寒地景觀生態(tài)浮島的創(chuàng)新性研究

商瑜++白雪++巨雪薇

摘 要：生態(tài)浮島技術(shù)是一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，多應(yīng)用于南方地區(qū)，在寒冷地區(qū)應(yīng)用卻鮮有的研究。該文簡要概述應(yīng)用于寒地的新型生態(tài)浮島設(shè)計(jì)原理以及具體設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：寒地 生態(tài)浮島 設(shè)計(jì)

中圖分類號：F205 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0025-02

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題也日益突出，其中水污染問題尤為嚴(yán)重。為解決水污染問題，國內(nèi)許多學(xué)者開始研究運(yùn)用生態(tài)浮島技術(shù)來對城市水體進(jìn)行修復(fù)，但大多應(yīng)用于溫暖的南方地區(qū)，而在寒冷地區(qū)應(yīng)用此技術(shù)難度很大。因此，我們在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目中通過對國內(nèi)外生態(tài)浮島應(yīng)用現(xiàn)狀，以及寒地景觀生態(tài)浮島應(yīng)用特點(diǎn)和難點(diǎn)的分析探究，并在浮島設(shè)計(jì)之中重點(diǎn)解決了浮島的升降問題。在傳統(tǒng)浮島基礎(chǔ)上創(chuàng)新研究出符合寒地氣候和地域特點(diǎn)的沉浮式浮島設(shè)計(jì)方案。以下簡要概述應(yīng)用于寒地的沉浮式生態(tài)浮島的設(shè)計(jì)原理以及具體設(shè)計(jì)方法。

1 生態(tài)浮島技術(shù)綜述

生態(tài)浮島技術(shù)作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，是改善水體富營養(yǎng)化、減少水體污染，創(chuàng)造優(yōu)美景觀的新型生態(tài)治理措施之一。

1.1 生態(tài)浮島概念及原理

生態(tài)浮島是一種使用生態(tài)學(xué)原理，對水中富營養(yǎng)化物質(zhì)進(jìn)行合理調(diào)控的人工浮島技術(shù)。生態(tài)浮島上的植物不僅在水下進(jìn)行著污水處理，且根據(jù)光合作用原理以及蒸騰作用原理，生態(tài)浮島可以調(diào)節(jié)水面的微環(huán)境，從而創(chuàng)造出一種良好的環(huán)境，而這種環(huán)境也是很適宜于鳥類棲息的場所。此外它也能為魚類生存創(chuàng)造出良好的環(huán)境。

1.2 生態(tài)浮島分類

生態(tài)浮島是一個(gè)廣泛的概念，其中人工浮島分類如下。

1.2.1 干式浮島

干式浮島指的是植物或根系不接觸水。此類型浮島，可以栽植木本。

1.2.2 濕式浮島

（1）第一代：由于以竹子為主要材料，因此造價(jià)很低，但有效果差、壽命短、不好維護(hù)等劣勢。

（2）第二代：以泡沫或金屬等材料為主，它造價(jià)低、制造簡單，但易分離，屬白色污染。

（3）第三代：主要為PE產(chǎn)品，基本克服了一、二兩代浮島的缺點(diǎn)，但有些偏離生態(tài)浮島生產(chǎn)初衷，沒有將浮島凈化的原理貫徹始終，不適合大片應(yīng)用。

（4）第四代：是當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用最多的主力產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮周全，成本更低，維護(hù)更方便，應(yīng)用植物范圍廣，凈化能力較強(qiáng)。是引用最廣泛的浮島。

（5）第五代：使用新材料，浮島材料與植物根系相結(jié)合，可以進(jìn)行良好的水體微動(dòng)力循環(huán)。但此類產(chǎn)品有專利限制，且此類浮島價(jià)格昂貴，故在國內(nèi)無應(yīng)用。

1.3 生態(tài)浮島國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

生態(tài)浮島產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，最初被作為魚類的產(chǎn)卵場所。20世紀(jì)70年代后，國外開始用水生高等植物凈水，凈化效果不甚理想。80年代后，西方國家對新型生態(tài)浮島技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在很多關(guān)鍵因素上取得突破，獲得了非常好的治理效果。目前在國外，生態(tài)浮島技術(shù)已經(jīng)成為解決水體生態(tài)問題的重要手段。

