介紹日本的濕地淨化技術——人工浮島(AFI)


介紹日本的濕地淨化技術——人工浮島(AFI)  

“浮島”原本是指由于泥碳層向上浮起作用,使湖岸的植物一部分被切斷,漂浮在水面的一種自然現象。在這裡介紹的浮島是一種象筏子似的人工浮體,在這個人工浮體上栽培一些蘆葦之類的水生植物,放在水裡。它的主要機能可以歸納為四個方面:1.水質淨化;2.創造生物(鳥類、魚類)的生息空間;3.改善景觀; 4.消波效果對岸邊構成保護作用。

  人工浮島的水質淨化針對富營養化的水質,利用生态工學原理,降解水中的COD、氮、磷的含量。在這裡講的生态工學(Ecologicalengineering)或Ecotechnology的概念*早是由W.J.Mitsch和S.J.Jorgensen提出來的,他倆給生态工學下的定義是 “Wedefine ecological engineering and ecotechnology as the design ofhuman society with its natural environment for the benefit of both(Mitsch ,1988)。作為水邊的環境保護技術——人工浮島,20年前是由德國的BESTMAN公司想出來的。在日本的琵琶湖,作為魚類用的産卵床的人工浮島70年代末就開始在做。近年來,随着人們對環境問題的越來越關心,周圍的自然環境特别是水邊的自然景觀狀況也越來越受到重視,在此背景下,不光是水的淨化,人們對創造多樣性生态系統的人工浮島技術也寄予了很大希望。現在,人工浮島因具有淨化水質、創造生物的生息空間、改善景觀、消波等綜合性功能,在水位波動大的水庫或因波浪的原因難以恢複岸邊水生植物帶的湖沼或是在有景觀要求的池塘等閉鎖性水域得到廣泛的應用。随着人工浮島工程事例的不斷增加,經驗也越來越多,在評價人工浮島的功能及效果方面已逐步從定性評價上升到定量評價的高度。

  1. 浮島的構造

  1、1 構造分類

  從大的方面分,人工浮島可分為幹式和濕式兩種。水和植物接觸的為濕式,不接觸的為幹式。幹式浮島因植物與水不接觸,可以栽培大型的木本、園藝植物,通過不同木本的組合,構成良好的鳥類生息場所同時也美化了景觀。但這種浮島對水質沒有淨化作用。一般這種大型的幹式浮島是用混凝土或是用發泡聚苯乙烯做的。濕式浮島裡又分有框架和無框架,有框架的濕式浮島,其框架一般可以用纖維強化塑料、不鏽鋼加發泡聚苯乙烯、特殊發泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂、鹽化乙烯合成樹脂、混凝土等材料制作。據統計到目前為止濕式有框架型的人工浮島的施工事例比較多,占了7成。無框架浮島一般是用椰子纖維編織而成,對景觀來說較為柔和,又不怕相互間的撞擊,耐久性也較好。也有用合成纖維作植物的基盤,然後用合成樹脂包起來的做法。



  1、2 植物栽培基盤

  植物栽培基盤用椰子樹的纖維、魚網之類的材料和土壤混合在一起使用的比較多,由于裝入土壤會增加重量且促進水質惡化,目前使用的比較少,隻有20%左右。

  1、3 大小和形狀

  一塊浮島的大小一般來說邊長1~5m不等,考慮到搬運性、施工性和耐久性,邊長2~3m的比較多。形狀上四邊形的居多,也有三角形、六角形或各種不同形狀組合起來的。以往施工時單元之間不留間隙,現在趨向各單元之間留一定的間隔,相互間用繩索連接(連接形式因人工浮島的制造廠家的不同而各異)。這樣做的理由有四:①可防止由波浪引起的撞擊破壞;②可為大面積的景觀構造降低造價;③單元和單元之間會長出浮葉植物、沉水植物,絲狀藻類等也生長茂盛,成為魚類良好的産卵場所、生物的移動路徑;④有水質淨化作用。

