一种改善大型浅水湖泊基础环境的消浪方法
【专利摘要】本发明属于生态修复【技术领域】，提供一种大型浅水湖泊水生植物恢复的基础环境改善的消浪技术。针对大型浅水湖泊风浪扰动较大的特点，本发明利用工程消浪的构件包括混凝土桩和竹排，混凝土桩布设于防御区外围抵御特大风浪的袭击，配合内围竹排构件加强防御效果。混凝土桩构件交错布设成消浪带，产生的挡、反射、破浪及水、桩的摩擦削减目标区域内的波浪；消浪竹排固定在锚桩上，由竹排浮床构件与水体之间相对运动使波浪产生破碎消除波浪。本设计可以降低湖泊风浪影响，控制沉积物再悬浮，为湖泊水生植物恢复提供基础环境条件，实现水质改善的目标。
【专利说明】一种改善大型浅水湖泊基础环境的消浪方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生态修复【技术领域】，涉及一种改善大型浅水湖泊基础环境的消浪方法。
【背景技术】
[0002]风浪对水生闻等植物有着非常复杂的影响。调查发现，太湖水生闻等植物分布一般在沿岸、湖湾等水域，而且水深一般都在2m以内。在开阔的敞水区，很难有水生高等植物存在。太湖在湖湾等风浪较小的水域，水生高等植物才有可能生长发展起来；而在西太湖等开阔水域，几乎看不到任何水生高等植物，只有在渔民下网的网边上偶然可以发现零星的沉水植物，或者是在周边环境发生本质变化的情况下，才会有水生高等植物生长。
[0003]风浪对水生高等植物生长有直接的机械损伤。强烈的风浪会使水生高等植物的根茎折断，严重的甚至会连根拔起。据中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站观测结果，强风浪到来以前，该站水上实验区浮叶植物菱生长良好，覆盖度超过90 %，但风浪过后，水上实验场浮叶植物菱全部被连根拔起，仅盛下一些扎根较牢的荇菜，覆盖度小于10%。从防止风浪对水生高等植物损伤方面而言，有必要在恢复区实施消浪工程。
[0004]风浪会导致沉积物悬浮，使得沉积物中大量的污染物质得到释放。在风浪作用下，导致了沉积物发生再悬浮作用，沉积在湖底的污染物进入水体，进一步增加水体污染物负荷。水体悬浮物含量升高，透明度下降，因而水生高等植物难以获得光合作用所需能量，水生植被很难发展起来。因此降低水体的内源负荷，采取措施消除水体波浪具有重要的意义。
[0005]国内外针对海堤的消浪方法是抛置“工”字型构件，消除海港船舶泊船区的波浪方法为筑明坝、暗坝及挡波墙。前者适用于堤岸防浪，后者投资强度大，影响恢复区景观，因此不适于湖泊生态恢复的消浪。在湖泊运用密排木桩的方法，主要应用于近岸区的护岸；在湖泊开阔水域运用，受强波浪的袭击木桩易被折断，此外在波浪反复作用下，因木桩的浮力作用，易松动浮起。柔性材料消浪方法，消浪效果相对较差，特别是漂浮水生高等植物，还易受风浪的破坏，受生长季节的影响。因此，针对这些措施的消浪效果，必须找到一种适用于风浪较大的大型浅水湖泊的消浪技术。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于改善湖泊基础环境条件和克服现有技术的上述缺陷，提供一种改善大型浅水湖泊基础环境改善的消浪方法。采用本发明提供的方法，可以针对大型浅水湖泊风浪扰动较大的特点，利用混凝土桩和消浪竹排，将混凝土桩布设于防御区外围抵御特大风浪的袭击，配合内围竹排构件加强防御效果，以降低湖泊风浪影响，控制沉积物再悬浮，为湖泊水生植物恢复提供基础环境条件，实现水质改善的目标。
[0007]本发明的上述目的是这样实现的:
一种改善大型浅水湖泊基础环境的消浪方法，包括以下步骤: (1)在待净化的目标水域防御区外围布设由混凝土桩构成的第一消浪带；
