，另一端分别绑定在索道的铁丝扣上，避免绳索滑动。（3）立桩式浮岛。立桩式浮岛布设在7～9号池，同理，布设前在7～9号池池壁两侧预埋长3m，截面积为5cm×10cm的方形木8根，其中地下埋深1m，地上预留2m，作为固定浮岛的立桩。立桩布设完成后，将浮岛放置在池子水面中央，各用一根纤维绳绑定在保护圈四角，另一端分别绑定在立桩地上1.5m处并固定。

1.3.4 数据采集与分析（1）浮岛稳定性指标选择。试验设计对不同流速作用下浮岛稳定性进行评价，选择浮岛的纵向位移（长边方向）、横向位移（短边方向）和垂直浮动位移（浮岛随水面上下摆动大小）3 个指标作为评价体系。（2）指标测定与分析。纵向、横向和垂直浮动位移观察分别利用安装在浮岛右侧、后端、左侧的指针（用铁丝制成）变动所对应的水平固定于纵向、横向池壁和竖直水面固定于左侧池壁的观测尺读数观察并记录。观测尺量程为1m，精度0.01m。数据观测采用高像素数码相机的连拍功能拍摄记录，试验开始前，先记录指针的起始位移，开始试验后每60s依次拍摄纵向、横向和垂直浮动位移一次，共拍摄5 次，然后静置至浮岛不再摆动（约5min），做重复试验，每次试验重复3次，数据采集方法相同。相机的采集的数据经计算机判读输出，经不同流速作用下力学分析、浮岛位移变化分析及综合稳定分析确定不同固定方式浮岛的稳定性，筛选出最适宜的生态浮岛类型。

2 结果与分析

2.1 不同流速条件下浮岛力学稳定性分析

2.1.1 受力分析（1）空间受力分解。沉坠式生态浮岛空间受力分解见图3～图5。（2）力学解析。由图3沉坠式浮岛空间受力分析图得：

图3 沉坠式浮岛空间受力分析Figure 3 Space force analysis of sinking floating island

由图4浮岛水平方向受力分析图得：

图4 浮岛水平方向空间受力分析Figure 4 Horizontal force analysis of floating island

由式（4）得：

由图5沉坠式浮岛垂直方向受力分析图得：

图5 沉坠式浮岛垂直方向受力分析Figure 5 Vertical force analysis of sinking type

由式（6）得：

同理，索道式和立桩式浮岛垂直方向受力分析结果见式（8）。

2.1.2 不同浮岛绳索拉力分析 由于本研究旨在讨论不同流速作用下不同浮岛的稳定性分析，故浮岛绳索拉力采用式（5）计算。

（1）不同流速作用下的水流冲力。水流冲力采用恒定总流动量式（9）进行计算：

对水流喷出管道冲击到浮岛的全部水体作为控制体，沿水平方向取X轴，得到X方向的动量方程：

在试验过程中为减少能量损失，输水管道末端与浮岛始终保持在5cm以内，故在水流冲力的计算中不计能量损失，由能量方程得V1=V2=V，流速在X 轴上的投影V1X=V、V2X= 0 。分析控制体受力，由于水流冲击到浮岛后，周界及转向后的水流方向表面都处在大气中，可认为浮岛水流接触表面的动水压强等于大气压强，故动水压P1=P2= 0。不计水流与空气、水流与浮岛见的摩擦阻力。重力G与X 轴垂直，Gx= 0。设浮岛作用于水流的反力为R→，方向相反，取β1=β2= 1.0，得：

故当V=6.83m·s-1时，F冲= 46.41N；当V=5.23m·s-1时，F冲= 27.21N；当V=3.23m·s-1时，F冲= 10.38N。

（2）不同流速下的绳索拉力。根据试验时的实测数据和角度换算，在不同流速作用下不同浮岛类型固定绳索与水面的夹角α和绳索垂直投影与池壁的夹角β平均值见表2。

表2 不同流速条件下生态浮岛绳索角度变化结果Table 2 Analysis of the angle change of the ecological floating island rope under different flow rates