  1、4 人工浮島的水下固定設計

  人工浮島的水下固定設計是一個較為重要的設計内容,既要保證浮島不被風浪帶走,還要保證在水位劇烈變動的情況下,能夠緩沖浮島和浮島之間的相互碰撞。以前日本在研究海洋的浮防波堤的時候,曾對水下固定部分的安全性提出過懷疑。而人工浮島的設計是以湖沼為對象,象琵琶湖、霞浦這兩個湖泊屬*大規模的項目,和海洋比較起來設計外力僅為海洋的1/10,所以參考過去海洋建築物及沿岸設計進行琵琶湖、霞浦這兩個湖泊的人工浮島的水下固定計算,得到了安全可靠的計算結果。水下固定形式要視地基狀況而定,常用的有重量式、錨固式、杭式等。另外,為了緩解因水位變動引起的浮島間的相互碰撞,一般在浮島本體和水下固定端之間設置一個小型的浮子的做法比較多。



  1、5 布設規模

  人工浮島的布設規模因目的的不同,規模也不同,到目前還沒有固定的公式可套。研究結果表明提供鳥類生息環境至少需要1000m2的面積,若是以淨化水質為目的除了小型水池以外,相對比較困難,專家認為覆蓋水面的30%是很必要的,若是以景觀為主要目的的浮島,至少應在視角10°~20°的範圍内布設。

  1、6 人工浮島的造價

  為了恢複一度失去的自然,其費用是很大的,經過對近些年的施工事例的調查,造價在10萬日圓/m2的比較多,不過*近也有每平米幾萬日圓做下來的。在國外比如美國,使用的是再生材料,其造價每平米不到1萬日圓。

  日本也好,美國也好,人工費相對比較高,隻要是經過加工的材料、物品,其價格也會相應提高很多,我國和日本、美國的國情不一樣,他們的造價隻能作參考。

  2. 人工浮島的水質淨化機能及效果

  人工浮島的水質淨化的定義因目的、對象的不同而有所不同,人工浮島的水質淨化主要針對富營養化的水質而言的,通過減少COD(化學需氧量)、氮、磷的濃度來抑制赤潮的發生提高水的透視度為目的。它的淨化機理基本上與湖沼沿岸植物帶的水質淨化機理相似。根據有關研究資料,湖沼沿岸植物帶的水質淨化要素由以下7個:1.植物莖等表面對生物特别是藻類的吸附,2. 植物的營養吸收,3. 水生昆蟲的攝餌、羽化等,4.魚類的攝餌、捕食,5.防止已沉澱的懸浮性物質再次上浮,6. 日光的遮蔽效果,7.在湖泥表面的除氮。人工浮島比起湖沼沿岸植物帶來它具有附着生物多、水中直接吸收N、P等特點,在對植物性浮遊生物的抑制、提高水的透視度等方面效果比較顯著。

  為了對人工浮島的水質淨化效果進行定量分析,1995年專業研究者們在霞浦(土浦市大岩田)進行一次隔離水域試驗,他們分别設置3個邊長為4m的正方形、水深1.5m的相互隔離的水域,在這三個隔離的水域裡,A、B水域各放一個人邊長2m(4m2)的人工浮島,在其上面分别栽培蒲公英和水毛花,C水域為對照水域,沒有人工浮島。

  從1995年5月11日放置人工浮島開始,曆經8個多月,期間進行了6次調查,主要調查水中葉綠素和COD變化過程。從左邊的圖-2可以看出,沒有設置人工浮島隔離水域C,夏季藍藻的細胞繁殖很快,相當于有人工浮島的10倍左右。取7、9、12月的數值平均後,人工浮島占有率隻有25%的條件下,削減了94%的植物性浮遊生物。由此可以得出人工浮島抑制夏季的植物性浮遊生物的細胞繁殖的效果非常大的結論。另外人工浮島對COD的抑制效果夏季也比較明顯,大約能削減50%,但是入冬以後抑制效果很小。其他類似的試驗研究結果同樣得出人工浮島夏季抑制植物性浮遊生物、COD的效果突出的結論。專家普遍認為植物的遮蔽效果在抑制植物性浮遊生物的細胞繁殖方面起了很大作用。

