0 引言

在生态文明建设的大背景下，河道的生态环境治理问题显得日益迫切和必要。根据生态环境部对于相关中小河流河道生态修复的技术指南要求，河道的生态治理的基本需求为在保证河道防洪、航运、灌溉等基本功能的前提下，充分考虑生态环境、水质净化、亲水景观等需要，使河道资源可持续利用和生态环境健康紧密结合[1]。以往在河道生态修复研究中，从事生态环境及动植物研究的学者习惯于从河道生物群落结构、水质净化、水生生物的生存习性等方面来进行研究，而长期从事水动力学和河道研究的学者则往往是出于防洪、航运、灌溉等方面的需求来进行研究，两者缺乏对河势控制、水流条件与河道生态功能定位之间的有机结合。事实上，水动力学过去几十年的发展已有相当可观的成果，而生态河道中的一系列生态问题如生物物理过程、污染物输移、营养物输运等均与不同尺度的水力学及水动力学问题有着密切联系。比如从微观上讲，泥沙颗粒能为微生物提供生存环境；合适密度的水生植被通过改变河道流速分布和泥沙输运，能提供空间上非均匀的栖息地条件，从而促进生物群落的多样性；卵石河床在河道表层水流动量输运与潜流带渗流过程的综合作用下，能为底栖生物提供良好的生存环境[2]；从流域及更大的时间尺度上讲，大洪水引起的河道形态调整往往能极大地摧毁并重建整个河道的生态系统。因此，在河道的生态治理中应充分结合水力学及水动力学与生态问题。本文拟对生态河道中涉及的不同尺度的水力学及水动力学问题进行定义和分类，并初步探讨各尺度水力学及水动力学问题的基本理论方法以及它们之间的结合。

1 单棵植被尺度

1.1 单棵植被尺度的基本理论

在单棵植被尺度时，水流流经植物表面，其水动力学过程符合最基本的边界层流动特性，该过程对植被附近的质量（如溶质、气体等）扩散起到重要作用，其基本水动力学模型可见图1（图中，x表示距离，u表示流速，下标1、2、3分别表示纵向、横向、垂向，下同）。植被与水流的边界形成一个粘性边界层，其厚度δ随着水流方向增加并符合如下分布特性（其中U为水深平均流速，ν为运动粘度，x1为沿水流方向距离）。在一定的扰动条件下，发展成紊流边界层，转戾点一般发生在R=x1U/ν≈5×105处。紊流边界层在垂向上则可分为粘性底层、缓冲层和半对数层。粘性底层和半对数层的物理过程（包括动量、质量输运）有着数量级的区别，前者主要由壁面摩阻流速u*、分子运动粘度ν、分子扩散系数Dm决定，而后者则主要由离植物表面或床面的距离x3、粗糙度Δ来决定，这对于生物生长所需的氧、氮、磷等溶质输运起到重要作用。具体来说，在粘性底层，质量通量dm/A12dt符合菲克定律

图1 植被表面紊流发展过程

式中，m为质量，A12为垂直于x3方向的单位面积，?C/?x3为沿垂向的浓度梯度，C为溶质浓度。由式（1）可知，在植物表面，营养物溶质的输运取决于两方面，一是植物本身对营养物溶质的吸收速率，另一个就是式（1）所示的物理扩散速率。若植物的吸收速率足够大，植物表面的溶质浓度趋于零，则粘性底层可以不断地形成较大的浓度梯度。关键在于找到植物本身吸收和物理输运供给两者的平衡。我们首先要把浓度梯度?C/?x3简化为更易测量的物理量，由于粘性底层足够薄，假设?C/?x3=C/δ，代入（1）则有

如此，质量通量便与自由流的平均速度有直接关系。从物理-生物过程来理解，随着流经植物表面的平均流速增加，粘性底层变薄，垂直于叶片表面的物质输运增加。所以对于流速缓滞区，在不考虑沉积等其他作用的前提下，植物所得到的养分会比较少，适当的流速对植物生长是有好处的，而流速过大，植物本身的吸收速率小于供给量。国内外已有学者对这个特征流速进行过研究。如文献[3]通过实验观测到对于海草的平衡流速为U=4～6cm/s。这说明在流速小于4～6cm/s的水流中，植物会因为养分供给不足而影响生长，因此，在河道与湖泊的生态绿化中，需保持河流、湖泊的水系连通性和一定的生态流速。

1.2 小结

在单颗植被尺度时，植被的生长条件与水流流速有着密切关系，在河道、湖泊的生态绿化中，应保证水系的连通性，避免形成死水，以保证植物的营养吸收，同时，应根据河道、湖泊水文特性选用合适植被品种，如在流速较小的湖泊，可选用枝叶较小的植被，在流速较大的河道，可选用根系发达、耐冲刷的品种，并结合混凝土网格块、格宾网箱等护坡固土结构栽种。