生态丁坝对河流水质改善与鱼类栖息地影响的模拟研究

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丁坝是河道整治工程中常见的水工构筑物。在河流中修建丁坝能够显著地改变其周围的水流结构,对污染物在水体中的迁移扩散有着重要的影响。然而,鲜有研究对丁坝的自身材料进行改进,使其本身具有一定的污染物吸附降解效率,成为“生态丁坝”。此外,现有研究大多只考虑了丁坝在河流中的单一几何布置参数对河流水动力或污染物迁移的影响,没有考虑不同布置参数之间的关联性或综合影响。因此,通过实验与模拟的方法研究生态丁坝在河道中的水质净化及污染物迁移扩散效果,对河道的综合整治具有重要的理论和现实意义。针对目前缺乏生态丁坝水质净化效果的研究现状,采用生物沸石为丁坝材料制作生态丁坝,构建水槽试验模型,探究不同布设方式的生态丁坝(单丁坝、对口丁坝、错口丁坝)对河流污染物氨氮(NH3-N)的去除效果。其次,基于水槽试验的数据建立MIKE21生态丁坝模型并将模型应用于江苏省无锡市新吴区徐塘桥河唐家里段支流,基于正交试验探究生态丁坝群的几何布置参数(丁坝挑角、丁坝长度、丁坝间距)对河流水质改善的影响。最后,以徐塘桥河唐家里段干支流交汇区域为研究区域,建立River2D鱼类栖息地模型,探究生态丁坝群对该河段鱼类栖息地的影响。结果表明:(1)采用生物沸石作为填料的生态丁坝与天然沸石丁坝相比,可使生态丁坝的水质净化作用时间延长一倍以上,对NH3-N的平均去除率也提高了15%。错口丁坝的布设方式具有最佳的NH3-N的净化效果,在低流量、中流量和高流量下的第6 h去除率分别为49.4%、40.0%和33.8%。(2)在生态丁坝群的挑角、坝长和间距三种布置参数中,影响河流污染物迁移扩散速率的因素主次关系为:丁坝长度>丁坝挑角>丁坝间距。对模拟河段污染物迁移扩散速率提升效果最好的丁坝群几何布置参数为:挑角90°、长度6.7 m、间距15 m。(3)在生态丁坝群的挑角、坝长和间距三种布置参数中,影响污染物拦截净化效果的因素主次关系为:丁坝挑角>丁坝长度>丁坝间距。对模拟河段污染物拦截净化效果最好的丁坝群几何布置参数为:挑角60°、长度6.7 m、间距20 m。(4)在唐家里段支流中构建生态丁坝群有利于改善河流中鲤科鱼类的栖息地质量,在丰水期、平水期和枯水期时,生态丁坝群构建后河流的鱼类栖息地加权可利用面积分别提升了9.39%、8.75%和9.40%。
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