就國內(nèi)而言，我國水體富營養(yǎng)化問題比較嚴(yán)重。調(diào)查表明，我國典型湖泊中，中富營養(yǎng)化占56%，輕富營養(yǎng)化占15%，重富營養(yǎng)化達(dá)9%。因此，生態(tài)浮島便開始被引入應(yīng)用。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代起開始對生態(tài)浮島進(jìn)行研究，在一系列污水治理工程中，生態(tài)浮島都顯現(xiàn)出良好的效果。自20世紀(jì)90年代以來，我國利用生態(tài)浮島在不同種類的水域種植陸生植物，總面積達(dá)10余公頃，植物種類超過100多種。近年來國內(nèi)許多學(xué)者開始運(yùn)用生態(tài)浮島技術(shù)來進(jìn)行對城市水體修復(fù)的研究，很多地區(qū)都有相關(guān)的研究應(yīng)用報(bào)道。

經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外生態(tài)浮島技術(shù)得到很大提升，但仍有不足之處。比如，目前國內(nèi)生態(tài)浮島的研究集中于溫暖濕潤的南方，寒地生態(tài)浮島的研究幾乎處于空白階段，如何將生態(tài)浮島技術(shù)引入到溫度低冰凍期長的寒地，如何選擇適應(yīng)哈爾濱地域的浮島材料，如何配置植物來構(gòu)建浮島等問題仍然有待探索。此外，國內(nèi)現(xiàn)有的生態(tài)浮島對浮島的景觀效果關(guān)注較少，如何體現(xiàn)生態(tài)浮島的多重效益也有待考慮。

2 寒地景觀中生態(tài)浮島的應(yīng)用

根據(jù)中國氣候特色，在華東、華南等相對溫暖地區(qū)，生態(tài)浮島的研究及應(yīng)用較為深入廣泛，而在寒冷地區(qū)由于應(yīng)用生態(tài)浮島具有很大的難度，所以相關(guān)研究也較少。

2.1 寒地景觀生態(tài)浮島應(yīng)用的特點(diǎn)

由于寒地地域環(huán)境的影響，寒地在景觀建設(shè)上具有一定的景觀特色。落葉植物歲歲榮枯、降水形式多變等很大程度上給寒地景觀營造提供了最基本的變量。而且寒地的造景方法也較其他地區(qū)更為特別。在寒地造景的過程中需要擁有可以對抗寒冷天氣的方法，設(shè)計(jì)要更注意避免寒冷氣候給人、建筑、景觀帶來不利影響。并因地制宜地營造出讓人感到舒適、愉悅的視覺環(huán)境。

2.2 寒地景觀生態(tài)浮島應(yīng)用的難點(diǎn)

寒地氣候原因使生態(tài)浮島的應(yīng)用具有一定的難點(diǎn)。首先在浮島材料選擇上就具有難度。由于寒地較“寒”，因此材料需要具有防凍裂、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，如果單一材料不具備此功能，則可以通過多個(gè)材料實(shí)現(xiàn)，比如把膠皮包在外側(cè)防凍等。同時(shí)，由于生態(tài)浮島所處環(huán)境的獨(dú)特性，材料還要具有防水的功能，質(zhì)地要輕，最好擁有促進(jìn)循環(huán)的功能，以便水流動(dòng)起來。而且最好能夠使用無污染材料。在植物選擇上也是十分挑剔的。所選植物必須能夠凈水，并且擁有較耐寒、易于種植、景觀效果良好、造價(jià)較低等特點(diǎn)。

綜上，北方重工業(yè)地區(qū)發(fā)展迅速，污染嚴(yán)重，是最需要生態(tài)浮島但又最難實(shí)施的地域。

3 寒地景觀生態(tài)浮島的設(shè)計(jì)

由于寒地的自然地理?xiàng)l件限制，本次生態(tài)浮島的研究主要圍繞浮島基座的防寒回收再利用進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，改進(jìn)浮島的設(shè)計(jì)方案，力爭使浮島能夠更加持續(xù)經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于寒地景觀生態(tài)修復(fù)當(dāng)中。同時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本及防止二次污染等問題，在進(jìn)行浮島設(shè)計(jì)之中也要對浮島材料進(jìn)行合適的選擇。

在此，將本次設(shè)計(jì)的新型生態(tài)浮島命名為沉浮式浮島，以區(qū)別其他普通浮島。

3.1 沉浮式浮島的設(shè)計(jì)原理

在沉浮式浮島設(shè)計(jì)之中，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是解決了浮島的升降問題。設(shè)計(jì)核心是用浮島基座來控制浮島的升降，并通過浮島的升降來解決北方寒冷的冬季浮島不能越冬及回收儲存成本較高的難題。在解凍期，浮島在水面發(fā)揮凈水功能，而在冰封期，浮島會沉入水底，不必?fù)?dān)心被凍裂。冰封期過后，給充氣裝置充氣，使浮島回升到水面，并且添加基質(zhì)和植物繼續(xù)工作。這樣，節(jié)約了成本，防止了凍裂，而且發(fā)揮了浮島最大的凈水功能。

