沉积物投放策略对河槽-浅滩修复中水力及产卵栖息地性能影响的实验研究

这篇研究通过水槽实验和二维水力模型，创新性地评估了Head-Seed(HS)、Tail-Seed(TS)和Full-Seed(FS)三种沉积物投放策略在Qspawning至Q100流量条件下对固定床河槽-浅滩序列的沉积物保留、水力性能和产卵栖息地适宜性的影响。研究发现FS策略虽能提供最大产卵适宜区域(37%)，但其沉积物输出量随流量增加呈对数下降，凸显了河道设计对剪切应力分布的主导作用。研究为平衡短期栖息地效益与长期稳定性提供了重要依据。

　　

沉积物投放策略在河槽-浅滩修复中的影响评估

研究方法创新性地采用1:30弗劳德比例尺模型，模拟了加拿大彭蒂克顿溪(Penticton Creek)修复工程中的五段河槽-浅滩序列。实验设计包含三种沉积物投放模式：头部投放(HS)、尾部投放(TS)和全段投放(FS)，使用粒径0.63-2.5mm(D₅₀=1.4mm)的沙粒模拟产卵基质，对应原型为19-75mm的产卵砾石。

水力与沉积动力学特征

在Q_spawning流量下，FS策略展现出最大的覆盖面积分数(P_c=0.74)，但随流量增加呈现对数下降趋势。相较之下，HS和TS策略的覆盖面积分数初始值较低(分别为0.40和0.30)，但随流量增加呈线性缓慢下降。值得注意的是，所有策略在极端流量(Q₁₀₀)下趋于收敛，覆盖面积分数均降至约0.15。

沉积物保留的空间格局显示，Pool-1和Pool-5在Q₂和Q₁₀流量条件下保留沉积物最多，形成最大厚度达30mm的沙坝。剪切应力分布分析表明，高剪切应力区主要出现在河槽头部陡坡处，促进沉积物完全移动；而低剪切应力区则位于河槽尾部，形成沉积区。

生态与工程权衡

栖息地适宜性评估显示，FS策略在Q_spawning条件下提供最大产卵适宜区域(37%)，显著高于TS(22%)和HS(13%)策略。然而，FS策略在Q₂流量时覆盖面积分数即从0.74降至0.40，且沉积物输出量是HS和TS策略的2倍，这对下游生态系统可能产生显著影响。

工程实践启示

研究强调粗糙床面(相对粗糙度k_s/D₅₀=23.6)对增强沉积物保留的关键作用。TS策略因其将产卵基质投放在低剪切应力区，在维持栖息地质量和减少沉积物输出方面展现出最佳平衡。建议修复工程应考虑：

1. 采用分段投放策略降低运营成本

2. 在河槽头部增设粗糙元素增强沉积物保留

3. 结合河道弯曲度设计优化沉积物分布

4. 建立长期监测机制评估栖息地可持续性

这些发现为城市河流修复工程提供了重要设计依据，特别是在受空间限制的直线型河道场景中。未来研究可进一步探索植被配置对沉积物保留的协同效应，以及不同粒径组成材料的运移规律。