CN104787891A - 一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***、控制藻类水华的生态方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***、控制藻类水华的生态方法及应用，属于生态工程技术领域。本发明的基于微地形改造的藻类水华生态控制***集成采用了地形改造技术、湿地岸带护坡技术、湿地植被种植技术以及水文联通技术。本发明的生态控制***及生态方法不仅可有效抑制藻类水华的发生，同时收集藻类“水华”过后产生的大量有害藻类，也能拦截有害藻类扩散到近岸，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

Description

一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***、控制藻类水华的生态方法及应用

技术领域

本发明属于生态工程技术领域，涉及一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***、控制藻类水华的生态方法及应用。

背景技术

近10年来，湿地水体富营养化和藻类水华现象频频发生。作为“地球之肾”的湿地水体富营养化、生物多样性降低和生物链脆弱化问题一直是湿地学领域探讨的热点和难点。随着人类社会经济的发展和生活水平的提高，人们的生活用水、工农业用水急剧增加，湿地水体富营养化日趋严重，藻类水华现象频发，如2007年太湖蓝藻水华和2010年巢湖蓝藻水华等都给当地生产生活带来了负面影响，严重干扰区域用水安全。虽然采取各种措施来控制湿地水体富营养化和减缓藻类水华爆发频率，但无论是源头控制(如面源污染控制和底泥疏浚等)消减营养负荷，还是采用各种除藻措施(如人工打捞和投放杀藻剂等)，均未能取得预期的效果或只在短期内有效，有的因采用不当的物理或化学方法反而加剧了原本脆弱的湿地生态***的崩溃。

目前国内外在湖泊水华防治治理技术方法上，大体可以归结为物理法、生物法和化学法。物理方法成本高、不经济，不能从根本上排除营养成分对藻类的刺激作用。比如曝气增氧设备，要求动力大、费用高，对封闭水体比较有效。解层混合只有在深度是透光区水深两倍以上的水体中才有效；在水资源紧缺状况下，大量引水冲刷不可取；收藻设备受动力和活动范围及效率的影响较大。化学法是通过筛选或合成化学药剂来控制水中藻类的繁殖，将某一种或几种合成的性能安全的化学产品以安全可靠的剂量进行投放，从而可以迅速达到杀灭藻类的目的，并可在一定时间段内对藻类产生抑制生长的作用。但化学法容易造成药剂残留，在改善水环境的同时也能产生二次污染，对水环境造成破坏。生物法主要从生态的角度，通过生物间的营养竞争和牧食关系来控制水华。生物方法强调的是从整个生态***的管理，从营养环节来控制藻类，目前主要采用微生物法防治、食藻生物、水生植物抑制等方法。生物法优点是方法简单。但目前的生物生态方法都难以有效抑制藻类水华的发生。

发明内容

根据上述领域的需求和不足，本发明提供一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***、控制藻类水华的生态方法及应用。本发明的藻类水华生态控制***及生态方法不仅可有效抑制藻类水华的发生，同时收集藻类“水华”过后产生的大量有害藻类，也能拦截有害藻类扩散到近岸，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

本发明的技术方案如下：

一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述控制***集成采用了地形改造技术、湿地岸带护坡技术、湿地植被种植技术以及水文联通技术。

所述水文联通技术主要包括：扩挖小水面、沟通小水面、局部深挖和区域滞水四种方法；旨在对水体形状、规模、空间布局进行调整，稳定水域面积，优化湿地恢复区域内水资源分配格局，重新建立起水体之间良好的水平联系和垂直联系。

所述地形改造主要包括：营建浅滩湿地、规整小型水面和营造生境岛；旨在削低过陡或过高的地貌、平整局部地形以适合鸟类的需要、营造生境岛、规整小型水面的形状，改善和营造湿地植被和水鸟的生存环境，增加湿地生境的异质性和稳定性。

所述湿地植被种植技术主要包括：恢复小型水面植被、恢复大型水面植被、恢复常水位出露滩地植被、恢复常水位以下植被、恢复滨水带植被、恢复隔离带植被和恢复固坡及岸带植被；旨在通过种植适宜的湿地植物，构建优化的湿地植被群落结构，适度调控湿地植物群落演替方向，营造适宜湿地动物生存的环境，修复退化的湿地生物链。

所述湿地岸带护坡技术主要包括：木桩护坡、块石护坡、生态袋护坡和生态混凝土砖护坡；旨在通过配置天然固定材料邻水侧种植根系较发达以固着土壤的水生植物，增强岸带抗水流冲击及抗塌陷能力，保证坡岸稳固以及植被的快速恢复；所述木桩包括部分活木桩；所述天然固定材料为天然石块、木桩、生态砖。

