軟圍隔系統(tǒng)在迎風(fēng)岸坡植被恢復(fù)中的應(yīng)用研究

張艷晴 周東 周升 韓國勝 艾爭

摘要 為改善太湖貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)生境、恢復(fù)迎風(fēng)岸坡水生植被，開展了軟圍隔系統(tǒng)在迎風(fēng)岸坡植被恢復(fù)中的應(yīng)用研究。從水質(zhì)、水動力、水生植物指標(biāo)3個方面探討了圍隔系統(tǒng)的作用效果。結(jié)果表明，

圍隔組總氮（TN）、總磷（TP）和葉綠素a（Chl-a）含量與對照組相比差異不顯著（ P >0.05），圍隔組透明度極顯著高于對照組（ P<0.01 ）;圍隔系統(tǒng)對表層流速消減率達88.55%，對中層流速消減率達83.47%;經(jīng)過2層圍隔，5個監(jiān)測點的波浪透射系數(shù)分別為0.118、0.070、0.267、0.088和0.164。圍隔系統(tǒng)消流消浪效果顯著。圍隔組3種挺水植物的最大株高、分株數(shù)、成活率和生物量均大于對照組。軟圍隔系統(tǒng)能夠為迎風(fēng)岸坡水生植被恢復(fù)提供有利生境條件。

關(guān)鍵詞 圍隔系統(tǒng);水質(zhì);植物;流速;波浪透射系數(shù)

中圖分類號 X 171.4? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）06-0193-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.044

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on the Application of Soft Enclosure System in Vegetation Restoration of Windward Bank Slope

ZHANG Yan-qing，ZHOU Dong，ZHOU Sheng et al? （Pulizi Environmental Technology （Suzhou） Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215000）

Abstract In order to improve the habitat of Gonghu Lake ecological restoration area of Taihu Lake and restore the aquatic vegetation on the windward bank slope，the application of soft enclosure system in the vegetation restoration of windward bank slope was studied.The effect of enclosure system was discussed from three aspects of water quality， water power and aquatic plant indices.The results showed that there was no significant difference of TN， TP and Chl-a between enclosure group and control group（ P <0.05）， the transparency in enclosure group was extremely significantly higher than that in control group（ P<0.01 ）.Trough soft enclosure system， the flow velocity in surface layer was reduced by 88.55%， and the flow velocity in middle layer was reduced by 83.47%.After two layers of enclosures， the wave transmission coefficient of five monitoring sites were 0.118，0.070， 0.267， 0.088， 0.164 respectively.The enclosure system had remarkable wave attenuation effects.The maximum plant height， plant number， survival rate and biomass of three species of emergent plants in enclosure group were greater than those in control group.Soft enclosure system could provide favorable habitat conditions for the aquatic vegetation restoration on the windward bank slope.

Key words Soft enclosure system;Water quality;Plant;Flow velocity;Wave transmission coefficient

基金項目 國家科技重大專項（2017ZX07204）。

作者簡介 張艷晴（1990—），女，安徽宿州人，工程師，碩士，從事水生態(tài)修復(fù)研究。

收稿日期 2021-08-18;修回日期 2021-09-24

近年來，隨著水環(huán)境污染的加重、環(huán)湖水利工程的興建以及圍湖造田活動的增多，迎風(fēng)岸坡原有的生態(tài)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致迎風(fēng)岸坡生態(tài)服務(wù)功能退化，對流域內(nèi)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生極大危害[1-2]，迫切需要對受損迎風(fēng)岸坡進行生態(tài)修復(fù)。生境改善是生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)，影響水生植被恢復(fù)的主要生境因素包括風(fēng)浪侵蝕及擾動、基底不適宜以及藻類的堆積堵塞[3]。由于風(fēng)浪引起的浪侵蝕、湖流等在近岸區(qū)域比在湖心區(qū)的作用力要大。風(fēng)浪引起的湖水?dāng)_動導(dǎo)致水中懸浮物濃度上升，水體透明度下降，從而影響水生植物生長[4]。另外，風(fēng)浪也會影響堤岸和近岸區(qū)域的基底穩(wěn)定性，并進一步影響水生植物的生長和分布[5]。因此，風(fēng)浪是迎風(fēng)岸坡生態(tài)修復(fù)和生境改善需要解決的首要問題。