(2)在待净化的目标水域防御区内围构建由多个消浪竹排构成的第二消浪带。
[0008]其中，步骤(I)所述第一消浪带包括由所述混凝土桩规律交错在待净化的目标水域外围构建形成的圈状混凝土桩消浪带；所述第二消浪带包括由消浪竹排在第一消浪带内侧构成的多道平行于混凝土桩消浪带的竹排结构浮床消浪带。
[0009]所述的第二消浪带包括在第一消浪带内侧构成的至少2道(优选2-4道)平行于混凝土桩消浪带的竹排结构浮床消浪带，任意相邻的竹排结构浮床消浪带或竹排结构浮床消浪带与混凝土桩消浪带之间间隔300-400m,优选任意相邻的竹排结构浮床消浪带或竹排结构浮床消浪带与混凝土桩消浪带之间间隔350m，更优选在2道环状竹排结构浮床消浪带之间，以及在竹排结构浮床消浪带和混凝土桩消浪带之间还均匀布设2-4道方向垂直的竹排结构浮床辅助消浪带。
[0010]波浪水槽的消浪实验表明，当只设一圈竹排消浪带和相邻消浪带间距大于400m时，透浪系数分别为0.71和0.52，而增加消浪带且距离为350m时，其透浪系数为0.31，因此，设多道竹排消浪带且相邻消浪带间距小于400m方案最佳。
[0011]其中，所述的混凝土桩的尺寸为30cmX 30cmX 5m,混凝土桩交错布设，内圈相邻两个混凝土桩的间隔为40-80cm,外圈相邻两个混凝土桩的间隔40-80cm,内外圈之间的间隔范围为40_80cm。
[0012]其中，单个消浪竹排宽8-15m，长5-8m，由80-90根7.5寸毛竹并列扎成。
[0013]使用时，将多个消浪竹排首尾/并排连接，通过锚绳及锚固定，形成竹排结构浮床消浪带或辅助消浪带。其中，竹排结构浮床消浪带的宽度为8-30m，总延长至数千米，依被保护区域的外围周长而定。
[0014]述的锚桩为25cmX25cmX5m混凝土桩,压入或打入底泥1.5m-2m ;所述的锚绳为可承受It拉力的塑料绳。
[0015]本发明所述方法还包括步骤(3):筛选可种植于消浪竹排的漂浮植物主导品种，将其种植至消浪竹排，进行漂浮植物保育，实现水质净化。此外，漂浮植物不仅可种植于消浪竹排，还可以种植于其他合适载体，本发明对此不作特别限定。
[0016]本发明对漂浮植物主导品种的筛选需综合净化水质时间长、耐霜冻、抗风浪效果好、易于维护等特点确定。本发明所述的漂浮植物主导品种包括喜旱莲子草、蓊菜和高羊茅草；其中所述的消浪竹排适宜种植的植物主要包括冬季以高羊茅草为主，夏季以喜旱莲子菜、蓊菜为主。植物的初始投放密度喜旱莲子草为2-4kg/m3 ;蓊菜为l-3kg/m3 ;高羊茅草为2_4kg/m3。
[0017]本发明所述方法还包括在漂浮植物种植区域采取水生漂浮植物的越冬保护及去除技术，防止植物残体的二次污染。
[0018]其中，所述的水生漂浮植物的越冬保护主要采取植物体收割法和农膜特别覆盖法。具体植物体收割法即在寒冬来临前收割，将漂浮植物的生物体离开水体；农膜特别覆盖法使漂浮植物既可有效的越冬，又可降低漂浮植物的二次污染的机会，先用厚农膜覆盖，再用无结网压盖，适合竹排结构浮床。
[0019]本发明所述的竹排结构浮床越冬保护采用高温植物(夏季，喜旱莲子菜与蓊菜)与低温植物(冬季，高羊毛草)交替收割轮种。
[0020]本发明的优点及效果:
本发明技术工程消浪的构件主要包括包括外围混凝土桩消浪带及其内侧的竹排结构浮床消浪带。混凝土桩，工程造价较高，但是可抵御特大风浪的袭击，使用生命长，基本一次投资到位；竹排结构浮床投资少，因竹排可以具有一定的活动范围，可透过一定波浪进而可抵御强浪的袭击，本发明综合二者优势，将二者结合使用。混凝土桩消浪带可削减波高40%?60%，波浪强度越大，消浪效果越好；竹排结构浮床消浪带削减波高80%?40%，随波浪强度增大，消浪效果减小。混凝土桩和消浪竹排的消浪作用还大大降低了风浪对沉积物的扰动，消浪工程外底层水体沉积物捕获量为工程内的7.81倍，悬浮物浓度降低了 70%，水体透明度明显提高。
