寒地景觀生態浮島的創新性研究

商瑜++白雪++巨雪薇

摘 要：生態浮島技術是一種新型生態污水處理技術，多應用于南方地區，在寒冷地區應用卻鮮有的研究。該文簡要概述應用于寒地的新型生態浮島設計原理以及具體設計方法。

關鍵詞：寒地 生態浮島 設計

中圖分類號：F205 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（c）-0025-02

近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，環境問題也日益突出，其中水污染問題尤為嚴重。為解決水污染問題，國內許多學者開始研究運用生態浮島技術來對城市水體進行修復，但大多應用于溫暖的南方地區，而在寒冷地區應用此技術難度很大。因此，我們在大學生創新訓練項目中通過對國內外生態浮島應用現狀，以及寒地景觀生態浮島應用特點和難點的分析探究，并在浮島設計之中重點解決了浮島的升降問題。在傳統浮島基礎上創新研究出符合寒地氣候和地域特點的沉浮式浮島設計方案。以下簡要概述應用于寒地的沉浮式生態浮島的設計原理以及具體設計方法。

1 生態浮島技術綜述

生態浮島技術作為一種新型生態污水處理技術，是改善水體富營養化、減少水體污染，創造優美景觀的新型生態治理措施之一。

1.1 生態浮島概念及原理

生態浮島是一種使用生態學原理，對水中富營養化物質進行合理調控的人工浮島技術。生態浮島上的植物不僅在水下進行著污水處理，且根據光合作用原理以及蒸騰作用原理，生態浮島可以調節水面的微環境，從而創造出一種良好的環境，而這種環境也是很適宜于鳥類棲息的場所。此外它也能為魚類生存創造出良好的環境。

1.2 生態浮島分類

生態浮島是一個廣泛的概念，其中人工浮島分類如下。

1.2.1 干式浮島

干式浮島指的是植物或根系不接觸水。此類型浮島，可以栽植木本。

1.2.2 濕式浮島

（1）第一代：由于以竹子為主要材料，因此造價很低，但有效果差、壽命短、不好維護等劣勢。

（2）第二代：以泡沫或金屬等材料為主，它造價低、制造簡單，但易分離，屬白色污染。

（3）第三代：主要為PE產品，基本克服了一、二兩代浮島的缺點，但有些偏離生態浮島生產初衷，沒有將浮島凈化的原理貫徹始終，不適合大片應用。

（4）第四代：是當前國內應用最多的主力產品。產品設計考慮周全，成本更低，維護更方便，應用植物范圍廣，凈化能力較強。是引用最廣泛的浮島。

（5）第五代：使用新材料，浮島材料與植物根系相結合，可以進行良好的水體微動力循環。但此類產品有專利限制，且此類浮島價格昂貴，故在國內無應用。

1.3 生態浮島國內外研究現狀

生態浮島產生于20世紀50年代，最初被作為魚類的產卵場所。20世紀70年代后，國外開始用水生高等植物凈水，凈化效果不甚理想。80年代后，西方國家對新型生態浮島技術進行了深入研究，在很多關鍵因素上取得突破，獲得了非常好的治理效果。目前在國外，生態浮島技術已經成為解決水體生態問題的重要手段。

就國內而言，我國水體富營養化問題比較嚴重。調查表明，我國典型湖泊中，中富營養化占56%，輕富營養化占15%，重富營養化達9%。因此，生態浮島便開始被引入應用。國內從20世紀80年代起開始對生態浮島進行研究，在一系列污水治理工程中，生態浮島都顯現出良好的效果。自20世紀90年代以來，我國利用生態浮島在不同種類的水域種植陸生植物，總面積達10余公頃，植物種類超過100多種。近年來國內許多學者開始運用生態浮島技術來進行對城市水體修復的研究，很多地區都有相關的研究應用報道。

經過多年的研究，國內外生態浮島技術得到很大提升，但仍有不足之處。比如，目前國內生態浮島的研究集中于溫暖濕潤的南方，寒地生態浮島的研究幾乎處于空白階段，如何將生態浮島技術引入到溫度低冰凍期長的寒地，如何選擇適應哈爾濱地域的浮島材料，如何配置植物來構建浮島等問題仍然有待探索。此外，國內現有的生態浮島對浮島的景觀效果關注較少，如何體現生態浮島的多重效益也有待考慮。

2 寒地景觀中生態浮島的應用

根據中國氣候特色，在華東、華南等相對溫暖地區，生態浮島的研究及應用較為深入廣泛，而在寒冷地區由于應用生態浮島具有很大的難度，所以相關研究也較少。

2.1 寒地景觀生態浮島應用的特點

由于寒地地域環境的影響，寒地在景觀建設上具有一定的景觀特色。落葉植物歲歲榮枯、降水形式多變等很大程度上給寒地景觀營造提供了最基本的變量。而且寒地的造景方法也較其他地區更為特別。在寒地造景的過程中需要擁有可以對抗寒冷天氣的方法，設計要更注意避免寒冷氣候給人、建筑、景觀帶來不利影響。并因地制宜地營造出讓人感到舒適、愉悅的視覺環境。