國內(nèi)外學(xué)者在岸堤消浪技術(shù)上做了大量研究和工程示范[6-11]，傳統(tǒng)的板式、排式、透空式消浪樁雖然具有較好的消浪效果，但工程造價高，景觀協(xié)調(diào)性差，維護成本高，不具有生態(tài)價值。與傳統(tǒng)消浪技術(shù)相比，軟圍隔系統(tǒng)不僅具有良好的生態(tài)價值，而且消浪效果好，制作成本低，維修更換簡便。增加導(dǎo)流功能能夠有效去除堆積的藍(lán)藻，對富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)修復(fù)具有重要意義[12]。在經(jīng)典風(fēng)場下的迎風(fēng)岸坡構(gòu)建軟圍隔系統(tǒng)，探討圍隔對迎風(fēng)岸坡水質(zhì)改善、消浪緩流、植被恢復(fù)的作用效果，從而為迎風(fēng)岸坡生境改善、生態(tài)系統(tǒng)重建提供技術(shù)支撐和工程實用價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖貢湖灣生態(tài)示范區(qū)由魚塘改造而來，該工程為恢復(fù)和重建退化生態(tài)系統(tǒng)做了大量工作，取得了突破性進展。迎風(fēng)岸坡恢復(fù)和重建對于構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng)是必不可少的。自迎風(fēng)岸坡構(gòu)建以來，2012—2014年監(jiān)測結(jié)果顯示岸坡坡度比由原來的1∶3增加到1∶2，原有的自然緩坡岸堤基底受到嚴(yán)重沖刷破壞;盛夏季節(jié)，臺風(fēng)頻發(fā)，湖面3.7 m/s以上平均風(fēng)速的臺風(fēng)持續(xù)時間較長，湖區(qū)迎風(fēng)岸坡受到頻繁的風(fēng)浪擾動，生境條件很差，水生植被很難正常生長，無法恢復(fù)健康的生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致迎風(fēng)岸坡生態(tài)服務(wù)功能嚴(yán)重退化，因此急需改善迎風(fēng)岸坡生境，恢復(fù)水生植被。根據(jù)生態(tài)示范區(qū)綜合調(diào)查結(jié)果和風(fēng)場特性分析，選擇貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)西試驗區(qū)圍湖大堤作為研究區(qū)域。該區(qū)域位于東風(fēng)風(fēng)向的下風(fēng)區(qū)，7—8月受風(fēng)浪的影響大，水流沖刷嚴(yán)重;水位為1.5～2.5 m，是沉水植物和大型挺水植物生長的適宜生態(tài)水位。選擇該區(qū)域作為圍隔系統(tǒng)，對于研究迎風(fēng)岸坡重建中植被恢復(fù)的作用效果具有一定代表性。在選定的岸坡區(qū)域構(gòu)建軟圍隔系統(tǒng)，面向岸堤圍隔右側(cè)3 m處選定同樣大小的區(qū)域設(shè)置對照組（圖1），圍隔組和對照組配置相同的植物類型，具體配置情況見表1。通過水質(zhì)、水動力和水生植物指標(biāo)考察圍隔系統(tǒng)的作用效果。軟圍隔系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下：軟圍隔高度 450 mm，吃水 350 mm，錨定鋼管直徑100 mm，圍隔單位標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長20 m，抗拉強力65 kN，每米重量8.4 kg，浮重比6.2，最大抗波高1.0 m，最大抗風(fēng)速15 m/s。

1.2 指標(biāo)測定

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)的測定。采集圍隔組和對照組距岸邊2 m（水位4.0 m）處水樣，測定總氮（TN）含量、總磷（TP）含量、濁度、葉綠素a含量（Chl-a）、透明度，每月2次。水質(zhì)指標(biāo)測定方法和使用儀器見表2。

1.2.2 水動力指標(biāo)的測定。采用River Surveyor M9定點測量圍隔內(nèi)外流速。使用波高儀定點測量圍隔內(nèi)外波高。沿圍隔弧度方向每隔5 m設(shè)置1個監(jiān)測點位。采用流速消減系數(shù)和波浪透射系數(shù)表征圍隔的消浪效果。水動力指標(biāo)的測定方法和使用儀器見表2。

流速消減系數(shù)計算公式為 λ=（V t- V i）/ V t，其中 V t為圍隔外層流速， V i為圍隔內(nèi)層流速。

波浪透射系數(shù)計算公式為 K t= H t/ H i，其中 H t為透射波高， H i為入射波高。

1.2.3 水生植物相關(guān)指標(biāo)的測定。挺水植物測定成活率、濕重、干重、最大株高、分株數(shù);沉水植物取1 m2，測定其生物量（濕重、干重）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對各組（圍隔組和對照組）的各水質(zhì)指標(biāo)、水動力指標(biāo)、水生植物指標(biāo)進行數(shù)據(jù)處理和分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析以及相關(guān)指標(biāo)的計算使用 SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件完成。流速數(shù)據(jù)使用River Surveryor Live軟件分析，波高數(shù)據(jù)分析和處理使用Leveline軟件分析完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍隔系統(tǒng)對水質(zhì)指標(biāo)的改善

