太湖地區貢湖灣生態修復區圍隔系統消浪擋藻技術研究

張艷晴， 畢雪娟， 閆暉敏， 程 花， 林 超

(江蘇江達生態科技有限公司，江蘇無錫 214061)

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太湖地區貢湖灣生態修復區圍隔系統消浪擋藻技術研究

張艷晴， 畢雪娟， 閆暉敏， 程 花， 林 超

(江蘇江達生態科技有限公司，江蘇無錫 214061)

摘要通過在貢湖灣生態修復區與外太湖連接處7#橋外側設置雙層圍隔消浪擋藻系統，結合導流門技術，研究該系統的消浪、擋藻和導流效果。結果表明，該系統具有良好的消浪擋藻效果，波浪消減率達到近30%，藻密度下降幅度達到80%以上，導流效果明顯。

關鍵詞圍隔；藍藻；導流；峰谷值

水環境質量已成為制約區域經濟發展的重要因素[1]，隨著工業化和城市化的加快，太湖地區水資源污染日益嚴重[2]。貢湖是太湖的重要組成部分，貢湖灣生態修復區位于貢湖東北岸，處于夏季偏南風為主導風向的下風區，湖濱帶內有大量藍藻堆積，難以清除。藍藻對水體及周邊環境產生極大危害[3-4]，導致湖濱帶水質惡化，水生生物死亡，生態系統遭到嚴重破壞。太湖屬于大型淺水湖泊，風浪擾動易導致水-沉積物界面不穩定，引起沉積物再懸浮[5-7]，透明度降低，營養鹽釋放，水生植被難以恢復。

以往對藍藻水華的去除和控制的研究多集中于工程方法、物理方法、生物方法和化學方法[8-14]，然而這些方法存在一些弊端，如工程方法治標不治本，生物方法時效長見效慢，化學方法容易對水體造成二次污染等。可控導流圍隔技術是在消浪擋藻工程的基礎上，逐步在圍隔系統內恢復水生植被、魚類、底棲動物、浮游動物等水生生物，將物理-生態技術有機結合，可充分發揮圍隔系統生態功能，為有效改善水質，增加水體透明度以及湖濱帶的生態系統恢復提供有利條件。目前，利用圍隔系統控制藍藻已有部分研究[15-17],筆者結合以往研究成果及貢湖灣生態修復區水文環境特點，開展了生態修復區可控導流圍隔消浪擋藻技術研究，旨在為貢湖灣生態修復區水體生態系統的治理與恢復提供科學依據與借鑒。

1材料與方法

1.1圍隔系統區域貢湖灣春夏季盛行偏南風，在生態修復工程示范區的七號橋外側內外湖連通處設置消浪擋藻圍隔(圖1)，用于在藍藻暴發期間進行物理性阻隔；西南風時，貢湖灣風流場沿岸帶向東流動，運用圍隔系統導流功能將藍藻導流至小溪港藍藻打撈點附近；東南風時，貢湖灣風流場沿岸帶向西流動，利用圍隔系統將藍藻導流至許仙港藍藻打撈點附近，使生態修復區免受藍藻水華的沖擊。

1.2可控導流圍隔系統設計可控導流圍隔系統主要由導流圍隔、消浪圍隔、擋藻圍隔、可控導流門構成。七號橋中點距消浪圍隔弧長中心點45.0 m處布設消浪圍隔，消浪軟圍隔弧長326.0 m，擋藻群體寬4.5 m。七號橋中點距擋藻圍隔弧長中心點20.0 m處布設擋藻圍隔，擋藻軟圍隔弧長212.0 m，擋藻群體寬4.5 m,消浪軟圍隔系統外側布設2個可移動式導流圍隔，通過調整導流軟圍隔位置將沿岸漂移的藍藻擋在圍隔外側或提供導流路徑，避免大量藍藻堆積在圍隔系統內。導流軟圍隔弧長60.0 m，群體寬1.5 m,消浪圍隔和擋藻圍隔兩端設計2扇5.0 m寬的可控垂簾導流門，導流門兩端與太湖大堤岸線密封連接，導流門由可控式垂簾門構成，根據主風場情況，將其設置在圍隔系統兩端。 導流門由鋼管、簾布、滑輪、鋼絲、絞車等組成，鋼管起到加固作用，鋼絲、滑輪、絞車起到導流門升降功能。圍隔體系布放平面見圖2。