2.2 寒地景觀生態浮島應用的難點

寒地氣候原因使生態浮島的應用具有一定的難點。首先在浮島材料選擇上就具有難度。由于寒地較“寒”，因此材料需要具有防凍裂、耐久性強等特點，如果單一材料不具備此功能，則可以通過多個材料實現，比如把膠皮包在外側防凍等。同時，由于生態浮島所處環境的獨特性，材料還要具有防水的功能，質地要輕，最好擁有促進循環的功能，以便水流動起來。而且最好能夠使用無污染材料。在植物選擇上也是十分挑剔的。所選植物必須能夠凈水，并且擁有較耐寒、易于種植、景觀效果良好、造價較低等特點。

綜上，北方重工業地區發展迅速，污染嚴重，是最需要生態浮島但又最難實施的地域。

3 寒地景觀生態浮島的設計

由于寒地的自然地理條件限制，本次生態浮島的研究主要圍繞浮島基座的防寒回收再利用進行創新性設計，改進浮島的設計方案，力爭使浮島能夠更加持續經濟地應用于寒地景觀生態修復當中。同時，考慮到經濟成本及防止二次污染等問題，在進行浮島設計之中也要對浮島材料進行合適的選擇。

在此，將本次設計的新型生態浮島命名為沉浮式浮島，以區別其他普通浮島。

3.1 沉浮式浮島的設計原理

在沉浮式浮島設計之中，主要創新點是解決了浮島的升降問題。設計核心是用浮島基座來控制浮島的升降，并通過浮島的升降來解決北方寒冷的冬季浮島不能越冬及回收儲存成本較高的難題。在解凍期，浮島在水面發揮凈水功能，而在冰封期，浮島會沉入水底，不必擔心被凍裂。冰封期過后，給充氣裝置充氣，使浮島回升到水面，并且添加基質和植物繼續工作。這樣，節約了成本，防止了凍裂，而且發揮了浮島最大的凈水功能。

3.2 沉浮式浮島的分類

沉浮式浮島設計方案的類型：無基質型、有基質型及混合型。

（1）無基質型：浮島中基本沒有或僅有少量基質成分。核心部位是浮島的框架，作用是為水體修復使用的植物提供一個固定裝置，而植物生長所需要的營養成分主要來自富營養化水體，以此來達到生態修復的功能。主要結合水生浮水植物來運用，如鳳眼蓮、萍蓬草、浮萍等單獨種植或群落組合。

（2）有基質型：浮島中有基質成分。在這種類型浮島中，浮島不僅起到框架作用，其中的基質可以起到固定植物的功能，在一定情況下還可以提供部分營養成分。基質主要采用陶粒等吸水性能較好的材料。植物主要結合普通水生、濕生植物來運用，如睡蓮類挺水植物等。

（3）混合型：浮島中有基質成分，基質主要采用陶粒等吸水性能較好的材料。浮島面積相對較大。植物方面將挺水與浮水植物相結合，可以嘗試創造植物景觀群落。如菰+水生美人蕉群落，蘆葦+千屈菜+野慈姑群落，荻+鳳眼蓮群落，荷花+香蒲+萍蓬草群落等。

3.3 沉浮式浮島的總體設計方案

（1）沉浮式浮島制作的主要材料：閉水氣囊、橡膠管、鐵絲網、紗網、透水膜、泡沫塑料、鐵絲、充氣嘴、浮球、鐵皮筒、錨鏈等。

（2）沉浮式浮島設計的功能要求：

①鐵絲網構成浮島的框架，而泡沫塑料，用來承托基質和植物材料。泡沫的選用可以減少重量并且增加浮力。

②鐵皮筒固定于四角，一方面起到平衡重心的作用，另一方面為氣囊的安裝定位，確保氣囊不會阻礙水流進入浮島。

③氣囊是主要的升降工具，通過向氣囊中充氣和放氣，將浮島升起或沉入水底。這是沉浮式浮島設計的核心部分。

④用橡膠管連接充氣口與氣囊。必須保證足夠長。

⑤浮球用來使橡膠管在浮島沉入水底時依然漂浮在水面，以備充氣之用，而且為浮島在沉水時定位。

⑥錨鏈用來固定浮島的位置，通過固定在岸邊或水底的錨鏈，使浮島不被水沖走。

（3）沉浮式浮島制作的主要步驟：

①將鐵絲網裁切成80×60 cm的長方塊，將兩層鐵絲網疊加，中間放入泡沫并用細鐵絲將上下固定緊。

②將鐵皮筒固定在鐵絲網四角，鐵皮桶上方用鐵絲網密封。

③將氣囊放入四角的筒中，充氣嘴朝下，并用橡膠管連接。

④連接浮球和橡膠管。

⑤將錨鏈與鐵絲網固定。

4 結語

此生態浮島設計填補了國內寒地生態浮島研究的空白，針對寒地氣候特點和普通材料耐性差、易凍裂的特點，在傳統浮島基礎上，創新研究出符合寒地氣候和地域特點的生態浮島。

新型浮島為沉浮式浮島，用創新的升降方式解決了設計難題，用基座來控制升降的方式解決了浮島越冬及回收儲存成本高的難題，具有推廣價值和進一步研究改進的潛力。

未來，通過將沉浮式浮島投入實驗，進行進一步的測試和改良，投入使用，并利用地帶性的植物資源，設計出多種植物組合，達到改善寒地水域生態環境，美化水域景觀的作用。最終完成產業化，為創造優美的城市濱水景觀服務。