張中楨 葉 清

(上海新紡織產(chǎn)業(yè)用有限公司， 上海 200125)

超強(qiáng)大孔徑植生布在潮間帶生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用

張中楨 葉 清

(上海新紡織產(chǎn)業(yè)用有限公司， 上海 200125)

以土工材料為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)，研究土工材料對波、流、植物、微生物生長等的影響規(guī)律，探究波、流等海洋動力作用下土工材料對潮間帶的防護(hù)機(jī)理及植物生長特性，對土工材料結(jié)構(gòu)、孔徑和材料進(jìn)行設(shè)計(jì),確定既能滿足海灘防護(hù)又能適合植物生長的防護(hù)材料。產(chǎn)品提供了岸灘在受侵蝕時(shí)護(hù)底保灘、植物和微生物生長的基礎(chǔ)材料,解決了使用傳統(tǒng)土工材料影響植物生長的產(chǎn)品缺陷,經(jīng)工程試驗(yàn)綜合效果理想,符合海灘防護(hù)同時(shí)兼顧原生態(tài)保護(hù)要求。

潮間帶; 水生態(tài)修復(fù); 濕地重建; 大孔徑植生布

近10年，我國圍填海面積超過30萬hm2，全國自然海岸線受損比例近2/3，改變岸線物理形狀和海域水動力環(huán)境，破壞濕地導(dǎo)致岸帶生產(chǎn)力降低, 降低和消滅了濕地的固碳能力，拆除了能夠過濾入海污染物的保護(hù)屏障[1]，同時(shí)全國46.5%河流受到污染, 10.6%的河流嚴(yán)重污染以及90%以上的城市水域嚴(yán)重污染[2],陸源排污加重了海洋污染,局部海域環(huán)境發(fā)生了很大改變。我國水污染形勢也已從局部河段發(fā)展到流域和近海海域、從單一污染到復(fù)合型污染、從地表水到地下水，以極快的速度擴(kuò)展，危及水資源的可持續(xù)利用,水體中的藻類、致病微生物、有機(jī)?；铩⒅亟饘俚扔卸居泻ξ镔|(zhì)嚴(yán)重威脅著用水的安全。水污染和水體富營養(yǎng)化等問題制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，控制水污染、對污染水域進(jìn)行治理和修復(fù)已經(jīng)成為當(dāng)前水危機(jī)中最緊迫的問題[3]。超強(qiáng)大孔徑植生布主要使用在海岸潮間帶的水位落差變化大的區(qū)域的濕地重建,克服了因使用傳統(tǒng)土工材料影響植物生長的產(chǎn)品缺陷。

1 水生植物在潮間帶生態(tài)修復(fù)工程中的作用

海灘(海岸潮間帶)是海岸帶最活躍的地貌單元，其松散的粒狀沉積物不斷地適應(yīng)來自臨近水域經(jīng)常變化的波浪和水流，其剖面形態(tài)的制約因素包括波浪、水流條件以及組成潮間帶的沉積物等。海灘(海岸潮間帶)不僅為人類提供旅游與休憩的水上活動場所，也為生態(tài)物種提供棲息之地。因此，海岸潮間帶給人類生活帶來很可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。

在眾多水體治理方法中，重建海洋濕地，利用植物修復(fù)法，采用高等水生植物(挺水植物、沉水植物、浮水植物和浮葉植物)及其根際微生物的共同作用去除水體的近海污染物是最佳方法之一。這些濕地首先過濾陸上來的入海徑流，植物直接吸收固定營養(yǎng)物、植物根莖部釋氧和植物根系中微生物降解等作用，使得海洋入海口區(qū)域能保持一個(gè)正常的水平。一定寬度的植物帶具有截留雨水、防止雨水擊濺侵蝕；減少地表徑流、防止地表水流侵蝕；防止踐踏和增加水分滲透；植物根系固定土壤和支撐作用；凈化水質(zhì)，削減非點(diǎn)源污染；改善生物棲息地功能；提高景觀多樣性等多種功能[4]。