上述的藻类水华生态控制***的应用。

一种控制藻类水华的生态方法，其特征在于，所述方法集成采用了地形改造技术、湿地岸带护坡技术、湿地植被种植技术以及水文联通技术。

所述方法首先利用挖掘机将河体的底泥挖出堆积形成多个围堰，然后在不同围堰内种植不同的水生植物；自围堰岸带与水体交接处延伸至水体中5-15m距离，水深在0～30cm时种植挺水植物；自挺水植物区边界起向水体中间水深不超2m的地方种植沉水植物；围堰上种植湿生或者喜湿植物。

本发明利用水流运动作用实现收集藻类“水华”过后产生的大量有害藻类，通过人工措施进行无害化处理；本发明也能拦截有害藻类扩散到近岸，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

水系改造(水文联通技术)：水文联通技术主要应用于水文条件遭到破坏的退化湿地。水文联通技术是通过工程措施对水体形状、规模、空间布局进行调整，稳定水域面积，优化湿地恢复区域内水资源分配格局，重新建立起水体之间良好的水平联系和垂直联系(也就是使各水体之间相互连通)，改善湿地生态环境，保证湿地生态***营养物质的正常输入输出，调节湿地生物群落的水分条件。水文联通技术主要包括：扩挖小水面、沟通小水面、局部深挖和区域滞水四种方法。

扩挖小水面技术：通过对过小水面的岸边进行挖掘，扩大水面浸润区域，增加淹水面积。

沟通小水面技术：通过对相邻的过小水面进行连通，构筑阶梯形串式水泡***，增强水体间自然渗透，建立水平方向的水文联通，增加水体稳定性。

局部深挖技术：通过对水体较浅的区域进行局部深挖，增强与潜水层之间垂直方向的水文联通，增加湿地局部水量。

区域滞水技术：在区域下游地带修建小型滞水、留水设施，控制水的流失，增加区域水体面积以及水量的稳定性。

地形改造技术：地形改造技术主要应用于退化湿地地形地貌的改造，营造湿地生物生存的适宜环境。通过工程措施削低过陡或过高的地貌、平整局部地形(适合鸟类等需要)、营造生境岛、规整小型水面的形状，改善和营造湿地植被和水鸟的生存环境，增加湿地生境的异质性和稳定性。地形改造主要包括：营建浅滩湿地、规整小型水面和营造生境岛。

浅滩湿地营建技术：通过对临近水面起伏不平的开阔地段进行局部土地平整，削平过高的地势，营造适宜湿地植被生长和水鸟栖息的开阔环境。

小型水面规整技术：通过对小型水面的形状进行规整，增加湿地的稳定性。

生境岛营造技术：针对不同种类水鸟的栖息环境要求，在距离岸边一定距离的开阔水面处营造适宜水鸟栖息的岛屿。

基质构建技术：该项技术是为湿地植物以及生物链恢复提供优良的栖息环境，即构建好的基质能促进生物的生长繁衍，主要涉及土壤较为贫瘠或缺少壤质土的退化湿地的恢复。通过工程措施对营养贫瘠区域进行回填壤质土，增强湿地基质储存水分和营养物质的能力，完善湿地生态***营养物质的传递途径，为土壤生物提供繁殖场所，为植被提供良好的营养条件，为鸟类等动物提供栖息地。基质构建技术主要包括：分层回填壤质土、种植坑回填壤质土和种植槽回填壤质土。

分层回填技术：在土壤贫瘠的开阔区，分层回填符合湿地植被生长要求的土壤，恢复湿地基质。

种植坑回填技术：在恢复区范围内，挖掘不同规格的种植坑回填壤土。

种植槽回填技术：在土壤贫瘠的岸带，挖掘植物种植槽，回填壤土。

湿地植被种植技术：主要是湿地植物优化配置并应用于植被覆盖率较低或无植被覆盖的退化湿地。通过种植适宜的湿地植物，构建优化的湿地植被群落结构，适度调控湿地植物群落演替方向，营造适宜湿地动物生存的环境，修复退化的湿地生物链。湿地植被种植技术主要包括：恢复小型水面植被、恢复大型水面植被、恢复常水位出露滩地植被、恢复常水位以下植被、恢复滨水带植被、恢复隔离带植被和恢复固坡岸带植被。

