介紹日本的濕地凈化技術(shù)人工浮島（AFI）

1、介紹日本的濕地凈化技術(shù)人工浮島（afi）摘要： 由于人類大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)活動，使原來的自然環(huán)境發(fā)生了很大的變化，特別是濕地面積不斷縮小、水質(zhì)的惡化，造成了河流、湖沼、池塘等的水生態(tài)的嚴重破壞。因此世界上一些國家特別是日本把生態(tài)系統(tǒng)保護的重點放在濕地上，目前正在為恢復(fù)生態(tài)環(huán)境、保護生物的生息空間，創(chuàng)造優(yōu)美的綠色景觀、凈化河川、湖沼水質(zhì)而努力。在此向大家介紹的人工浮島技術(shù)，是日本的專門研究機構(gòu)近年來一直在進行研究，并在實踐中取得一定成果的科研項目，值得借鑒。 “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(xiàn)象。在這里介紹的浮島是一種象筏子似的人工浮體，在這

2、個人工浮體上栽培一些蘆葦之類的水生植物，放在水里。它的主要機能可以歸納為四個方面：1.水質(zhì)凈化；2.創(chuàng)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(gòu)成保護作用。 人工浮島的水質(zhì)凈化針對富營養(yǎng)化的水質(zhì)，利用生態(tài)工學(xué)原理，降解水中的cod、氮、磷的含量。在這里講的生態(tài)工學(xué)（ecological engineering ）或ecotechnology的概念最早是由w.j.mitsch和s.j.jorgensen提出來的，他倆給生態(tài)工學(xué)下的定義是 “we define ecological engineering and ecotechnology as the design

3、of human society with its natural environment for the benefit of both (mitsch ， 1988)。作為水邊的環(huán)境保護技術(shù)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，作為魚類用的產(chǎn)卵床的人工浮島70年代末就開始在做。近年來，隨著人們對環(huán)境問題的越來越關(guān)心，周圍的自然環(huán)境特別是水邊的自然景觀狀況也越來越受到重視，在此背景下，不光是水的凈化，人們對創(chuàng)造多樣性生態(tài)系統(tǒng)的人工浮島技術(shù)也寄予了很大希望。現(xiàn)在，人工浮島因具有凈化水質(zhì)、創(chuàng)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

4、的原因難以恢復(fù)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(yīng)用。隨著人工浮島工程事例的不斷增加，經(jīng)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(gòu)造 1、1 構(gòu)造分類 從大的方面分，人工浮島可分為干式和濕式兩種。水和植物接觸的為濕式，不接觸的為干式。干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(gòu)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(zhì)沒有凈化作用。一般這種大型的干式浮島是用混凝土或是用發(fā)泡聚苯乙烯做的。濕式浮島里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、

5、不銹鋼加發(fā)泡聚苯乙烯、特殊發(fā)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(jù)統(tǒng)計到目前為止?jié)袷接锌蚣苄偷娜斯じu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，然后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(wǎng)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(zhì)惡化，目前使用的比較少，只有20%左右。 1、3 大小和形狀 一塊浮島的大小一般來說邊長15m不等，考慮到搬運性、施工性和耐久性，邊長23m的比較多。形狀上四邊形的居多，

6、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(xiàn)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：可防止由波浪引起的撞擊破壞；可為大面積的景觀構(gòu)造降低造價；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，成為魚類良好的產(chǎn)卵場所、生物的移動路徑；有水質(zhì)凈化作用。 1、4 人工浮島的水下固定設(shè)計 人工浮島的水下固定設(shè)計是一個較為重要的設(shè)計內(nèi)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

7、懷疑。而人工浮島的設(shè)計是以湖沼為對象，象琵琶湖、霞浦這兩個湖泊屬最大規(guī)模的項目，和海洋比較起來設(shè)計外力僅為海洋的1/10，所以參考過去海洋建筑物及沿岸設(shè)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(jié)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(shè)置一個小型的浮子的做法比較多。 1、5 布設(shè)規(guī)模 人工浮島的布設(shè)規(guī)模因目的的不同，規(guī)模也不同，到目前還沒有固定的公式可套。研究結(jié)果表明提供鳥類生息環(huán)境至少需要1000m2的面積，若是以凈化水質(zhì)為目的除了小型水池以外，相對比較困