潮間帶中植物具有吸收富集水體中氮、磷的效果,水生植物也會向水體中釋放化感物質(zhì)以抑制藻類等大量繁殖,其中水域中蘆葦帶效果最好，COD、NH3-N和TP的去除效果分別達(dá)到43.7%、79.5%和75.2%。鳳眼蓮6天內(nèi)對TN、TP的去除率分別為16.7%、67.6%。水生植物能有效去除水體中的污染物，有效抑制藻類生長,防止富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生[5]。

2 國內(nèi)外潮間帶生態(tài)修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

一般采用生態(tài)學(xué)原理對潮間帶生態(tài)進(jìn)行修復(fù)，通過生物、生態(tài)以及工程的技術(shù)與方法，改變和切斷生態(tài)系統(tǒng)退化的主導(dǎo)因子或過程，調(diào)整、配置和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部及其外界的物質(zhì)、能量和信息的流動過程和時(shí)空次序，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)學(xué)潛力盡快成功地恢復(fù)到一定的或原有乃至更高的水平。

人工方法恢復(fù)和重建濕地是潮間帶生態(tài)恢復(fù)的重要措施，在美國得克薩斯州(Taxas)加爾維斯頓海灣(Galveston Bay),利用工程棄土填升逐漸消失的濱海濕地,當(dāng)潮間帶抬升到一定高度,種植先鋒植物來恢復(fù)沼澤植被。在路易斯安娜薩賓自然保護(hù)區(qū)和得克薩斯潮間帶地區(qū),利用“梯狀濕地”技術(shù)(marsh terracing technique),在淺海區(qū)域修建緩坡狀濕地,濕地建好后在上面種植互花米草及其他濕地植被,修建梯狀濕地可以減弱海浪沖擊、促使泥沙沉積、保護(hù)海灘,同時(shí)也可以為海洋生物提供棲息地[6]。隨著20世紀(jì)80年代中期入侵生態(tài)學(xué)的興起，互花米草從美國東部流入西部后顯現(xiàn)出嚴(yán)重入侵性。美國學(xué)界對互花米草入侵性的批判很快影響到國內(nèi)。批判的主要觀點(diǎn)認(rèn)為，互花米草的入侵改變了淤泥質(zhì)光灘的景觀，侵占了本土物種堿蓬、紅樹林和貝類的生態(tài)位，威脅貝類水產(chǎn)養(yǎng)殖，加快了灘涂和港區(qū)的淤積速度等[7]，采用互花米草先鋒植物技術(shù)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3 潮間帶濕地重建新思路

圍海造地工程中采用土工材料已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用,雖然土工材料有著優(yōu)越的保灘護(hù)底功能和反濾效果,但也成了滅絕海灘濕地水生植物群、影響生態(tài)平衡的主兇,土工材料鋪設(shè)后致密的織物組織阻擋住來自土工材料底下沙土層中植物根莖(如蘆葦匍匐莖)的生長以及能量和物質(zhì)交換,原有海灘上的高等植物幾乎難覓蹤跡。工程人員曾嘗試在土工材料下預(yù)埋蘆根,期待蘆根芽尖能萌發(fā)頂破土工材料層在海灘上重新生長,也嘗試在土工材料上栽種蘆葦?shù)人参锏允《娼K。究其原因，傳統(tǒng)土工材料組織經(jīng)緯紗線排列緊密所致,組織結(jié)構(gòu)致密影響植物根莖自由穿透,造成植物生長困難，成活率降低，高等水生植物總量達(dá)不到作為凈化水質(zhì)所需的標(biāo)準(zhǔn)。超強(qiáng)大孔徑植生布是以保持傳統(tǒng)土工材料基本特性為基礎(chǔ)，結(jié)合植物生長生理特性，應(yīng)用多學(xué)科交叉，研發(fā)出的一款既能滿足護(hù)底保灘要求又具備保證植物根莖容易穿透的新型土工材料。材料以有效解決使用傳統(tǒng)土工材料影響植物生長的產(chǎn)品缺陷為設(shè)計(jì)目標(biāo),以海灘防護(hù)同時(shí)兼顧原生態(tài)保護(hù)要求為設(shè)計(jì)理念,對傳統(tǒng)土工材料織物組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

