太湖地區(qū)貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)圍隔系統(tǒng)消浪擋藻技術(shù)研究

張艷晴， 畢雪娟， 閆暉敏， 程 花， 林 超

(江蘇江達(dá)生態(tài)科技有限公司，江蘇無(wú)錫 214061)

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太湖地區(qū)貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)圍隔系統(tǒng)消浪擋藻技術(shù)研究

張艷晴， 畢雪娟， 閆暉敏， 程 花， 林 超

(江蘇江達(dá)生態(tài)科技有限公司，江蘇無(wú)錫 214061)

摘要通過(guò)在貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)與外太湖連接處7#橋外側(cè)設(shè)置雙層圍隔消浪擋藻系統(tǒng)，結(jié)合導(dǎo)流門(mén)技術(shù)，研究該系統(tǒng)的消浪、擋藻和導(dǎo)流效果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的消浪擋藻效果，波浪消減率達(dá)到近30%，藻密度下降幅度達(dá)到80%以上，導(dǎo)流效果明顯。

關(guān)鍵詞圍隔；藍(lán)藻；導(dǎo)流；峰谷值

水環(huán)境質(zhì)量已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[1]，隨著工業(yè)化和城市化的加快，太湖地區(qū)水資源污染日益嚴(yán)重[2]。貢湖是太湖的重要組成部分，貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)位于貢湖東北岸，處于夏季偏南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)區(qū)，湖濱帶內(nèi)有大量藍(lán)藻堆積，難以清除。藍(lán)藻對(duì)水體及周邊環(huán)境產(chǎn)生極大危害[3-4]，導(dǎo)致湖濱帶水質(zhì)惡化，水生生物死亡，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。太湖屬于大型淺水湖泊，風(fēng)浪擾動(dòng)易導(dǎo)致水-沉積物界面不穩(wěn)定，引起沉積物再懸浮[5-7]，透明度降低，營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，水生植被難以恢復(fù)。

以往對(duì)藍(lán)藻水華的去除和控制的研究多集中于工程方法、物理方法、生物方法和化學(xué)方法[8-14]，然而這些方法存在一些弊端，如工程方法治標(biāo)不治本，生物方法時(shí)效長(zhǎng)見(jiàn)效慢，化學(xué)方法容易對(duì)水體造成二次污染等?？煽貙?dǎo)流圍隔技術(shù)是在消浪擋藻工程的基礎(chǔ)上，逐步在圍隔系統(tǒng)內(nèi)恢復(fù)水生植被、魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物等水生生物，將物理-生態(tài)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可充分發(fā)揮圍隔系統(tǒng)生態(tài)功能，為有效改善水質(zhì)，增加水體透明度以及湖濱帶的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供有利條件。目前，利用圍隔系統(tǒng)控制藍(lán)藻已有部分研究[15-17],筆者結(jié)合以往研究成果及貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)水文環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)展了生態(tài)修復(fù)區(qū)可控導(dǎo)流圍隔消浪擋藻技術(shù)研究，旨在為貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)的治理與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)與借鑒。

1材料與方法

1.1圍隔系統(tǒng)區(qū)域貢湖灣春夏季盛行偏南風(fēng)，在生態(tài)修復(fù)工程示范區(qū)的七號(hào)橋外側(cè)內(nèi)外湖連通處設(shè)置消浪擋藻圍隔(圖1)，用于在藍(lán)藻暴發(fā)期間進(jìn)行物理性阻隔；西南風(fēng)時(shí)，貢湖灣風(fēng)流場(chǎng)沿岸帶向東流動(dòng)，運(yùn)用圍隔系統(tǒng)導(dǎo)流功能將藍(lán)藻導(dǎo)流至小溪港藍(lán)藻打撈點(diǎn)附近；東南風(fēng)時(shí)，貢湖灣風(fēng)流場(chǎng)沿岸帶向西流動(dòng)，利用圍隔系統(tǒng)將藍(lán)藻導(dǎo)流至許仙港藍(lán)藻打撈點(diǎn)附近，使生態(tài)修復(fù)區(qū)免受藍(lán)藻水華的沖擊。

