一种人工阶梯深潭单元、深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用

摘要

本发明提供了人工阶梯深潭单元、深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用,属于河流生境恢复技术领域。人工阶梯深潭单元是由5～10个梯形体结构沿其长度方向紧固连接得到；梯形体结构包括梯形体石笼网结构和填充在梯形体石笼网结构的内腔中的卵石。人工阶梯深潭群组，是阶梯深潭单元按鱼鳞状交错摆放于河道中，所述阶梯深潭单元按照河道宽度、阶梯深潭单元的深度和河床的坡度确定行距，根据阶梯深潭单元长度确定间距，根据河床的坡度确定沿河流方向阶梯深潭单元的数量。将人工阶梯深潭组群用于改善自然河流生境中，有利于提供生物栖息环境，从而起到改善自然河流生境的作用。

说明书

技术领域

本发明属于河流生境恢复技术领域，具体涉及一种人工阶梯深潭单元、深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用。

背景技术

河床底质栖息环境常见为浅滩和深潭两类。浅滩的生境中，水深较浅，水流湍急，河流水体具有较强的曝气增氧能力，同时较好的光热条件，使浅滩中不同底质上(鹅卵石、片石等)上附着的藻类、水生昆虫种类繁多，能够为鱼类提供良好的觅食处，并可供鸟类、两栖动物和昆虫栖息以及鱼类产卵。而深潭生境中，水流缓慢，水深加大，是鱼类和各类底栖水生动物的良好休息和庇护所，也是洪水期、干旱期等逆境条件下，鱼类等水生生物避难提供场所。自然河流中深潭和浅滩的交替存在可形成河流水体中流速变换和多样生境，为丰富河流的生物多样性，提供了基础条件，并使附着在河床上的生物数量增加，提高了生物链底端生物数量，有利于水体自净能力增强和河流水生生态系统的稳定。

自然条件下，河流中阶梯-深潭结构多存在在生境良好的环境中，常在河床坡降较大的山区河流中自然形成，是山溪型河流中常见的一种微地貌形式。一般而言，阶梯深潭结构出现的河段河宽较小(小于30m)且坡降较大的上游区，在同属山区型河流中下游区或河床坡降较大、水深浅但河宽较大(大于50m)的河流中，少有产生阶梯深潭结构。

发明内容

有鉴于此，为了充分利用梯深潭结构提高河流生物多样性，提高河流水体自净能力，针对山区型河流中下游区或坡降较大的城市段河流，河宽较大不易形成阶梯深潭结构的问题，本发明提供一种人工阶梯深潭单元、深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用。

本发明提供的一种人工阶梯深潭单元，所述深潭单元是以梯形体结构为基本元件；所述梯形体结构包括梯形体石笼网结构和填充在所述梯形体石笼网结构的内腔中的卵石；

所述梯形体石笼网结构的下底面的宽度为70～100cm，所述梯形体石笼网结构的上底面的宽度为20～40cm；所述梯形体石笼网结构的下底面或上底面的长度为1～2m；所述梯形体石笼网结构的垂直高度为40～80cm；

所述梯形体石笼网结构中石笼网的孔径为5～8cm，所述卵石的粒径为10～30cm；

所述深潭单元是由5～10个所述梯形体结构沿所述长度方向紧固连接得到。

优选的，所述梯形体结构包括等边梯形体结构或不等边梯形体结构。

优选的，所述不等边梯形体结构为一边垂直的梯形体结构。

优选的，所述梯形体石笼网结构的下底面的宽度为80cm，所述梯形体石笼网结构的上底面的宽度为30cm。

优选的，所述梯形体石笼网结构的垂直高度为50cm。

优选的，所述梯形体石笼网结构中石笼网的孔径为6cm；所述卵石的粒径为15～25cm。

优选的，所述深潭单元是由6～8个所述梯形体结构沿所述梯形体石笼网结构的下底面或上底面的长度方向紧固连接得到。

本发明提供了一种人工阶梯深潭群组，所述的阶梯深潭单元按鱼鳞状交错摆放于河道中；

沿河流方向，每两个阶梯深潭单元的行距由公式a计算得到；

L＝0.5H/α·S 公式a

其中，L表示每两个阶梯深潭单元的行距，H表示阶梯的高度，即所述梯形体结构的垂直高度；S表示所处河段的河床内平均坡降，且S<0.03；α为1.2～2.0，α值根据α＝40S计算得到；