[0021]下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以【具体实施方式】为限，而是由权利要求加以限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1.太湖梅梁湾消浪工程平面布置图，其中，I混凝土桩构成的第一消浪带，2为由多个消浪竹排构成的第二消浪带；3为竹排结构浮床辅助消浪带；
图2.混凝土桩构成的第一消浪带局部结构示意图，其中，黑色方块为混凝土桩；
图3.竹排结构浮床结构示意图；
图4.竹排结构浮床消浪带锚系结构示意图，其中，2-1为竹排结构浮床，2-2为锚绳，2-3为锚桩。
【具体实施方式】
[0023]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0024]实施例1
(O影响漂浮植物的主要环境因子的分析
风浪对漂浮植物的生长产生重大影响，造成直接的机械损伤，如果不采取有效措施，在湖泊风浪区，植物很难生长。实验证明在围隔中引入喜旱莲子草，覆盖度100%，不到一个月的时间累计损失量达60%，说明湖泊风浪区恢复漂浮植物不易。这是由于波浪的上下运动，导致漂浮植物个体之间的根茎叶相对运动、相互摩擦而损伤，在自然状态，受损量远大于生长量，因此几乎不能正常存活，故以前在大风浪区还没有长期成功种植的先例。因此，在目标水域实施消浪工程是水生植物恢复的前提条件。
[0025](2)影响漂浮植物的主要环境因子的改善:消浪工程
太湖梅梁湖一年四季风场主导风向包含西、南、西南、西北风，并且风速较大，这四个方向传输过来的风浪均较大，因此，宜在强化净化区外围安排可抵御强风浪袭击的混凝土桩构成的第一消浪带1，其内围再配合使用抵御强风浪能力相对一般的由多个消浪竹排构成的第二消浪带2。为防止风浪再生，各道消浪带之间的间隔控制在400m范围内。整个强化净化区消浪工程水平空间分布格局见图1，由三圈组成。自岸边向梅梁湖湖心，分别为两圈竹排消浪带(第二消浪带)和一圈水泥混凝土桩消浪带(第一消浪带)。在两圈竹排消浪带之间布设两道横向竹排结构浮床辅助消浪竹排带3 ;在相邻的竹排消浪带和混凝土桩消浪带之间也布设两道横向竹排结构浮床消浪竹排带。这样整个强化净化区，各风向的风区长度均小于400m。
[0026]其中，混凝土桩消浪带主要应用于强化净化区外围，利用长5km，交错布设的混凝土桩(见图2)的挡、反射、破浪及水、桩的摩擦，削减工程区内波浪。混凝土桩的尺寸为30cmX30cmX5m。内圈混凝土桩的间隔为50cm,外圈混凝土桩的间隔52cm,内外圈距离40cmo
[0027]本实施例中竹排结构浮床消浪带，需布设长近4km、宽1m的竹排浮床，用竹排浮床与水体之间相对运动的波浪产生破碎作用消除波浪。竹排结构浮床2-1结构见图3，主要由80-90根7.5寸毛竹平行并列扎成。整个消浪带由1000个竹排浮床连接而成。竹排结构浮床2-1通过锚绳2-2及锚桩2-3锚固定于实验区(图4)。锚桩2-3为压入或打入底泥
1.5m-2m的25cmX25cmX5m混凝土桩。锚绳2_2为可承受It拉力的塑料绳。
[0028](3)竹排结构浮床的构建。