  3、 作為魚類生息場所

  人工浮島本身具有适當的遮蔽、渦流、飼料等效果,構成了魚類生息的良好條件。實際的調查表明,在設施周圍、人工浮島的下面聚集着大量的各類魚種,均為生下來不到一年的幼魚。滋賀縣琵琶湖的調查表明,在設置60個人工浮島構成的大約1500m2的水域裡,發現8500萬粒鯉魚等三種魚的魚卵。為了強化人工浮島作為魚類産卵床的機能,有的在浮島的下面系上一些繩子,改善鯉魚等魚類的浮式産卵床的結構。由于繩子對污泥有吸附作用,又可淨化水質。

  4、 作為鳥類、昆蟲類的生息空間

  有關人工浮島上的鳥類研究相對比較多,特别是鳥的種類、築巢情況等幾乎在所有的人工浮島上都進行過調查。在霞浦土浦港的人工浮島上,已發現一些鳥類的巢穴,有時為了吸引某種鳥在島上搭窩,根據該鳥的築巢習慣在人工浮島上進行特殊布置,為該鳥創造築巢的條件。

  陸生昆蟲的的調查1996年在土浦港的人工浮島、附近的櫻川河口的蘆葦林、附近的住宅區空地草坪上進行過一次,調查方法是用采用網捕捉、排打取出、随機取樣、目視觀察等方法。調查結果表明住宅區的草地上昆蟲*多,其次是櫻川河口,人工浮島上*少。人工浮島上昆蟲有10目35科53分類群,蜘蛛類有8科18分類群。人工浮島上種的構成與櫻川河口的蘆葦林大緻相同,隻是量少一些。其原因是人工浮島上沒有土壤,而土壤在昆蟲的生活史中十分必要,所以說人工浮島上的昆蟲生息條件還有欠缺。

  5. 人工浮島的消波作用

  作為消波物體的人工浮島屬于浮防波,在海岸工程專業研究的比較多。它的優點主要有以下幾個方面,1因有較高的水交換機能,防止堤防内的(海)水污染作用較大。2 不受設置水域深淺的影響,即使在深水區也比固定式防波堤的建設費用要低。3與水下地基的好壞沒什麼關系,即使設置在軟弱地基上,也不需要進行地基處理。 4 設置場所的變更容易。5除了消波,其它多目的利用也可以。6 現場施工的工期短。 7一般可在場外制作,質量容易保證。除了上述的若幹優點外,作為防波用的浮島,比起其它防波建築物,與岸邊的植物帶的融和性更好,而且浮島本身又可成為生物的良好生息場所。不過防波浮島也存在若幹的不足,1、為了達到期望的防波效果所需要研究的課題比較多。2繩索的拉斷、水下錨固端的破壞都比較容易。3 修補比較困難。

  由于波浪的原因日本很多湖的沿岸植物帶的面積越來越小,近幾年已引起人們的注意。特别是霞浦麻生町島并地區的情況比較典型。1972年該沿岸還是一片50m寬的綠色長廊,到了1997年隻剩下10m×60m的一小塊綠地,靠近水的一側可以見到象似被挖開的寝食斷面,岸邊附近的水深1m左右。經過對湖心風速和風向3年間的觀測,掌握了頻率較高的風向(不考慮來自陸地方向的風),由此算出它的代表波高為0.64m、周期T=3.4m,方向為西偏南8°。消波浮島的消波率與風向有很大關系,一般在5%~40%之間,要是把反射波的影響考慮進去設計消波率可達53%。設置在霞浦的消波浮島的消波率,經檢測達50%,第二年岸邊植物面積增加3.4%。可見人工浮島的消波效果還是很大的。
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