沿河道的宽度方向，每两个阶梯深潭单元的间距为阶梯深潭单元总长度的5～10倍；

沿河流方向，所述阶梯深潭单元组群包括阶梯深潭单元的数量按照公式b计算得到；

W＝1/(0.03-S)公式b

其中，W表示沿河流方向，所述阶梯深潭单元组群包括阶梯深潭单元的数量；S表示所处河道的河床内平均坡降，且S<0.03。

本发明提供了所述人工阶梯深潭组群在改善自然河流生境中的应用。

优选的，所述改善自然河流生境的方法，包括以下步骤：

1)选择待改善的自然河流；

2)测定所述待改善的自然河流中河床1km内的坡度、河水流速和河道的宽度，计算待改善的自然河流中河床的平均坡度和平均河水流速；

3)根据步骤2)中河床的平均坡度、平均河水流速和河道的宽度，计算河床各段中每两个阶梯深潭单元的行距、间距和沿河流方向所需阶梯深潭单元的数量；

4)根据步骤3)中所述阶梯深潭单元的行距和间距，摆放人工阶梯深潭组群。

本发明提供的一种人工阶梯深潭单元，所述深潭单元是以梯形体结构为基本元件；所述梯形体结构包括梯形体石笼网结构和填充在所述梯形体石笼网结构的内腔中的卵石；所述梯形体石笼网结构的下底面的宽度为70～100cm，所述梯形体石笼网结构的上底面的宽度为20～40cm；所述梯形体石笼网结构的下底面或上底面的长度为1～2m；所述梯形体石笼网结构的垂直高度为40～80cm；所述梯形体石笼网结构中石笼网的孔径为5～8cm，所述卵石的粒径为10～30cm；所述深潭单元是由5～10个所述梯形体结构沿所述长度方向紧固连接得到。本发明以梯形体结构为基本元件，梯形体结构下宽上窄，整体重心下移，有利于使人工阶梯深潭单元在水流湍急的河流中保持稳定，形成稳定的人工解阶梯深潭，增加河流生态环境。同时填充在梯形体石笼网结构的内腔中的卵石粒径比梯形体石笼网结构的孔径大很多，不仅有利于支撑梯形体结构，也有利于在卵石孔隙形成较大较多的孔隙，在梯形体结构中形成与河流相比，动态相对小的微环境，利于河流生物的栖息和繁衍。

本发明提供了一种人工阶梯深潭群组，通过人工方式形成阶梯深潭结构，使水流在形成的阶梯深潭群组区充分剪切、传质、混合、增氧，提高水体自净能力。同时可在不易自然形成阶梯深潭的较宽河流区快速构建出阶梯深潭区域，增加河流底质生境多样性，利于河流生境的快速恢复。此外，还能形成跌水交错的河流生态景观，流速多样性提高，不同流速喜好的底栖动物都能找到其适应的流速带，利于其的栖息和发育，进而提高河流生物多样性。

附图说明

图1为本发明制备的梯形体结构；

图2为制备梯形体结构用的石笼网图片；

图3为本发明人工阶梯深潭群组布设效果示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种人工阶梯深潭单元(见图1)，所述深潭单元是以梯形体结构为基本元件；所述梯形体结构包括梯形体石笼网结构和填充在所述梯形体石笼网结构的内腔中的卵石；所述梯形体石笼网结构的下底面的宽度为70～100cm，所述梯形体石笼网结构的上底面的宽度为20～40cm；所述梯形体石笼网结构的下底面或上底面的长度为1～2m；所述梯形体石笼网结构的垂直高度为40～80cm；所述梯形体石笼网结构中石笼网的孔径为5～8cm，所述卵石的粒径为10～30cm；所述深潭单元是由5～10个所述梯形体结构沿所述梯形体石笼网结构的下底面或上底面的长度方向紧固连接得到。