[0029]消浪带内围的消浪竹排上种植植物可同时实施消浪和恢复浮叶植物及保护浮床的作用。在湖泊风浪区施工的消浪竹排，宽1m,单体长5m,总延长4km,利用它作为载体,能降低漂浮植物个体根茎之间的相对运动，大大地减少相互间的摩擦损耗，也能使受损量远小于生长量，从而获得正常存活，良好生长。竹排裸露在水面上，不美观，在紫外线作用下，寿命也较低。通过种植喜旱莲子菜覆盖裸露的竹排，不仅美观；同时可延长使竹排的寿命一倍以上；还能进一步提高竹排的消浪效果，改善水体透明度等，发挥众多良性生态效应。
[0030]在强化净化区的45000 m2竹排上种植了喜旱莲子草，每天生长量为约lt，喜旱莲子草从水体吸收TN、TP的平均分别为2.31 kg、0.262 kg。
[0031](4)漂浮植物越冬保护与二次污染防止技术。在自然状态，当气温低于霜点漂浮植物枯萎或枯死，在湖泊风浪区，不断受到风浪的破损，更是无法越冬。
[0032]在寒冬来临前，有效的收割，使漂浮植物的残体离开水体，是最彻底消除二次污染方法。另外，有效的越冬技术(农膜特别覆盖法)，能大大降低漂浮植物的二次污染，还能作为周丛生物提供载体，进一步发挥净化水质的作用。针对竹排结构浮床，采取高温植物(夏季，喜旱莲子菜与蓊菜)与低温植物(冬季，高羊茅草)交替收割轮种。即:在冬季移出高温植物(例如喜旱莲子菜)，种植低温植物(水芹、羔羊毛草)。试验表明，工程示范区为劣V类水质，在竹排种植高羊茅草，在冬季青翠，生长良好，其须根长长平均超过40cm、最大达60cm,株长高平均超过30cm，最大达50cm，不但不会产生二次污染，它的成长吸收了大量营养盐，同时其长长的须根还为周丛生物提供载体，发挥多重生态效果。
[0033]漂浮植物结构浮床的生态功能:
I)具有一定的消浪作用
当风浪垂直穿过喜旱莲子菜浮床，例如，在喜旱莲子菜浮床的迎浪面的平均波高为3cm时，当穿过浮床到达背浪面时，平均波高几乎降为0，由此可见，漂浮植物在一定范围内具有明显削减波高的作用。
[0034]2)降低水体悬浮物含量
实验表明，在太湖梅梁湾引入400kg喜旱莲子草。经历一次风浪过程后，波浪较大时(平均波高5.46-6.83cm)，漂浮植物使表层水体悬浮物含量降低达26mg/L ;在无风浪时漂浮植物使表层水体悬浮物含量下降达到13mg/L，平均高度下降达13.2%，显示漂浮植物的存在能够大大降低水体悬浮物含量，这一作用可大大改善水体透明度，为健康水生态系统的重建创造良好条件。
[0035]3)水质净化
在太湖梅梁湾进行了喜旱莲子草净化实验，结果表明，初始投放密度为4.8kg/m2，滞留时间10天左右，可将富营养化的梅梁湾劣V类水质改善为III类水质；适当的投放密度(喜旱莲子草的初始投放密度2kg/m3)，一周左右，漂浮植物可以使V类(或劣V类)水质改善为III类水质；漂浮植物在5天左右基本可使水体SS含量达到低值。
[0036]实施例2
与实施例1相比，区别点仅在于:混凝土桩采用单排桩，各桩迎浪方向呈菱形布置，相邻两桩之间的间距为10cm。观测结果表明，单排桩对各种波高的透浪率为0.63-0.74之间，消浪效果显著低于实施例1。因此，采用双排混凝土桩的布设更利于消浪。
[0037]实施例3
与实施例1相比，区别点仅在于:前排两根桩之间的间距为50cm，后排桩依次均匀的插入到前排桩之间，前、后桩之间沿桩列方向的间距为10cm。观察发现，这种穿插式的混凝土桩布设方法透浪率都在0.7以上，显著高于实施例1。因此，混凝土桩布设为两排，且保持一定间距的消浪效果更好。
[0038]实施例4
与实施例1相比，区别点仅在于:以竹排结构浮床代替混凝土桩，即消浪结构由多道消浪竹排构成。观察发现，透浪率超过0.65，且经历两次大风浪后，最外层竹排结构浮床很快被损坏。因此，在湖泊开阔水域，竹排抵御特大风浪的能力低，受强波浪的袭击易被折断。混凝土桩，可抵御特大风浪的袭击，使用生命长，因此，消浪工程的最外围采用混凝土桩结构。