将实测角度数据α、β和不同流速作用下的水流冲力F冲带入式（5），得不同流速作用下不同浮岛类型的绳索拉力（图6）。由图6 可知，在不同流速作用下不同浮岛绳索拉力理论计算值与实测值变化规律一致，在6.83m·s-1水流条件下，浮岛理论绳索拉力立桩式较索道式增加12.69%，沉坠式较立桩式增加17.52%；浮岛实测绳索拉力立桩式较索道式增加84.37%，沉坠式较立桩式增加314.41%，浮岛绳索拉力总体呈索道式＜立桩式＜沉坠式。在5.23m·s-1水流速条件下，浮岛理论绳索拉力立桩式较索道式增加14.13%，沉坠式较立桩式增加21.87%；浮岛实测绳索拉力立桩式较索道式增加107.59%，沉坠式较立桩式增加359.15%，浮岛绳索拉力总体呈索道式＜立桩式＜沉坠式。在3.23m·s-1水流条件下，浮岛理论绳索拉力立桩式较索道式增加12.52%，沉坠式较立桩式增加32.34%；浮岛实测绳索拉力立桩式较索道式增加103.45%，沉坠式较立桩式增加244.07%，绳索拉力总体呈索道式＜立桩式＜沉坠式。综合来看，在不同流速作用下，浮岛理论绳索拉力立桩式平均较索道式增加13.12%，沉坠式平均较立桩式增加23.91%；浮岛实测拉力立桩式平均较索道式增加98.47%，沉坠式平均较立桩式增加305.87%。结果表明，不同类型浮岛在不同流速作用下索道式浮岛稳定性优于立桩式，立桩式优于沉坠式，沉坠式稳定性较差。

图6 不同固定方式生态浮岛绳索拉力变化结果Figure 6 Analysis of rope pulling force of the ecological floating islands with different fixing modes

2.2 不同流速条件下浮岛稳定性综合分析

2.2.1 浮岛位移变化 由图7可知，（1）对浮岛横向位移，在3.23m·s-1水流作用下，浮岛横向位移沉坠式较索道式减小8.67%，立桩式较沉坠式减小75.15%，浮岛横向位移总体呈立桩式＜沉坠式＜索道式，即立桩式浮岛最为稳定，沉坠式次之，索道式较不稳定；在5.23m·s-1水流作用下，浮岛横向位移索道式较沉坠式减小9.25%，立桩式较索道式减小39.78%，浮岛横向位移总体呈立桩式＜索道式＜沉坠式，即立桩式浮岛最为稳定，索道式浮岛次之，沉坠式浮岛较不稳定；在6.83m·s-1水流作用下，浮岛横向位移索道式较沉坠式减小42.59%，立桩式较索道式减小15.95%，浮岛横向位移总体呈立桩式＜索道式＜立桩式，即立桩式浮岛最为稳定，索道式浮岛次之，沉坠式浮岛较不稳定。（2）对浮岛纵向位移，在3.23m·s-1水流作用下，浮岛纵向位移索道式较沉坠式减小15.59%，立桩式较沉坠式减小63.35%，浮岛纵向位移总体呈立桩式＜索道式＜沉坠式，即立桩式浮岛最为稳定，索道式次之，沉坠式较不稳定；在5.23m·s-1水流作用下，浮岛纵向位移立桩式较沉坠式减小73.61%，索道式较立桩式减小5.98%，浮岛纵向位移总体呈索道式＜立桩式＜沉坠式，即索道式浮岛较为稳定，立桩式浮岛次之，沉坠式浮岛较不稳定；在6.83m·s-1水流作用下，浮岛横向位移索道式＜立桩式＜沉坠式，即索道式浮岛较为稳定，立桩式次之，沉坠式较不稳定。（3）对浮岛垂直浮动位移，在3.23m·s-1和5.23m·s-1水流作用下，3 种固定方式的浮岛垂直浮动位移大小基本一致，即3 种固定方式的浮岛稳定性无明显差别；在6.83m·s-1水流作用下，浮岛垂直浮动位移索道式小于立桩式和沉坠式，沉坠式略小于立桩式，即索道式稳定性优于立桩式和沉坠式，沉坠式稳定性略优于立桩式。综合分析显示，在不同流速作用下，浮岛横向位移索道式平均较沉坠式减小14.39%，立桩式平均较索道式减小44.28%；浮岛纵向位移索道式平均较沉坠式减小55.17%，立桩式平均较沉坠式减小63.16%，索道式平均较立桩式减小20.18%，总体表现出索道式和立桩式浮岛稳定性优于沉坠式。

图7 浮岛稳定性分析图Figure 7 Stability analysis of floating island

2.2.2 浮岛稳定性分析 为进一步分析明确不同固定方式浮岛的稳定性，筛选出最为适宜的生态浮岛类型，本研究基于上述位移变化分析结果进行了经多变量双因素方差分析，结果表明在0.05 的显著性水平下，不同流速对浮岛纵向、横向、垂直浮动位移的影响均很显著（p值均为0.000），说明流速变化是影响浮岛稳定的关键因素，不同固定方式对浮岛纵向、横向、垂直浮动位移的影响均很显著（p值均为0.000），说明不同固定方式的浮岛稳定性差异显著。不同固定方式和不同流速综合影响对浮岛纵向、横向、垂直浮动位移的交互效应均很显著（p值均为0.000），说明不同固定方式的浮岛在不同流速作用下稳定性存在显著的差异，因此需对方差分析结果进行深入分析确定不同固定方式浮岛的稳定性差异。