在本发明中，所述梯形体石笼网结构的下底面的宽度优选为80cm，所述梯形体石笼网结构的上底面的宽度优选为30cm。所述梯形体石笼网结构的垂直高度优选为50cm。所述梯形体石笼网结构中石笼网的孔径优选为6cm；所述卵石的粒径优选为15～25cm。所述梯形体石笼网结构的制备方法采用石笼网按照上述记载的尺寸裁剪得到(见图2)。本发明对所述石笼网的来源没有特殊限制，采用本领域所熟知的石笼网即可。在本发明实施例中，所述石笼网购自河北富煌丝网制品有限公司。

在本发明中，所述梯形体结构优选包括等边梯形体结构或不等边梯形体结构。所述不等边梯形体结构优选为一边垂直的梯形体结构。

在本发明中，所述深潭单元优选是由6～8个所述梯形体结构沿所述长度方法紧固连接得到。所述紧固的方法优选采用铁丝将所述梯形体结构的侧面紧紧连接起来。

在本发明中，所述人工阶梯深潭单元放置在河流中，使所述人工阶梯深潭单元的长度与河流方向垂直，当所述人工阶梯深潭单元由一边垂直的梯形体结构组成，连接时优选将非直角的一端在同一方向固定，经紧固后得到的人工阶梯深潭单元将带有非直角的一端迎水流方向摆放，减少水流冲击力，避免因河流水流速度太大随水流移动，从而形成稳定的生态环境。

因所述人工阶梯深潭单元在河道过宽或水流过快的环境中短时间内不利于有效改善河流生境，本发明还提供了一种人工阶梯深潭群组，所述的阶梯深潭单元按鱼鳞状交错摆放于河道中；

沿河流方向，每两个阶梯深潭单元的行距由公式a计算得到；

L＝0.5H/α·S 公式a

其中，L表示每两个阶梯深潭单元的行距，H表示阶梯的高度，即所述梯形体结构的垂直高度；S表示所处河段的河床内平均坡降，且S<0.03；α为1.2～2.0，α值根据α＝40S计算得到；

沿河道的宽度方向，每两个阶梯深潭单元的间距为阶梯深潭单元总长度的5～10倍；

沿河流方向，所述阶梯深潭单元组群包括阶梯深潭单元的数量按照公式b计算得到；

W＝1/(0.03-S)公式b

其中，W表示沿河流方向，所述阶梯深潭单元组群包括阶梯深潭单元的数量；S表示所处河道的河床内平均坡降，且S<0.03。

在本发明中，所述阶梯深潭单元按鱼鳞状交错摆放于河道中排列方式见图3。按鱼鳞状交错摆有利于降低整个河流的河水流速，形成多种生物栖息的环境，提高生物多样性。

本发明提供了所述人工阶梯深潭组群在改善自然河流生境中的应用。

在本发明中，所述改善自然河流生境的方法，优选包括以下步骤：

1)选择待改善的自然河流；

2)测定所述待改善的自然河流中河床1km内的坡度、河水流速和河道的宽度，计算待改善的自然河流中河床的平均坡度和平均河水流速；

3)根据步骤2)中河床的平均坡度、平均河水流速和河道的宽度，计算河床各段中每两个阶梯深潭单元的行距、间距和沿河流方向所需阶梯深潭单元的数量；

4)根据步骤3)中所述阶梯深潭单元的行距和间距，摆放人工阶梯深潭组群。

在本发明中，所述河床各段的坡度的测定方法优选按照公式e计算得到；

S＝△H/L×1000‰ 公式e

其中S表示所处河道的河床内平均坡降，△H表示河床纵向上测量两点高差，L表示纵向(河流方向)上测量的两点水平距离。

在本发明中，河水流速的测定方法优选为流速仪法。

在本发明中，河道的宽度的测定方法优选采用米尺或GPS仪测量。

下面结合实施例对本发明提供的一种人工阶梯深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

于辽宁省本溪市本溪县碱厂镇黄堡村太子河干流上游，在平均坡降为4‰，河道的宽度为140m，水流平均速度为0.1～0.3m/s，平均水深0.5的河道内开展基于阶梯深潭结构的河流底栖生境恢复，具体为：