1.3圍隔布放形態及制作材料圍隔不僅具有擋藻功能，還能承受較強的風浪沖擊，但圍隔處于封閉狀態，長期布放于水域中，受力程度不斷積累必然加速其老化。為減輕圍隔系統受力程度，必須使其成為可調控的開放系統，在非藍藻水華季節，圍隔系統處于開放狀態。

圍隔帶主要由浮筒、加強帶、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，橡膠材料內分節填充40 cm×50 cm的加密泡沫，每個泡沫間隔30 cm。為便于制作、運輸和連接，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，以供安裝及更換時使用。在圍隔兩邊2.5 m進行定位鋼樁定位，圍隔兩側10.0 m左右用錨和繩索固定。在橫向橡膠的基礎上，增加3條加強帶，縱向每隔5.0 m增加1條加強帶。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以上拉力的加強帶。

1.4實施方案

1.4.1消浪試驗。生態修復區處于貢湖北岸帶，主要受偏南風影響，因此選擇西南風風向，通過監測波浪峰谷值計算波高，分析圍隔的消浪效果。

監測西南風向，在圍隔的內外區域(如圖3紅色標記處)分別布設4個波高儀：①點距橋79.0 m；②點距橋垂向距離56.0 m；③點距橋垂向距離34.0 m；④點距橋垂向距離12.8 m。消浪試驗現場見圖4。

1.4.2擋藻試驗。在藍藻暴發期，采集圍隔系統各監測點水體表層0~10 cm水柱中的藍藻水樣，顯微鏡下計數藻密度。試驗監測點的布設如圖5所示。沿圍隔弧形方向，在距離消浪圍隔外側5.0 m處設置監測帶1，距擋藻圍隔外側10.0、5.0 m處分別設置監測帶2、3，距擋藻圍隔內側5.0 m處設置監測帶4，在導流圍隔外側5.0 m處設置監測帶5、6，各監測帶上每隔20.0 m設置監測點。擋藻試驗現場見圖6。

圖2　圍隔系統布置示意Fig. 2　 Disposition of barricading system

圖3　圍隔系統波高儀布設示意Fig. 3　 Schematic diagram of wave-height meter of barricading system

圖4　圍隔系統消浪試驗現場Fig. 4　The scene of wave reducing test of barricading system

1.4.3導流試驗。在試驗前1 d采用300目絹網將消浪圍隔內側-擋藻圍隔外側區域漂浮的藍藻打撈干凈，關閉導流門。將打撈的500 L藍藻放入大桶中備用，準備3條竹筏用于采樣(區域較大，忽略竹筏移動產生的影響)。西南風向時，將提前打撈的藍藻放入圖5中①所示導流門位置，同時撒5.0 kg稻殼作為示蹤物質，用于監測經典風場作用下藍藻從導流門飄出的時間。示蹤稻殼沿圍隔漂移到導流門時取監測帶2、3、4上各監測點的水樣，在實驗室內測量藻密度。東南風向時，將提前打撈的藍藻放入圖5中②所示導流門位置，重復以上步驟。導流試驗現場見圖7。

圖5　圍隔系統監測帶布設示意Fig. 5　Schematic diagram of monitoring strap of barricading system

圖6　圍隔系統擋藻試驗現場Fig. 6　 The scene of algae blocking test of barricading system

圖7　圍隔系統導流試驗現場Fig. 7　The scene of stream diversion test of barricading system

1.4.4監測指標與方法。藻密度：計數方法采用顯微鏡法[18]，計數不同類型細胞群體數量和群體大小。浮游植物數量計算公式為N=A×Vs×n/Ac×Va，其中，N為每升原水樣中的浮游植物數量，個/L；A為計數框面積，mm2，1個視野的實際面積為0.196 349 mm2；Vs為1.0 L原水樣沉淀濃縮后的體積，mL；n為計數所得浮游植物的數目；Ac為計數面積，mm2；Va為計數框的體積，mL。標準情況下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結果與分析