基于方差分析结果，对每一组合水平( )Ai,Bj上的观测数据，求其样本均值作为每组水平上的总体均值的估计值，利用置信度不小于95% 的Bonferroni 同时置信区间对其均值做多重比较分析。Bonferroni 同时置信区间分析结果见表3。由表3可知，（1）对浮岛纵向位移，在3.23m·s-1流速作用下，沉坠式和索道式固定方式对纵向位移的影响较立桩式固定方式显著，沉坠式和索道式固定方式对纵向位移的影响无显著差异；在5.23m·s-1流速作用下，沉坠式和索道式固定方式对纵向位移的影响均比立桩式固定方式显著，沉坠式和索道式固定方式对纵向位移的影响无显著差异；在6.83m·s-1流速条件下，沉坠式固定方式对纵向位移的影响比索道式和立桩式固定方式显著，索道式固定方式对纵向位移的影响比立桩式固定方式显著。（2）对浮岛横向位移，在3.23m·s-1流速作用下，沉坠式和索道式固定方式对横向位移的影响均显著于立桩式，而沉坠式和索道式固定方式对横向位移的影响无显著差异；在5.23m·s-1流速作用下，沉坠式固定方式对浮岛横向位移的影响显著于索道式和立桩式固定方式，而索道式和立桩式固定方式对浮岛横向位移的影响无显著差异；在6.83m·s-1流速作用下，沉坠式固定方式对浮岛横向位移的影响显著于索道式和立桩式固定方式，而立桩式固定方式对浮岛横向位移的影响显著于索道式固定方式。（3）对浮岛垂直浮动位移，在3.23，5.23，6.83m·s-1流速作用下，3 种固定方式的浮岛垂直浮动位移均无显著差异。由纵向、横向、垂直浮动位移3个指标整体分析表明，在不同流速作用下，浮岛稳定性索道式优于立桩式，立桩式优于沉坠式。

表3 Bonferroni同时置信区间分析结果Table 3 Results of Bonferroni simultaneous confidence interval

3 讨论与结论

生态浮岛作为漂浮于水面的物理综合体，在水流作用下，浮岛受自身重力和绳索牵引手里受力影响外，还受水体自身的作用影响[16]。浮岛在模拟水流作用下，牵引绳索主要受水流冲击力、浮岛重力和浮力影响，同时受反方向水体阻力影响造成水体冲击力能量的损失[17-18]。因此，本研究对不同流速作用下各类型浮岛伸缩拉力的分析显示，因水流冲击力在作用于浮岛载体后，能量出现了损失，引起伸缩拉力实测值较理论计算值小。经对观测数据的多重比较分析表明，不同固定方式的浮岛在不同流速作用下稳定性存在明显差异。从浮岛纵向位移变化量来看浮岛稳定性立桩式优于索道式，索道式优于沉坠式；从浮岛横向位移变化量来看，浮岛稳定性索道式优于立桩式，立桩式优于沉坠式；从浮岛垂直浮动位移变化量来看，3 种固定方式浮岛差异不大。研究结果与相关学者关于生态浮岛稳定性筛选的研究结果一致[19-20]，认为不同固定方式浮岛总体上索道式和立桩式浮岛稳定性优于沉坠式。

根据不同类型生态浮岛受力分析显示，不同浮岛类型在在不同流速作用下生态浮岛绳索拉力总体表现为索道式＜立桩式＜沉坠式，说明索道式浮岛稳定性优于立桩式，立桩式优于沉坠式，沉坠式稳定性较差。根据横向、纵向和垂向生态浮岛位移变化量及多重比较分析结果，浮岛位移变化量总体上表现出索道式和立桩式在不同流速作用下总体小于沉坠式，浮岛稳定性索道式和立桩式优于沉坠式。综合不同固定方式生态浮岛受力、位移及稳定性分析显示，生态浮岛稳定性索道式优于立桩式，立桩式优于沉坠式。因此本研究推荐索道式浮岛作为辽河干流生态浮岛试验建设的理想类型，立桩式浮岛作为备选类型，沉坠式浮岛不适合应用于流态复杂的大河流。