太湖地区贡湖湾生态修复区围隔系统消浪挡藻技术研究

张艳晴， 毕雪娟， 闫晖敏， 程 花， 林 超

(江苏江达生态科技有限公司，江苏无锡 214061)



太湖地区贡湖湾生态修复区围隔系统消浪挡藻技术研究

张艳晴， 毕雪娟， 闫晖敏， 程 花， 林 超

(江苏江达生态科技有限公司，江苏无锡 214061)

摘要通过在贡湖湾生态修复区与外太湖连接处7#桥外侧设置双层围隔消浪挡藻系统，结合导流门技术，研究该系统的消浪、挡藻和导流效果。结果表明，该系统具有良好的消浪挡藻效果，波浪消减率达到近30%，藻密度下降幅度达到80%以上，导流效果明显。

关键词围隔；蓝藻；导流；峰谷值

水环境质量已成为制约区域经济发展的重要因素[1]，随着工业化和城市化的加快，太湖地区水资源污染日益严重[2]。贡湖是太湖的重要组成部分，贡湖湾生态修复区位于贡湖东北岸，处于夏季偏南风为主导风向的下风区，湖滨带内有大量蓝藻堆积，难以清除。蓝藻对水体及周边环境产生极大危害[3-4]，导致湖滨带水质恶化，水生生物死亡，生态系统遭到严重破坏。太湖属于大型浅水湖泊，风浪扰动易导致水-沉积物界面不稳定，引起沉积物再悬浮[5-7]，透明度降低，营养盐释放，水生植被难以恢复。

以往对蓝藻水华的去除和控制的研究多集中于工程方法、物理方法、生物方法和化学方法[8-14]，然而这些方法存在一些弊端，如工程方法治标不治本，生物方法时效长见效慢，化学方法容易对水体造成二次污染等。可控导流围隔技术是在消浪挡藻工程的基础上，逐步在围隔系统内恢复水生植被、鱼类、底栖动物、浮游动物等水生生物，将物理-生态技术有机结合，可充分发挥围隔系统生态功能，为有效改善水质，增加水体透明度以及湖滨带的生态系统恢复提供有利条件。目前，利用围隔系统控制蓝藻已有部分研究[15-17],笔者结合以往研究成果及贡湖湾生态修复区水文环境特点，开展了生态修复区可控导流围隔消浪挡藻技术研究，旨在为贡湖湾生态修复区水体生态系统的治理与恢复提供科学依据与借鉴。

1材料与方法

1.1围隔系统区域贡湖湾春夏季盛行偏南风，在生态修复工程示范区的七号桥外侧内外湖连通处设置消浪挡藻围隔(图1)，用于在蓝藻暴发期间进行物理性阻隔；西南风时，贡湖湾风流场沿岸带向东流动，运用围隔系统导流功能将蓝藻导流至小溪港蓝藻打捞点附近；东南风时，贡湖湾风流场沿岸带向西流动，利用围隔系统将蓝藻导流至许仙港蓝藻打捞点附近，使生态修复区免受蓝藻水华的冲击。

1.2可控导流围隔系统设计可控导流围隔系统主要由导流围隔、消浪围隔、挡藻围隔、可控导流门构成。七号桥中点距消浪围隔弧长中心点45.0 m处布设消浪围隔，消浪软围隔弧长326.0 m，挡藻群体宽4.5 m。七号桥中点距挡藻围隔弧长中心点20.0 m处布设挡藻围隔，挡藻软围隔弧长212.0 m，挡藻群体宽4.5 m,消浪软围隔系统外侧布设2个可移动式导流围隔，通过调整导流软围隔位置将沿岸漂移的蓝藻挡在围隔外侧或提供导流路径，避免大量蓝藻堆积在围隔系统内。导流软围隔弧长60.0 m，群体宽1.5 m,消浪围隔和挡藻围隔两端设计2扇5.0 m宽的可控垂帘导流门，导流门两端与太湖大堤岸线密封连接，导流门由可控式垂帘门构成，根据主风场情况，将其设置在围隔系统两端。 导流门由钢管、帘布、滑轮、钢丝、绞车等组成，钢管起到加固作用，钢丝、滑轮、绞车起到导流门升降功能。围隔体系布放平面见图2。