試驗期間各水質(zhì)指標(biāo)TN、TP、濁度、Chl-a和透明度的變化見表3。由表3可知，與初始值相比，圍隔內(nèi)外的TN、TP和Chl-a含量在整個試驗期間變化不大，且圍隔組與對照組無顯著差異（ P >0.05）。試驗結(jié)束時圍隔組濁度較對照組降低約52%，圍隔組與對照組差異極顯著（ P <0.01）。圍隔組透明度較初始值有所上升，與對照組存在極顯著差異（ P <0.01）。岸邊淺水區(qū)[13]風(fēng)浪作用強烈，水體垂直方向有較強的動力混合作用，岸堤受到較大的水流沖刷侵蝕，導(dǎo)致水體懸浮物濃度升高，濁度上升，透明度下降。由于圍隔系統(tǒng)的消浪作用，使得圍隔內(nèi)水流較緩，水體擾動小，懸浮物逐漸沉降或附著于水生植物，從而使水體透明度逐漸提升。

2.2 圍隔系統(tǒng)對水動力指標(biāo)的改善 使用剖面流速儀定點測量圍隔內(nèi)外表層水體和中層水體平均流速，結(jié)果顯示圍隔系統(tǒng)能夠顯著消減水體流速，且隨著圍隔層數(shù)的增加，消減效果更好（圖2）。從圖2可以看出，圍隔外水體表層和中層流速總體波動幅度均大于圍隔內(nèi)。由表4可知，2層圍隔對表層（0～20 cm）水體流速消減率達88.55%，對中層（80～100 cm）水體流速消減率達83.47%。

波高分析結(jié)果（圖3）顯示，圍隔系統(tǒng)對波浪有顯著的消減效果，圍隔層數(shù)越多，消減效果就越好。不同監(jiān)測點的波高數(shù)據(jù)顯示，圍隔外波高明顯高于圍隔內(nèi)，且隨著圍隔層數(shù)的增加而降低（圖4）。波浪透射系數(shù)越小，表明圍隔消浪效果越好[14]。從表5可以看出，5個不同監(jiān)測點不同圍隔層的透射系數(shù)均小于1，表示圍隔系統(tǒng)具有消浪效果。隨著圍隔層數(shù)的增加，透射系數(shù)隨之減小，1層圍隔的波浪透射系數(shù)（Kt）為0.446～0.638，基本達到50%的消減效果;2層圍隔的波浪透射系數(shù)最低僅為0.088，消浪效果非常顯著。

2.3 圍隔系統(tǒng)對水生植物的改善

從圖5可以看出，圍隔組3種挺水植物的最大株高分別為248、195和121 cm，對照組分別為215、185和114 cm。除香蒲無分株外，圍隔組茭白和黃菖蒲的分株數(shù)均大于對照組（圖5B）;圍隔組3種挺水植物的成活率明顯大于對照組（圖5C）。

從生物量來看，3種挺水植物的地上濕重圍隔組均大于對照組，存在極顯著差異（ P <0.01）（圖6A）;3種挺水植物的地下濕重圍隔組均明顯高于對照組，差異極顯著（圖6B， P <0.01）。圍隔組和對照組3種挺水植物的地上干重和地下干重也存在極顯著差異（圖6C、D， P <0.01）。

從圖7可以看出，3種沉水植物濕重圍隔組與對照組相比均存在極顯著差異（ P <0.01）;干重表現(xiàn)出相同的趨勢。

光照強度是影響水生生物生長所必需的生長因子[15]。湖泊水體透明度與沉水植物光合作用水平密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，光照強度隨水體深度的增加呈指數(shù)衰減[16]，透明度越低，光學(xué)衰減系數(shù)越大[17]，水生植物光合作用受到抑制。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果可知，由于圍隔系統(tǒng)的消浪作用，使得圍隔內(nèi)水流較緩，水體擾動小，透明度高，植物能夠進行充分的光合作用，而對照組由于風(fēng)浪的擾動，水體懸浮物濃度升高，透明度下降，沉水植物因無法獲取充足的光照而死亡。

3 結(jié)論

通過軟圍隔系統(tǒng)的保護大幅度消減了水流流速和風(fēng)浪，減少了湖泊水體擾動，能防止近岸基底沖刷侵蝕，提高水體透明度，有效改善水生植被生境條件。此外，圍隔系統(tǒng)具有良好的生態(tài)價值，制作成本低，維修更換簡便，對于迎風(fēng)岸坡生境改善和植被恢復(fù)具有重要的應(yīng)用價值。圍隔層數(shù)的增加能夠有效提高消浪緩流效果。因此，在工程實踐中可根據(jù)具體需求適當(dāng)增加圍隔層數(shù)，以達到更好的消流消浪效果。

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