1.采用热镀锌网构建梯形石笼网结构，梯形石笼网结构长1m，下底边宽80cm，上底边宽30cm，高50cm，迎水斜面角度45度；石笼网内添加粒径20-25cm的卵石；

2.每5个添加卵石的梯形石笼网采用铁丝连接的方式形成一组5m长的阶梯深潭单元；

3.布置参数的确定：

(1)流向行距：取α值为1.5，由公式a确定每组梯形阶梯深潭单元的流向间距为43m；

L＝0.5H/α·S公式a

(2)河道宽度间距：按单个阶梯深潭单元长度5m计，各阶梯深潭单元间的横向距离为25～50m；

(3)单元个数：沿河流方向，阶梯深潭单元的数量按公式b计算为39个；

W＝1/(0.03-S)公式b

4.综合各参数计算结果及实地情况，共构建梯形石笼网结构390个，形成78组阶梯深潭单元，每组阶梯深潭单元横向距离45m，河流流向距离43m，横向间距为35m，2组方式布置，形成长近1700m的人工阶梯深潭组区；

5.应用效果：经现场实测，在所形成的人工阶梯深潭组区内，阶梯深潭单元前滞水区内平均流速为0.2～0.3m/s，阶梯深潭单元后流速达到0.4-0.7m/s，形成了快慢交替的河流流速分布，河流溶解氧浓度较未布设阶梯深潭单元区提高25％以上，在气温为15℃的情况下，平均达到8.6mg/L。

采用镜检计数法，按公式c并结合Shannow-Weaver多样性指数公式d计算底栖藻类多样性指数，计算得到该河段多样性指数由1.68提升至2.2左右。

其中：N_i-单位面积第i种藻类的个体数(个/cm²)；C₁-标本定容水量数(ml)；C₂-实际计数的标本水量数(ml)；L-藻类计数框每边的长度(mm)；

R-计算的行数；h-视野中平行线间的距离(mm)；n_i-实际计数所得第i种藻类个体数；A—刮取基质的总面积(cm²)

其中，H为生物的种类数，N为群落的个体总数，n_i为i种的个体数。

实施例2

于辽宁省本溪市本溪县碱厂镇城门村太子河支流。在平均坡降为6‰，宽40m，水流平均速度0.3～0.5m/s，水深0.3m的山溪型河道内开展阶梯深潭结构的河流底栖生境恢复效果验证试验，具体为：

构建梯形石笼网结构，参数为长1m，下底边宽70cm，上底边宽20cm，高40cm，迎水斜面角度45度；石笼网内添加粒径10～15cm的卵石；

1.每5个添加卵石的梯形石笼网采用铁丝连接的方式形成一组8m长的阶梯深潭单元；

2.布置参数的确定：

(1)流向间距：取α值为2，由公式a确定每组梯形阶梯深潭单元的流向间距为17m；

(2)横向间距：按单个阶梯深潭单元长度8m计，各阶梯深潭单元间的横向距离为40～80m；

(3)单元个数：阶梯深潭单元的个数按公式b计算为42个；

3.综合各参数计算结果及实地情况，共构建梯形石笼网结构330个，形成42组阶梯深潭单元，受河道宽度限制采用单组的方式构建，河流流向距离17m，形成长近720m的人工阶梯深潭组区；

4.应用效果：经现场实测，在所形成的人工阶梯深潭组区内，阶梯深潭单元前滞水区内平均流速为0.5m/s，阶梯深潭单元后流速达到0.8～1.2m/s，在气温为15℃的情况下，平均达到9.7mg/L，底栖藻类多样性指数按实施例1中公式c和公式d计算结果，由1.92提升至2.6左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。