1.2可控導(dǎo)流圍隔系統(tǒng)設(shè)計(jì)可控導(dǎo)流圍隔系統(tǒng)主要由導(dǎo)流圍隔、消浪圍隔、擋藻圍隔、可控導(dǎo)流門(mén)構(gòu)成。七號(hào)橋中點(diǎn)距消浪圍隔弧長(zhǎng)中心點(diǎn)45.0 m處布設(shè)消浪圍隔，消浪軟圍隔弧長(zhǎng)326.0 m，擋藻群體寬4.5 m。七號(hào)橋中點(diǎn)距擋藻圍隔弧長(zhǎng)中心點(diǎn)20.0 m處布設(shè)擋藻圍隔，擋藻軟圍隔弧長(zhǎng)212.0 m，擋藻群體寬4.5 m,消浪軟圍隔系統(tǒng)外側(cè)布設(shè)2個(gè)可移動(dòng)式導(dǎo)流圍隔，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流軟圍隔位置將沿岸漂移的藍(lán)藻擋在圍隔外側(cè)或提供導(dǎo)流路徑，避免大量藍(lán)藻堆積在圍隔系統(tǒng)內(nèi)。導(dǎo)流軟圍隔弧長(zhǎng)60.0 m，群體寬1.5 m,消浪圍隔和擋藻圍隔兩端設(shè)計(jì)2扇5.0 m寬的可控垂簾導(dǎo)流門(mén)，導(dǎo)流門(mén)兩端與太湖大堤岸線密封連接，導(dǎo)流門(mén)由可控式垂簾門(mén)構(gòu)成，根據(jù)主風(fēng)場(chǎng)情況，將其設(shè)置在圍隔系統(tǒng)兩端。 導(dǎo)流門(mén)由鋼管、簾布、滑輪、鋼絲、絞車(chē)等組成，鋼管起到加固作用，鋼絲、滑輪、絞車(chē)起到導(dǎo)流門(mén)升降功能。圍隔體系布放平面見(jiàn)圖2。

1.3圍隔布放形態(tài)及制作材料圍隔不僅具有擋藻功能，還能承受較強(qiáng)的風(fēng)浪沖擊，但圍隔處于封閉狀態(tài)，長(zhǎng)期布放于水域中，受力程度不斷積累必然加速其老化。為減輕圍隔系統(tǒng)受力程度，必須使其成為可調(diào)控的開(kāi)放系統(tǒng)，在非藍(lán)藻水華季節(jié)，圍隔系統(tǒng)處于開(kāi)放狀態(tài)。

圍隔帶主要由浮筒、加強(qiáng)帶、透水布裙體及配重材料(φ100配重石籠)組成，浮筒采用新型橡膠材料，橡膠材料內(nèi)分節(jié)填充40 cm×50 cm的加密泡沫，每個(gè)泡沫間隔30 cm。為便于制作、運(yùn)輸和連接，每條圍隔20 m，上部浮體及橡膠材料與下部濾布(加筋)用夾板連接，考慮波高及高水位的影響，設(shè)置濾布群體寬度為4.5 m，每隔5.0 m留有固定的鐵扣件，以供安裝及更換時(shí)使用。在圍隔兩邊2.5 m進(jìn)行定位鋼樁定位，圍隔兩側(cè)10.0 m左右用錨和繩索固定。在橫向橡膠的基礎(chǔ)上，增加3條加強(qiáng)帶，縱向每隔5.0 m增加1條加強(qiáng)帶。軟圍隔體中垂簾布采用錦綸布、φ100配重石籠外包橡膠，配置5.0 t以上拉力的加強(qiáng)帶。

1.4實(shí)施方案

1.4.1消浪試驗(yàn)。生態(tài)修復(fù)區(qū)處于貢湖北岸帶，主要受偏南風(fēng)影響，因此選擇西南風(fēng)風(fēng)向，通過(guò)監(jiān)測(cè)波浪峰谷值計(jì)算波高，分析圍隔的消浪效果。

監(jiān)測(cè)西南風(fēng)向，在圍隔的內(nèi)外區(qū)域(如圖3紅色標(biāo)記處)分別布設(shè)4個(gè)波高儀：①點(diǎn)距橋79.0 m；②點(diǎn)距橋垂向距離56.0 m；③點(diǎn)距橋垂向距離34.0 m；④點(diǎn)距橋垂向距離12.8 m。消浪試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

1.4.2擋藻試驗(yàn)。在藍(lán)藻暴發(fā)期，采集圍隔系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體表層0~10 cm水柱中的藍(lán)藻水樣，顯微鏡下計(jì)數(shù)藻密度。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖5所示。沿圍隔弧形方向，在距離消浪圍隔外側(cè)5.0 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)帶1，距擋藻圍隔外側(cè)10.0、5.0 m處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)帶2、3，距擋藻圍隔內(nèi)側(cè)5.0 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)帶4，在導(dǎo)流圍隔外側(cè)5.0 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)帶5、6，各監(jiān)測(cè)帶上每隔20.0 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。擋藻試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖2　圍隔系統(tǒng)布置示意Fig. 2　 Disposition of barricading system

圖3　圍隔系統(tǒng)波高儀布設(shè)示意Fig. 3　 Schematic diagram of wave-height meter of barricading system

圖4　圍隔系統(tǒng)消浪試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 4　The scene of wave reducing test of barricading system