[0039]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种改善大型浅水湖泊基础环境的消浪方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在待净化的目标水域防御区外围布设由混凝土桩构成的第一消浪带； (2)在待净化的目标水域防御区内围构建由多个消浪竹排构成的第二消浪带。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述第一消浪带包括由所述混凝土桩规律交错在待净化的目标水域外围构建形成的圈状混凝土桩消浪带；所述第二消浪带包括由消浪竹排在第一消浪带内侧构成的多道平行于混凝土桩消浪带的竹排结构浮床消浪带。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第二消浪带包括在第一消浪带内侧构成的至少2道平行于混凝土桩的竹排结构浮床消浪带，任意相邻的竹排结构浮床消浪带或竹排结构浮床消浪带与混凝土桩消浪带之间间隔300-400m,优选任意相邻的竹排结构浮床消浪带或竹排结构浮床消浪带与混凝土桩消浪带之间间隔350m，更优选在2道竹排结构浮床消浪带之间，以及在竹排结构浮床消浪带和混凝土桩消浪带之间还均匀布设2-4道方向垂直的竹排结构浮床辅助消浪带。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的混凝土桩的尺寸为30cmX 30cmX 5m,混凝土桩交错布设，内圈相邻两个混凝土桩的间隔为40_80cm,外圈相邻两个混凝土桩的间隔40-80cm，内外圈之间的间隔范围为40-80cm。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，单个消浪竹排宽8-15m，长5-8m，由80-90根7.5寸毛竹并列扎成。
6.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于，将多个消浪竹排首尾/并排连接，通过锚绳及锚固定，形成竹排结构浮床消浪带或辅助消浪带。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的锚桩为25cmX25cmX 5m混凝土桩，压入或打入底泥1.5m-2m ;所述的锚绳为可承受It拉力的塑料绳。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤(3):筛选可种植于消浪竹排的漂浮植物主导品种，将其种植至消浪竹排，进行漂浮植物保育，实现水质净化，优选所述的漂浮植物主导品种包括喜旱莲子草、蓊菜和高羊茅草；植物的初始投放密度喜旱莲子草为2-4kg/m3 ;蓊菜为l_3kg/m3 ;高羊茅草为2_4kg/m3。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:所述方法还包括在漂浮植物种植区域采取水生漂浮植物的越冬保护及去除技术，防止植物残体的二次污染。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的水生漂浮植物的越冬保护主要采取植物体收割法和农膜特别覆盖法。
【文档编号】C02F3/32GK104179149SQ201410409192
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】秦伯强, 董百丽, 胡维平 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所