8、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(yīng)在視角1020的范圍內(nèi)布設(shè)。 1、6 人工浮島的造價 為了恢復(fù)一度失去的自然，其費用是很大的，經(jīng)過對近些年的施工事例的調(diào)查，造價在10萬日圓/m2的比較多，不過最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，只要是經(jīng)過加工的材料、物品，其價格也會相應(yīng)提高很多，我國和日本、美國的國情不一樣，他們的造價只能作參考。 2. 人工浮島的水質(zhì)凈化機能及效果 人工浮島的水質(zhì)凈化的定義因目的、對象的不同而有所不同，人工浮島的水質(zhì)凈化主要針對富營養(yǎng)化的水

9、質(zhì)而言的，通過減少cod（化學(xué)需氧量）、氮、磷的濃度來抑制赤潮的發(fā)生提高水的透視度為目的。它的凈化機理基本上與湖沼沿岸植物帶的水質(zhì)凈化機理相似。根據(jù)有關(guān)研究資料，湖沼沿岸植物帶的水質(zhì)凈化要素由以下7個：1. 植物莖等表面對生物特別是藻類的吸附，2. 植物的營養(yǎng)吸收，3. 水生昆蟲的攝餌、羽化等，4. 魚類的攝餌、捕食，5.防止已沉淀的懸浮性物質(zhì)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著生物多、水中直接吸收n、p等特點，在對植物性浮游生物的抑制、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(zhì)凈化效果進行定量分析，1995年專業(yè)研究者們

10、在霞浦（土浦市大巖田）進行一次隔離水域試驗，他們分別設(shè)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里，a、b水域各放一個人邊長2m（4m2）的人工浮島，在其上面分別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，歷經(jīng)8個多月，期間進行了6次調(diào)查，主要調(diào)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(shè)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(shù)值平均后，人工浮島占有率只有25%的條件下，削減了94%的植物性浮游生物。由此可以得出人工浮島抑制夏季的植物性浮游生

11、物的細胞繁殖的效果非常大的結(jié)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%，但是入冬以后抑制效果很小。其他類似的試驗研究結(jié)果同樣得出人工浮島夏季抑制植物性浮游生物、cod的效果突出的結(jié)論。專家普遍認為植物的遮蔽效果在抑制植物性浮游生物的細胞繁殖方面起了很大作用。 3、 作為魚類生息場所 人工浮島本身具有適當?shù)恼诒?、渦流、飼料等效果，構(gòu)成了魚類生息的良好條件。實際的調(diào)查表明，在設(shè)施周圍、人工浮島的下面聚集著大量的各類魚種，均為生下來不到一年的幼魚。滋賀縣琵琶湖的調(diào)查表明，在設(shè)置60個人工浮島構(gòu)成的大約1500m2的水域里，發(fā)現(xiàn)8500萬粒鯉魚等三種魚的魚卵。為了強化人工浮島作

12、為魚類產(chǎn)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產(chǎn)卵床的結(jié)構(gòu)。由于繩子對污泥有吸附作用，又可凈化水質(zhì)。 4、 作為鳥類、昆蟲類的生息空間 有關(guān)人工浮島上的鳥類研究相對比較多，特別是鳥的種類、筑巢情況等幾乎在所有的人工浮島上都進行過調(diào)查。在霞浦土浦港的人工浮島上，已發(fā)現(xiàn)一些鳥類的巢穴，有時為了吸引某種鳥在島上搭窩，根據(jù)該鳥的筑巢習(xí)慣在人工浮島上進行特殊布置，為該鳥創(chuàng)造筑巢的條件。 陸生昆蟲的的調(diào)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(qū)空地草坪上進行過一次，調(diào)查方法是用采用網(wǎng)捕捉、排打取出、隨機取樣、目視觀察等方法。調(diào)查結(jié)果表明住宅區(qū)的草地上昆蟲最

13、多，其次是櫻川河口，人工浮島上最少。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(gòu)成與櫻川河口的蘆葦林大致相同，只是量少一些。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(yè)研究的比較多。它的優(yōu)點主要有以下幾個方面，1 因有較高的水交換機能，防止堤防內(nèi)的（海）水污染作用較大。2 不受設(shè)置水域深淺的影響，即使在深水區(qū)也比固定式防波堤的建設(shè)費用要低。3 與水下地基的好壞沒什么關(guān)系，即使設(shè)置在軟弱地基上，也不需要進行地基處理。 4 設(shè)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(xiàn)場施工的工期短。 7 一般可在場外制作，質(zhì)量容易保證。除了上述的若干優(yōu)點外，作為防波用的浮島，比起其它防波建筑物，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干的不足，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。特別是霞浦麻生町島并地區(qū)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年只剩下10m60m的一小