改變致密的布層結(jié)構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)在濱海潮間帶水生高級植物獲得重生的途徑之一,織物的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要圍繞土工材料植物根莖可自由穿越以及提升材料生物相容性兩方面進(jìn)行。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)層和生態(tài)維持層兩層結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)層以保持傳統(tǒng)土工紡織材料平紋組織強(qiáng)度為基礎(chǔ)，以改變組織結(jié)構(gòu)不影響土工材料水域保灘護(hù)底功能為條件,在結(jié)構(gòu)層織物上“開洞”成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路,當(dāng)植物根莖遇到土工材料后依照植物根莖向上生長規(guī)律在材料上“開洞”,提供可讓根莖向上發(fā)展的基礎(chǔ)條件。生態(tài)維持層材料采用經(jīng)高分子合成纖維表面改性處理的方法改善材料的親水性和微生物附著性,通過提升材料的親水性和生物相容性，增加土工材料的生物相容性，實(shí)現(xiàn)水生植物的根莖自由生長和微生物在材料上的附著,在水體中形成微生物-底棲生物-浮游生物-植物一體的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)室理化及水體凈化測試

4.1 物理指標(biāo)測試

經(jīng)上?？辈煸O(shè)計(jì)院檢測,材料各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 材料物理指標(biāo)

測試表明超強(qiáng)大孔徑植生布抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)土工布的基本值,動態(tài)穿孔破洞直徑達(dá)28mm,可基本滿足蘆葦?shù)人参锔o的穿越。

4.2 水體凈化試驗(yàn)

超強(qiáng)大孔徑植生布經(jīng)生物載體材料模擬污水凈化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室處理,經(jīng)兩個(gè)月試驗(yàn)對COD、氨氮、總氨去除進(jìn)行測試:

a.系統(tǒng)對COD 有較高的去除率。對COD的去除率可以穩(wěn)定地達(dá)到85%左右。材料表面微生物采用附著生長方式，系統(tǒng)內(nèi)單位體積微生物的數(shù)量較多，使得系統(tǒng)具有優(yōu)異的COD去除效果,見圖1。

圖1 系統(tǒng)對COD的去除效果

b.系統(tǒng)對氨氮具有良好的去除效果。系統(tǒng)對氨氮的去除率達(dá)到了 90%以上，見圖2。

c.系統(tǒng)具有良好的總氮脫除能力。系統(tǒng)對總氮的脫除能力達(dá)到 70%～90%，表現(xiàn)出優(yōu)異的脫氮能力,見圖3。

圖2 系統(tǒng)對氨氮的去除效果

圖3 系統(tǒng)對總氮的去除能力

d.微生物填料參數(shù)見表2。

表2 微生物填料參數(shù)

水體凈化測試表明,超強(qiáng)大孔植生布有較強(qiáng)的生物凈水能力,有極強(qiáng)微生物掛膜性能,若應(yīng)用在水體中同時(shí)可去除COD、氨氮、總氮等物質(zhì)。

5 超強(qiáng)大孔徑植生布在潮間帶生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用

超強(qiáng)大孔徑植生布在膠東半島濱岸實(shí)施潮間帶生態(tài)護(hù)坡工程試驗(yàn)，工程位于防潮堤外側(cè)的潮間帶的水生植物種植區(qū)域，栽植區(qū)域海水鹽度高達(dá)30‰以上,水生植物根莖長期浸泡在海水中,并受潮汐影響植物種植初期整株植物時(shí)常受浸沒,工程采用超強(qiáng)大孔徑植生布作為護(hù)灘和修復(fù)維持植物生態(tài)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料。

該工程區(qū)域?qū)τ谏鷳B(tài)工程物種的生長逆境壓力較大，主要是階段性的缺水、季節(jié)性的低溫和水體的高鹽度。該產(chǎn)品在幫助生態(tài)工程物種對抗生長逆境起到了正面干預(yù)作用，可以起到保濕、保溫和鹽度離子濃度緩沖的作用。