2.1消浪效果風速為1.38 m/s條件下，測定圍隔內外4個監測點的波浪峰谷值，運用波高儀每0.02 s記錄1個數據，測定不同監測時間段的波浪峰谷值。從圖8可以看出，從外到內，經過消浪圍隔，波浪消減20%，再經擋藻圍隔，波浪峰谷值明顯減小，且波浪周期變大，波浪消減率達到近30%，這表明圍隔系統具有一定的消浪效果。

2.2擋藻效果通過試驗可知，圍隔從外到內不同監測帶藻密度差異很大，沿圍隔垂直方向從外到內藻密度依次遞減(圖9)，監測帶1的藻密度平均值為4.70×109個/L，經過第1層圍隔的攔截，藻密度下降至2.29×109個/L，下降幅度達到50%以上，而監測帶4藻密度平均值僅為0.60×109個/L，藻密度下降幅度達到80%以上。可見，圍隔系統擋藻效果明顯，兩層圍隔擋藻效率明顯高于一層圍隔。從圖10可以看出，藻密度呈現出圍隔中間段最低，圍隔兩端逐漸增大的趨勢，這種結果與風向有關，有利于圍隔導流，更易于藍藻的清除。

圖8　消浪試驗中不同監測帶內波浪峰谷值Fig. 8　Wave peak-to-valley value of different monitoring straps in wave reducing test

2.3導流效果從圖11可見，沿著風向，監測帶上監測點藻密度不斷增大，在導流門處達最大，在東南和西南風向條件下，圍隔導流效果明顯。監測帶2、3上藻密度呈緩慢增長趨勢；監測帶4在8號監測點后急劇增長至最大值。結果表明，圍隔系統具有導流效果，且圍隔最內層導流效果優于圍隔次內層。

圖9　擋藻試驗中各監測帶藻密度平均值Fig. 9　Average values of algae densities in monitoring straps in algae blocking test

圖10　擋藻試驗中不同監測帶各監測點藻密度Fig. 10　Algae densities of different monitoring sites in algae blocking test

圖11　導流試驗中不同監測帶各監測點藻密度Fig. 11　Algae densities of different monitoring sites in stream diversion test

3結論與討論

該研究結果表明，經過消浪圍隔對外湖風浪的消減，圍隔內風浪明顯消弱，水流減緩，再經擋藻圍隔攔截，大量藍藻被攔截在圍隔外側，導流門開啟后，藍藻順著水流方向漂移到達導流門后繼續向前漂移到達藍藻打撈點，從而成功實現了藍藻清除。在適宜的風向和水文條件下，圍隔系統能夠起到良好的消浪、擋藻和導流作用。

經過圍隔系統的消浪、擋藻、導流的一連串作用，成功實現了風浪的減弱和藍藻的有效攔截，避免藍藻進入示范區破壞水體生態系統，為湖濱帶生態修復創造了良好的立地條件。

圍隔系統消浪主要有3種作用方式：①波浪傳播到圍隔時，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構本身的運動頻率不同，兩者互相干涉消除部分波能[20]；③由于波浪與圍隔系統的摩擦、碰撞等擾亂了波浪質點本身的規律運動而消能[21]。通過這3種消能方式，圍隔系統能夠消減30%以上。

據測定，微風條件下，藻類易被向岸湖流帶入湖濱帶富集，如在7月中旬，藍藻水華暴發，三級風后，藻類在湖濱帶富集的濃度增加，離岸風可將湖灣無植被區富集藻類攜走

70%～80%[22]。經過圍隔系統的消浪作用，內層圍隔水流明顯減緩，藍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，經導流圍隔的導流作用，藍藻沿水流方向緩慢漂移到達導流門后再導流至藍藻打撈點附近進行集中處理。

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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

作者簡介張艷晴(1990- )，女，安徽宿州人，碩士，從事生態修復研究。

基金項目水體污染控制與治理項目(2013ZX07101-014)。

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-142-04