3.2 沉浮式浮島的分類

沉浮式浮島設(shè)計(jì)方案的類型：無基質(zhì)型、有基質(zhì)型及混合型。

（1）無基質(zhì)型：浮島中基本沒有或僅有少量基質(zhì)成分。核心部位是浮島的框架，作用是為水體修復(fù)使用的植物提供一個(gè)固定裝置，而植物生長所需要的營養(yǎng)成分主要來自富營養(yǎng)化水體，以此來達(dá)到生態(tài)修復(fù)的功能。主要結(jié)合水生浮水植物來運(yùn)用，如鳳眼蓮、萍蓬草、浮萍等單獨(dú)種植或群落組合。

（2）有基質(zhì)型：浮島中有基質(zhì)成分。在這種類型浮島中，浮島不僅起到框架作用，其中的基質(zhì)可以起到固定植物的功能，在一定情況下還可以提供部分營養(yǎng)成分?；|(zhì)主要采用陶粒等吸水性能較好的材料。植物主要結(jié)合普通水生、濕生植物來運(yùn)用，如睡蓮類挺水植物等。

（3）混合型：浮島中有基質(zhì)成分，基質(zhì)主要采用陶粒等吸水性能較好的材料。浮島面積相對較大。植物方面將挺水與浮水植物相結(jié)合，可以嘗試創(chuàng)造植物景觀群落。如菰+水生美人蕉群落，蘆葦+千屈菜+野慈姑群落，荻+鳳眼蓮群落，荷花+香蒲+萍蓬草群落等。

3.3 沉浮式浮島的總體設(shè)計(jì)方案

（1）沉浮式浮島制作的主要材料：閉水氣囊、橡膠管、鐵絲網(wǎng)、紗網(wǎng)、透水膜、泡沫塑料、鐵絲、充氣嘴、浮球、鐵皮筒、錨鏈等。

（2）沉浮式浮島設(shè)計(jì)的功能要求：

①鐵絲網(wǎng)構(gòu)成浮島的框架，而泡沫塑料，用來承托基質(zhì)和植物材料。泡沫的選用可以減少重量并且增加浮力。

②鐵皮筒固定于四角，一方面起到平衡重心的作用，另一方面為氣囊的安裝定位，確保氣囊不會阻礙水流進(jìn)入浮島。

③氣囊是主要的升降工具，通過向氣囊中充氣和放氣，將浮島升起或沉入水底。這是沉浮式浮島設(shè)計(jì)的核心部分。

④用橡膠管連接充氣口與氣囊。必須保證足夠長。

⑤浮球用來使橡膠管在浮島沉入水底時(shí)依然漂浮在水面，以備充氣之用，而且為浮島在沉水時(shí)定位。

⑥錨鏈用來固定浮島的位置，通過固定在岸邊或水底的錨鏈，使浮島不被水沖走。

（3）沉浮式浮島制作的主要步驟：

①將鐵絲網(wǎng)裁切成80×60 cm的長方塊，將兩層鐵絲網(wǎng)疊加，中間放入泡沫并用細(xì)鐵絲將上下固定緊。

②將鐵皮筒固定在鐵絲網(wǎng)四角，鐵皮桶上方用鐵絲網(wǎng)密封。

③將氣囊放入四角的筒中，充氣嘴朝下，并用橡膠管連接。

④連接浮球和橡膠管。

⑤將錨鏈與鐵絲網(wǎng)固定。

4 結(jié)語

此生態(tài)浮島設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國內(nèi)寒地生態(tài)浮島研究的空白，針對寒地氣候特點(diǎn)和普通材料耐性差、易凍裂的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)浮島基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研究出符合寒地氣候和地域特點(diǎn)的生態(tài)浮島。

新型浮島為沉浮式浮島，用創(chuàng)新的升降方式解決了設(shè)計(jì)難題，用基座來控制升降的方式解決了浮島越冬及回收儲存成本高的難題，具有推廣價(jià)值和進(jìn)一步研究改進(jìn)的潛力。

未來，通過將沉浮式浮島投入實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行進(jìn)一步的測試和改良，投入使用，并利用地帶性的植物資源，設(shè)計(jì)出多種植物組合，達(dá)到改善寒地水域生態(tài)環(huán)境，美化水域景觀的作用。最終完成產(chǎn)業(yè)化，為創(chuàng)造優(yōu)美的城市濱水景觀服務(wù)。