人工浮岛是一种可为多种野生生物提供生物环境的飘浮结构,由植被基(人工浮岛平台)、植物和固定系统组成。由于采用漂浮的平台支撑植被生长,所以能随水位波动上下左右移动,从而可用于在一个水位波动的系统里恢复人类喜爱的湖滨植被。人工浮岛的水质净化是针对富营养化的水质,利用生态工程学原理,降解水中的COD、氮、磷的含量。
作为水边的环境保护技术:人工浮岛,20年前是由德国的BESTMAN公司提出来的。近年来世界上已有许多湖泊、池塘和河流采用了这一技术。如在日本的琵琶湖,作为鱼类用的产卵床的人工浮岛20世纪70年代末就开始实施[1~2]。中国也已有许多生态浮岛的工程实例,如北京罗道庄河、杭州南应加河、无锡五里湖和北京什杀海等[3~6],均获得很好的应用效果。
近年来随着国家经济的高速发展及人们生活水平的不断提高,环境问题越来越突出,许多内陆湖泊、河流被污染。以上海母亲河:苏州河为例,虽然20世纪市委、市政府花费巨大人力物力进行河道整治,使苏州河的黑臭现象得到根本治理,但近些年随着两岸住居人群及外来人口的增多,生活污水的排放已成为苏州河水质变坏的主要原因,不仅影响环境,而且对上海黄浦江的水质产生影响,进而使上海的饮用水质变差。鉴于人工浮岛因具有净化水质、创造生物的生息空间、改善景观、消波等综合性功能。本文以上海苏州河水域为对象,设计人工浮岛,并对人工浮岛的生态效应进行分析,为苏州河治污提供一种新的参考方法。
人工浮岛设计要根据实际的应用对象,从浮岛类型、植物选择、材料选择、大小形状、水下固定及布设规模等方面可虑,设计出既适合实际应用对象特点,兼顾应用功能、景观功能和合理造价的人工浮岛。
人工浮岛可分为干式和湿式两种。水和植物接触的为湿式,不接触的为干式。干式浮岛因植物与水不接触,可以栽培大型的木本、园艺植物,通过不同木本的组合,构成良好的鸟类生息场所同时也美化了景观。但这种浮岛对水质没有净化作用。对苏州河人工浮岛来说,主要是水质净化,因此,我们采用水和植物接触的湿式人工浮岛。
针对湖泊、河流等自然水体的不同特征,由于水体动力学和更新周期对富营养化有密切的关系[7],以下将富营养化水体分为静态水体及动态水体两种情况进行介绍分析。
对静态水体,杜佳沐、张饮江等人[8]采用高密度聚乙烯树脂(HDPE)制成的边长50cm的正方形人工浮岛对上海市白莲泾河道进行治理。使用PVC防水布围隔,形成与河道分离的一个试验水体。所选植物为花叶芦竹。实验表明,在风浪小于5级,强风暴雨暴晒的不利条件下,该人工浮岛系统对白莲泾河道富营养化水体具有较好的净化效果,其中对总氮的平均去除率为81.79%,对总磷的平均去除率为55.88%。
对动态水体受到复杂的水力环境及其它干扰的限制,不利于进行定量研究。李希、铁柏清[9]使用恒流泵及其他设备模拟一定水体交换时间的动态水体。试验水体为生活污水,选择美人蕉、灯心草、菖蒲为浮岛植物,聚苯乙烯发泡沫板为浮岛平台。实验表明:在动态试验条件下,人工浮岛工作后2天内水体透明度提高,改善水体观感效果。从原水样的发黑、发臭、混浊,到开始变清,臭味消除。该人工浮岛对TN和TP去除率随水体交换时间的增加而增加,7d时TN去除率为59.5%,T P去除率为77.4%,COD的平均去除率48.4%。
苏州河水体主要是生活污水,富营养化水质,而且为动态水体。主要降解水中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)。因此,我们选用美人蕉、菖蒲作为人工浮岛植物。
美人蕉,能吸收二氧化硫、氯化氢,以及二氧化碳等有害物质,抗性较好,叶片虽易受害,但在受害后又重新长出新叶,很快恢复生长。由于它的叶片易受害,反应敏感,可以监视污染环境的有害气体。具有净化空气、保护环境作用。
灯心草:是多年生草本水生植物,适用于水面景观种植。
菖蒲:其叶丛翠绿,端庄秀丽,具有香气,适宜水景岸边及水体绿化。也可盆栽观赏或作布景用。叶、花序还可以作插花材料。可栽于浅水中,或作湿地植物。是水景园中主要的观叶植物。
人工浮岛所用材料的选择范围很广泛,只要浮力效果好、不污染都可以成为备选材料。但是考虑到施工工艺和造价,目前,所用的材料大部分为竹子、泡沫、木头、废旧轮胎。其中竹子、泡沫应用最广泛。以浮力效果好、结实、耐水浸等优点,竹子广泛地使用于实践。泡沫板的突出优点在于:造价低,浮力打、易加工、耐水浸。使用的一般方法是在一块平整的板上均匀地打一些孔洞,然后再把装有植物的镂空杯子放入其中。固定植物的方法常用海绵包起其根部塞入杯中。
对苏州河人工浮岛来说,可以选择聚苯乙烯发泡沫板:规格长40cm,宽40cm,厚2.5cm,在板上打孔,孔间距根据美人蕉、灯心草、菖蒲的适宜的种植密度而定,整板可以漂浮于水面。