1.4.3導(dǎo)流試驗(yàn)。在試驗(yàn)前1 d采用300目絹網(wǎng)將消浪圍隔內(nèi)側(cè)-擋藻圍隔外側(cè)區(qū)域漂浮的藍(lán)藻打撈干凈，關(guān)閉導(dǎo)流門(mén)。將打撈的500 L藍(lán)藻放入大桶中備用，準(zhǔn)備3條竹筏用于采樣(區(qū)域較大，忽略竹筏移動(dòng)產(chǎn)生的影響)。西南風(fēng)向時(shí)，將提前打撈的藍(lán)藻放入圖5中①所示導(dǎo)流門(mén)位置，同時(shí)撒5.0 kg稻殼作為示蹤物質(zhì)，用于監(jiān)測(cè)經(jīng)典風(fēng)場(chǎng)作用下藍(lán)藻從導(dǎo)流門(mén)飄出的時(shí)間。示蹤稻殼沿圍隔漂移到導(dǎo)流門(mén)時(shí)取監(jiān)測(cè)帶2、3、4上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量藻密度。東南風(fēng)向時(shí)，將提前打撈的藍(lán)藻放入圖5中②所示導(dǎo)流門(mén)位置，重復(fù)以上步驟。導(dǎo)流試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖5　圍隔系統(tǒng)監(jiān)測(cè)帶布設(shè)示意Fig. 5　Schematic diagram of monitoring strap of barricading system

圖6　圍隔系統(tǒng)擋藻試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 6　 The scene of algae blocking test of barricading system

圖7　圍隔系統(tǒng)導(dǎo)流試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 7　The scene of stream diversion test of barricading system

1.4.4監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法。藻密度：計(jì)數(shù)方法采用顯微鏡法[18]，計(jì)數(shù)不同類(lèi)型細(xì)胞群體數(shù)量和群體大小。浮游植物數(shù)量計(jì)算公式為N=A×Vs×n/Ac×Va，其中，N為每升原水樣中的浮游植物數(shù)量，個(gè)/L；A為計(jì)數(shù)框面積，mm2，1個(gè)視野的實(shí)際面積為0.196 349 mm2；Vs為1.0 L原水樣沉淀濃縮后的體積，mL；n為計(jì)數(shù)所得浮游植物的數(shù)目；Ac為計(jì)數(shù)面積，mm2；Va為計(jì)數(shù)框的體積，mL。標(biāo)準(zhǔn)情況下Va為0.1 mL，Vs通常為100.0 mL，A為400 mm2。

波浪：波高=峰值-谷值；波浪消減率(%)=(入射波高圍隔前-透射波高圍隔后/入射波高圍隔前)。

2結(jié)果與分析

2.1消浪效果風(fēng)速為1.38 m/s條件下，測(cè)定圍隔內(nèi)外4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波浪峰谷值，運(yùn)用波高儀每0.02 s記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)定不同監(jiān)測(cè)時(shí)間段的波浪峰谷值。從圖8可以看出，從外到內(nèi)，經(jīng)過(guò)消浪圍隔，波浪消減20%，再經(jīng)擋藻圍隔，波浪峰谷值明顯減小，且波浪周期變大，波浪消減率達(dá)到近30%，這表明圍隔系統(tǒng)具有一定的消浪效果。

2.2擋藻效果通過(guò)試驗(yàn)可知，圍隔從外到內(nèi)不同監(jiān)測(cè)帶藻密度差異很大，沿圍隔垂直方向從外到內(nèi)藻密度依次遞減(圖9)，監(jiān)測(cè)帶1的藻密度平均值為4.70×109個(gè)/L，經(jīng)過(guò)第1層圍隔的攔截，藻密度下降至2.29×109個(gè)/L，下降幅度達(dá)到50%以上，而監(jiān)測(cè)帶4藻密度平均值僅為0.60×109個(gè)/L，藻密度下降幅度達(dá)到80%以上?？梢?jiàn)，圍隔系統(tǒng)擋藻效果明顯，兩層圍隔擋藻效率明顯高于一層圍隔。從圖10可以看出，藻密度呈現(xiàn)出圍隔中間段最低，圍隔兩端逐漸增大的趨勢(shì)，這種結(jié)果與風(fēng)向有關(guān)，有利于圍隔導(dǎo)流，更易于藍(lán)藻的清除。

圖8　消浪試驗(yàn)中不同監(jiān)測(cè)帶內(nèi)波浪峰谷值Fig. 8　Wave peak-to-valley value of different monitoring straps in wave reducing test

2.3導(dǎo)流效果從圖11可見(jiàn)，沿著風(fēng)向，監(jiān)測(cè)帶上監(jiān)測(cè)點(diǎn)藻密度不斷增大，在導(dǎo)流門(mén)處達(dá)最大，在東南和西南風(fēng)向條件下，圍隔導(dǎo)流效果明顯。監(jiān)測(cè)帶2、3上藻密度呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；監(jiān)測(cè)帶4在8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后急劇增長(zhǎng)至最大值。結(jié)果表明，圍隔系統(tǒng)具有導(dǎo)流效果，且圍隔最內(nèi)層導(dǎo)流效果優(yōu)于圍隔次內(nèi)層。