目前膠東半島潮間帶生態(tài)護(hù)坡工程施工結(jié)束已有15個(gè)月，該段生態(tài)護(hù)岸上的生態(tài)工程物種已經(jīng)度過一個(gè)完整的生活史，實(shí)現(xiàn)了移栽后的返青、越冬、萌發(fā)等關(guān)鍵階段，實(shí)現(xiàn)了地上部分和地下部分的生長。植株的地上部分不但實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)生長，也實(shí)現(xiàn)了繁殖生長；由于本次生態(tài)工程物種選取的是蘆葦，植株的地下部分順利穿越超強(qiáng)大孔徑植生布，實(shí)現(xiàn)了蘆葦匍匐莖的橫走生長和植株的自我克隆繁殖，見圖4。

圖4 穿越虛擬大孔徑植生布生長的蘆葦?shù)叵虏糠?/p>

超強(qiáng)大孔徑植生布主要可用于受潮汐落差較大的海洋、大江、大河和湖泊等超大水域潮間帶的防護(hù)和生態(tài)修復(fù)工程。超強(qiáng)大孔徑植生布曾在水位落差高、水流速度大的長江深水航道二期岸坡生態(tài)恢復(fù)工程中進(jìn)行種植水生植物應(yīng)用試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果水生植物生長良好,并且植物根莖與土工材料融為一體,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水環(huán)境條件下水生植物生態(tài)修復(fù)的效果。

超強(qiáng)大孔徑植生布的應(yīng)用使得生態(tài)護(hù)岸上的植被群落得到了良好的發(fā)育，生態(tài)護(hù)岸作為人工生態(tài)系統(tǒng)滿足了凈化水質(zhì)的生態(tài)需求，微生物等其他生態(tài)組分也在逐步自我完善，未來可以實(shí)現(xiàn)更為完整和更大容量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

6 結(jié) 語

我國目前整個(gè)環(huán)海域大概有20km2受污染。其中東海占到大約一半，10km2；其次是渤海、黃海；受污染最輕的是南海。海洋生態(tài)修復(fù)迫在眉睫。超強(qiáng)大孔徑植生布對保護(hù)和恢復(fù)潮間帶護(hù)岸保灘濕地重建有其獨(dú)特的產(chǎn)品特性，可有效解決使用傳統(tǒng)土工材料影響植物生長的產(chǎn)品缺陷，經(jīng)工程試驗(yàn)綜合效果理想,符合海灘防護(hù)同時(shí)兼顧原生態(tài)保護(hù)要求。與國外應(yīng)用實(shí)例相比，具有操作簡單、施工周期短、造價(jià)低等優(yōu)勢，可用作潮間帶水生植物修復(fù)用關(guān)鍵性工程材料。超強(qiáng)大孔徑植生布產(chǎn)品已獲國家專利局專利授權(quán)(專利號: 201320627374.7)，并經(jīng)中國科學(xué)院上海技術(shù)查新咨詢中心“科技查新報(bào)告”檢索,綜合技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

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[7] 欽佩.互花米草生態(tài)效應(yīng)兩面觀[N].中國環(huán)境報(bào)， 2016-12-5.

Application of ultra-strong large-aperture vegetative cloth in ecological restoration projects of inter-tidal zone

ZHANG Zhongzhen, YE Qing

(ShanghaiNewTextileIndustrialCo.,Ltd.,Shanghai200125,China)

The influence law of geotechnical materials on wave, flow, plant, microbe growth, etc. is studied through experiment on the basis of geotechnical materials. The protection mechanism of geotechnical materials on inter-tidal zone and plant growth features under ocean dynamic actions, such as wave, flow, etc. is explored. Structure of geotechnical material, aperture and materials are designed for determining protective materials which not only can meet beach protection, but also can be suitable for plant growth. The products provide foundation materials for bottom and beach protection, plant and microbe growth during beach erosion. The product defect of affecting plant growth by using traditional geotechnical material defects is solved. The comprehensive effect is ideal according to engineering test, and the product is consistent with the requirements of beach protection and original ecological protection.

inter-tidal zone; water ecological restoration; wetland reconstruction; large aperture vegetative cloth

TV213.4

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2096-0131(2017)03- 0033- 05