1.3围隔布放形态及制作材料围隔不仅具有挡藻功能，还能承受较强的风浪冲击，但围隔处于封闭状态，长期布放于水域中，受力程度不断积累必然加速其老化。为减轻围隔系统受力程度，必须使其成为可调控的开放系统，在非蓝藻水华季节，围隔系统处于开放状态。

围隔带主要由浮筒、加强带、透水布裙体及配重材料(φ100配重石笼)组成，浮筒采用新型橡胶材料，橡胶材料内分节填充40 cm×50 cm的加密泡沫，每个泡沫间隔30 cm。为便于制作、运输和连接，每条围隔20 m，上部浮体及橡胶材料与下部滤布(加筋)用夹板连接，考虑波高及高水位的影响，设置滤布群体宽度为4.5 m，每隔5.0 m留有固定的铁扣件，以供安装及更换时使用。在围隔两边2.5 m进行定位钢桩定位，围隔两侧10.0 m左右用锚和绳索固定。在横向橡胶的基础上，增加3条加强带，纵向每隔5.0 m增加1条加强带。软围隔体中垂帘布采用锦纶布、φ100配重石笼外包橡胶，配置5.0 t以上拉力的加强带。

1.4实施方案

1.4.1消浪试验。生态修复区处于贡湖北岸带，主要受偏南风影响，因此选择西南风风向，通过监测波浪峰谷值计算波高，分析围隔的消浪效果。

监测西南风向，在围隔的内外区域(如图3红色标记处)分别布设4个波高仪：①点距桥79.0 m；②点距桥垂向距离56.0 m；③点距桥垂向距离34.0 m；④点距桥垂向距离12.8 m。消浪试验现场见图4。

1.4.2挡藻试验。在蓝藻暴发期，采集围隔系统各监测点水体表层0~10 cm水柱中的蓝藻水样，显微镜下计数藻密度。试验监测点的布设如图5所示。沿围隔弧形方向，在距离消浪围隔外侧5.0 m处设置监测带1，距挡藻围隔外侧10.0、5.0 m处分别设置监测带2、3，距挡藻围隔内侧5.0 m处设置监测带4，在导流围隔外侧5.0 m处设置监测带5、6，各监测带上每隔20.0 m设置监测点。挡藻试验现场见图6。

图2　围隔系统布置示意Fig. 2　 Disposition of barricading system

图3　围隔系统波高仪布设示意Fig. 3　 Schematic diagram of wave-height meter of barricading system

图4　围隔系统消浪试验现场Fig. 4　The scene of wave reducing test of barricading system

1.4.3导流试验。在试验前1 d采用300目绢网将消浪围隔内侧-挡藻围隔外侧区域漂浮的蓝藻打捞干净，关闭导流门。将打捞的500 L蓝藻放入大桶中备用，准备3条竹筏用于采样(区域较大，忽略竹筏移动产生的影响)。西南风向时，将提前打捞的蓝藻放入图5中①所示导流门位置，同时撒5.0 kg稻壳作为示踪物质，用于监测经典风场作用下蓝藻从导流门飘出的时间。示踪稻壳沿围隔漂移到导流门时取监测带2、3、4上各监测点的水样，在实验室内测量藻密度。东南风向时，将提前打捞的蓝藻放入图5中②所示导流门位置，重复以上步骤。导流试验现场见图7。

图5　围隔系统监测带布设示意Fig. 5　Schematic diagram of monitoring strap of barricading system

图6　围隔系统挡藻试验现场Fig. 6　 The scene of algae blocking test of barricading system

图7　围隔系统导流试验现场Fig. 7　The scene of stream diversion test of barricading system

1.4.4监测指标与方法。藻密度：计数方法采用显微镜法[18]，计数不同类型细胞群体数量和群体大小。浮游植物数量计算公式为N=A×Vs×n/Ac×Va，其中，N为每升原水样中的浮游植物数量，个/L；A为计数框面积，mm2，1个视野的实际面积为0.196 349 mm2；Vs为1.0 L原水样沉淀浓缩后的体积，mL；n为计数所得浮游植物的数目；Ac为计数面积，mm2；Va为计数框的体积，mL。标准情况下Va为0.1 mL，Vs通常为100.0 mL，A为400 mm2。