圖9　擋藻試驗(yàn)中各監(jiān)測(cè)帶藻密度平均值Fig. 9　Average values of algae densities in monitoring straps in algae blocking test

圖10　擋藻試驗(yàn)中不同監(jiān)測(cè)帶各監(jiān)測(cè)點(diǎn)藻密度Fig. 10　Algae densities of different monitoring sites in algae blocking test

圖11　導(dǎo)流試驗(yàn)中不同監(jiān)測(cè)帶各監(jiān)測(cè)點(diǎn)藻密度Fig. 11　Algae densities of different monitoring sites in stream diversion test

3結(jié)論與討論

該研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)消浪圍隔對(duì)外湖風(fēng)浪的消減，圍隔內(nèi)風(fēng)浪明顯消弱，水流減緩，再經(jīng)擋藻圍隔攔截，大量藍(lán)藻被攔截在圍隔外側(cè)，導(dǎo)流門(mén)開(kāi)啟后，藍(lán)藻順著水流方向漂移到達(dá)導(dǎo)流門(mén)后繼續(xù)向前漂移到達(dá)藍(lán)藻打撈點(diǎn)，從而成功實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻清除。在適宜的風(fēng)向和水文條件下，圍隔系統(tǒng)能夠起到良好的消浪、擋藻和導(dǎo)流作用。

經(jīng)過(guò)圍隔系統(tǒng)的消浪、擋藻、導(dǎo)流的一連串作用，成功實(shí)現(xiàn)了風(fēng)浪的減弱和藍(lán)藻的有效攔截，避免藍(lán)藻進(jìn)入示范區(qū)破壞水體生態(tài)系統(tǒng)，為湖濱帶生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造了良好的立地條件。

圍隔系統(tǒng)消浪主要有3種作用方式：①波浪傳播到圍隔時(shí)，圍隔裝置將一部分波能反射回去，屬于反射消能[19]；②由于波浪的傳遞頻率與圍隔結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)頻率不同，兩者互相干涉消除部分波能[20]；③由于波浪與圍隔系統(tǒng)的摩擦、碰撞等擾亂了波浪質(zhì)點(diǎn)本身的規(guī)律運(yùn)動(dòng)而消能[21]。通過(guò)這3種消能方式，圍隔系統(tǒng)能夠消減30%以上。

據(jù)測(cè)定，微風(fēng)條件下，藻類(lèi)易被向岸湖流帶入湖濱帶富集，如在7月中旬，藍(lán)藻水華暴發(fā)，三級(jí)風(fēng)后，藻類(lèi)在湖濱帶富集的濃度增加，離岸風(fēng)可將湖灣無(wú)植被區(qū)富集藻類(lèi)攜走

70%～80%[22]。經(jīng)過(guò)圍隔系統(tǒng)的消浪作用，內(nèi)層圍隔水流明顯減緩，藍(lán)藻利用自身的偽空胞[23]漂浮于水體表層，在擋藻圍隔的攔截作用下富集，經(jīng)導(dǎo)流圍隔的導(dǎo)流作用，藍(lán)藻沿水流方向緩慢漂移到達(dá)導(dǎo)流門(mén)后再導(dǎo)流至藍(lán)藻打撈點(diǎn)附近進(jìn)行集中處理。

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The Barricading Wave and Algae Technology in Gonghu Bay Ecological Restoration Area of Taihu Lake

ZHANG Yan-qing, BI Xue-juan,YAN Hui-min et al (Jiangsu Jiangda Ecological Technology Co., Ltd., Wuxi, Jiangsu 214061)

AbstractDouble barricading wave and algae system was established beside the 7# bridge in the connection area of Gonghu Bay Ecological Restoration Area and outer Taihu Lake. Based on diversion gate technology and the characteristics of Gonghu Bay wind field, the lake waves were reduced, the exogenous cyanobacteria was blocked to restoration area. Barricading wave and algae system was mainly composed of wave barricading, algae barricading, and controlled diversion gate. Results showed that the wave reduction rate reached 30%, and algae density reduced by more than 80%. Thus, the efficiency of diversion was significant.

Key wordsBarricading; Algae; Diversion; Peak-to-valley value

收稿日期2015-12-24

作者簡(jiǎn)介張艷晴(1990- )，女，安徽宿州人，碩士，從事生態(tài)修復(fù)研究。

基金項(xiàng)目水體污染控制與治理項(xiàng)目(2013ZX07101-014)。

中圖分類(lèi)號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)02-142-04