浮岛的大小与实际应用的水系密切相关,其形状设计还要考虑到景观因素。一般来说一块浮岛的大小边长1m~5m不等,考虑到苏州河河道的宽度为10m~20m,兼顾航运功能,同时考虑到搬运性、施工性和耐久性,选取边长2m~3m比较合适。其形状为四边形、三角形、六角形的不同组合,可以增加景观效果。
施工时单元之间留一定的间隔,相互间用绳索连接(连接形式因人工浮岛的制造厂家的不同而各异)。这种连接可以达到以下效果。
(1)防止由波浪引起的撞击破坏。
(2)可为大面积的景观构造降低造价。
(3)单元和单元之间会长出浮叶植物、沉水植物,丝状藻类等也生长茂盛,成为鱼类良好的产卵场所、生物的移动路径。
(4)有水质净化作用。
人工浮岛的水下固定设计是一个较为重要的设计内容,既要保证浮岛不被风浪带走,还要保证在水位剧烈变动的情况下,能够缓冲浮岛和浮岛之间的相互碰撞。以前日本在研究海洋的浮防波堤的时候,曾对水下固定部分的安全性提出过怀疑。而人工浮岛的设计是以湖沼为对象,象日本琵琶湖、霞浦这两个湖泊属最大规模的项目,和海洋比较起来设计外力仅为海洋的1/10。而对苏州河来说,规模及风浪更小,安全可靠性完全可以得到保障。
水下固定形式要视地基状况而定,常用的有重量式、锚固式、杭式等。锚固式适合的场所为宽阔、水位较深变化较大的水域。由于降雨洪水、风浪等原因,水位变化一般较大。因此,载体固定的关键是如何在适当控制浮床水平移动的同时,满足水位变动的要求。
上海苏州河为潮汐性河流,是黄浦江的重要支流之一,也是上海市区的水运要道。河水水位变化较大,水流速度不大,完全可以采用锚固式。另外,为了缓解因水位变动引起的浮岛间的相互碰撞,可以在浮岛本体和水下固定端之间可以设置一个小型的浮子。浮子不需要很大,只要满足要求即可。浮子过小则起不到缓冲碰撞或拉力的作用,浮子过大不经济,浪费材料。苏州河工程中应用最广泛的是直径10cm～15cm的白色的圆形泡沫球。
人工浮岛的布设规模因目的的不同规模也不同,到目前还没有固定的公式可套。研究结果表明提供鸟类生息环境至少需要1000m2的面积,若是以净化水质为目的除了小型水池以外,相对比较困难,一般来说,覆盖水面的20%~30%之间;另外,若是以景观为主要目的浮岛,至少应在视角10°~20°的范围内布设。
对苏州河来说主要是净化水质,兼顾景观,同时考虑到人工浮岛不要对水上航运造成影响,我们以覆盖苏州河水面的20%较好。
人工浮岛生态系统对水质改善明显能有效降解水中的COD、氮、磷的含量,减少悬浮颗粒的数量,提高水体透明度,改善水质。本文针对上海苏州河流动水体,设计了一种人工浮岛。具有净化水体,兼顾景观与航运的功能。给出了人工浮岛设计的类型、结构、形状、植物栽培的选择以及布设规模的参考数据,为苏州河治理提供了一个新的选择方案。
但必须看到人工浮岛技术也存在着一定问题[10],虽然无土栽培植物净化了水质且美化环境,但多数植物不耐寒,冬季将死亡、腐烂,再次释放出N、P等营养物质,适时收割植株需要人力、物力消耗大,如何更好做到年内和年度间植物衔接是以后研究中需要考虑的问题。
摘要：人工浮岛是一种生长有水生植物或陆生植物的漂浮结构。由于其独特的特点,能够被应用于多种类型的滨水区,对湖泊的生态环境有重要的净化功能。本文以苏州河水域为对象,设计人工浮岛,并对人工浮岛的生态效应进行分析,为苏州河水质净化提供一种新的参考方法。
关键词：人工浮岛,生态功能,水质净化
[1] 李英杰,金相灿,年跃刚,等.人工浮岛技术及其应用,水处理技术[J].2007,33(10):49～51.
[2] 王劼,刘阳,王泽民,等.人工浮岛技术应用前景[J].环境保护科学,2008,35(5):23～25.
[3] 吴伟明,宋祥甫,金千瑜,等.鱼塘水面无土栽培美人蕉研究[J].应用与环境生物学报,2000,6(3):206～210.
[4] 陈荷生,宋祥甫,邹国燕.利用生态浮岛技术治理污染水体[J].中国水利,2005,5:50～53.
[5] 屠清瑛,章永泰,杨贤智,北京什刹海生态修复试验工程[J].湖泊科学,2004,16(1):61～672.
[6] 宋祥甫,邹国燕,吴伟明.浮岛水稻对富营养化水体中氮、磷的去除效果及规律研究[J].环境科学学报,1998,18(5):489～493.
[7] 付春平,钟成华,邓春光,水体富营养化成因分析[J].重庆建筑大学学报,2005,27(1):128～131.
[8] 杜佳沐,张饮江,朱文彬,等.人工浮动绿岛对上海白莲泾水体氮、磷去除效果的研究[J],渔业现代化,2008,35(1):23～26.
[9] 李希,铁柏清,杨佘维,混合植物型人工浮岛的动态水质净化特性[J].水处理技术,2009,35(8):63～65.
[10] 唐静杰,周青.生态浮床在富营养化水体修复中的应用[J].环境与可持续发展,2009,10(2):24～27.
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