波浪：波高=峰值-谷值；波浪消减率(%)=(入射波高围隔前-透射波高围隔后/入射波高围隔前)。

2结果与分析

2.1消浪效果风速为1.38 m/s条件下，测定围隔内外4个监测点的波浪峰谷值，运用波高仪每0.02 s记录1个数据，测定不同监测时间段的波浪峰谷值。从图8可以看出，从外到内，经过消浪围隔，波浪消减20%，再经挡藻围隔，波浪峰谷值明显减小，且波浪周期变大，波浪消减率达到近30%，这表明围隔系统具有一定的消浪效果。

2.2挡藻效果通过试验可知，围隔从外到内不同监测带藻密度差异很大，沿围隔垂直方向从外到内藻密度依次递减(图9)，监测带1的藻密度平均值为4.70×109个/L，经过第1层围隔的拦截，藻密度下降至2.29×109个/L，下降幅度达到50%以上，而监测带4藻密度平均值仅为0.60×109个/L，藻密度下降幅度达到80%以上。可见，围隔系统挡藻效果明显，两层围隔挡藻效率明显高于一层围隔。从图10可以看出，藻密度呈现出围隔中间段最低，围隔两端逐渐增大的趋势，这种结果与风向有关，有利于围隔导流，更易于蓝藻的清除。

图8　消浪试验中不同监测带内波浪峰谷值Fig. 8　Wave peak-to-valley value of different monitoring straps in wave reducing test

2.3导流效果从图11可见，沿着风向，监测带上监测点藻密度不断增大，在导流门处达最大，在东南和西南风向条件下，围隔导流效果明显。监测带2、3上藻密度呈缓慢增长趋势；监测带4在8号监测点后急剧增长至最大值。结果表明，围隔系统具有导流效果，且围隔最内层导流效果优于围隔次内层。

图9　挡藻试验中各监测带藻密度平均值Fig. 9　Average values of algae densities in monitoring straps in algae blocking test

图10　挡藻试验中不同监测带各监测点藻密度Fig. 10　Algae densities of different monitoring sites in algae blocking test

图11　导流试验中不同监测带各监测点藻密度Fig. 11　Algae densities of different monitoring sites in stream diversion test

3结论与讨论

该研究结果表明，经过消浪围隔对外湖风浪的消减，围隔内风浪明显消弱，水流减缓，再经挡藻围隔拦截，大量蓝藻被拦截在围隔外侧，导流门开启后，蓝藻顺着水流方向漂移到达导流门后继续向前漂移到达蓝藻打捞点，从而成功实现了蓝藻清除。在适宜的风向和水文条件下，围隔系统能够起到良好的消浪、挡藻和导流作用。

经过围隔系统的消浪、挡藻、导流的一连串作用，成功实现了风浪的减弱和蓝藻的有效拦截，避免蓝藻进入示范区破坏水体生态系统，为湖滨带生态修复创造了良好的立地条件。

围隔系统消浪主要有3种作用方式：①波浪传播到围隔时，围隔装置将一部分波能反射回去，属于反射消能[19]；②由于波浪的传递频率与围隔结构本身的运动频率不同，两者互相干涉消除部分波能[20]；③由于波浪与围隔系统的摩擦、碰撞等扰乱了波浪质点本身的规律运动而消能[21]。通过这3种消能方式，围隔系统能够消减30%以上。

据测定，微风条件下，藻类易被向岸湖流带入湖滨带富集，如在7月中旬，蓝藻水华暴发，三级风后，藻类在湖滨带富集的浓度增加，离岸风可将湖湾无植被区富集藻类携走

70%～80%[22]。经过围隔系统的消浪作用，内层围隔水流明显减缓，蓝藻利用自身的伪空胞[23]漂浮于水体表层，在挡藻围隔的拦截作用下富集，经导流围隔的导流作用，蓝藻沿水流方向缓慢漂移到达导流门后再导流至蓝藻打捞点附近进行集中处理。

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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

作者简介张艳晴(1990- )，女，安徽宿州人，硕士，从事生态修复研究。

基金项目水体污染控制与治理项目(2013ZX07101-014)。

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-142-04