小型水面植被恢复技术：以自然恢复为主。

大型水面植被恢复技术：以适量撒播沉水和浮水植物的繁殖体为主，如狐尾藻、眼子菜、荇菜等。

常水位出露滩地植被恢复技术：以种植低矮湿生植物的幼苗为主。

常水位以下植被恢复技术：以种植高大挺水植物的幼苗或繁殖体为主。

滨水带植被恢复技术：以种植湿生灌木的繁殖体或幼苗为主。

隔离带植被恢复技术：以种植高大乔木和灌木为主。

固坡及岸带植被恢复技术：以种植根系发达的灌木为主。

湿地岸带护坡技术：主要应用于容易受到水流冲击及容易塌陷的地段。通过配置天然石块、木桩(部分活木桩)、生态砖等天然固定材料，邻水侧种植根系较发达能够固着土壤的水生植物，增强岸带抗水流冲击及抗塌陷能力，保证坡岸稳固以及植被的快速恢复。岸带护坡技术主要包括：木桩护坡、块石护坡、生态袋护坡和生态混凝土砖护坡。

木桩护坡技术：木桩护坡以柳木桩成排垂直于水平面紧密打入较陡的斜坡。部分桩体可成活，形成绿篱，加强护坡效果。坡面覆浅层土壤，种植根系发达的多年生草本植物和小型灌木。

块石护坡技术：块石护坡技术，主要是在需要稳固的坡面临近水边处的下层以碎石铺设，之上铺设两圈、两层30-50cm的块石，以块石的重力作用固着壤土，防止水流冲击侵蚀，坡面上覆浅层土壤，并种植以紫穗槐、沙棘和杞柳为主的护坡植物固着坡面。

生态袋护坡技术：主要应用于容易受水流淘蚀的滨岸地带，按照岸坡方向分层码放装满填充基质的生态袋，生态袋与生态袋之间用锁扣相连，生态袋内可填充沙土、壤土等基质，并可在生态袋上划开不同规格的十字型开口，可撒播湿地植物种子或湿地植物的繁殖幼体。

生态混凝土砖护坡技术：主要应用于容易受水波冲蚀容易坍塌的岸带区域，采用生态砖码放，利用其重力作用固着岸带，阻挡水流的进一步冲蚀，并可选择种植根系发达的湿地植物，营造湿地生境，增加湿地景观效果。

本发明基于微地形改造的藻类水华生态控制***的有益效果：

本发明可以利用水流运动作用实现收集藻类“水华”过后产生的大量有害藻类，通过人工措施进行无害化处理；工程也能拦截有害藻类扩散到岸上，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

附图说明

图1为单排木桩护坡示意图；

图2为双排木桩护坡示意图；

图3为植被护坡示意图；

图4为砾石块石护坡示意图；

图5为生态带护坡示意图；

图6为生态混凝土护坡示意图；

图7为本发明工程布置图；

图8为实施例1处理后的水体的SD变化趋势图；

图9为实施例1处理后的水体的pH变化趋势图；

图10为实施例1处理后的水体的TN变化趋势图；

图11为实施例1处理后的水体的TP变化趋势图；

图12为实施例1处理后的水体的CODMn变化趋势图；

图13为实施例1处理后的水体的Chla变化趋势图；

图14为实施例1处理后的水体于2013年期间蓝藻暴发期间藻类消除量变化图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。本发明中所用的材料，如无特殊说明，均为商业途径获得，或者以常规实验方法配制；实施例中所用试验方法，如无特殊说明，均为本领域技术人员熟知的常规实验方法。

实施例1.

(1)对富营养化水体进行处理

2009年11月20日开始使用本发明的基于微地形改造的藻类水华生态控制***处理富营养化的太湖的水体。

控制工程设计基本包括：藻类“水华”综合控制***集成应用了地形改造、湿地生态护岸、湿地植物优化配置、生物链恢复以及水力联通等多种技术，具体工程包括水岸设计、水系改造、动物和植物恢复等。工程分为六个处理单元，利用水流运动作用实现收集藻类“水华”过后产生的大量有害藻类，通过人工措施进行无害化处理；工程也能拦截有害藻类扩散到三山岛近岸，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

实施例1中首先利用挖掘机将太湖的底泥挖出堆积形成多个围堰，然后在不同围堰内种植不同的水生植物。其中，工程区中的①和②区(图7)中的主要植物群落为人工种植的芦苇、茭草等挺水植物，自围堰岸带与水体交接处延伸至水体中5-15m距离，此处水深约0～30cm，该区域能够净化岸上雨水径流带来的污染物，同时又能起到美化环境的作用。③和④区(图7)向自挺水植物区边界起，向水体中间水深不超2m的地方，其中有大量菹草、金鱼藻、狐尾藻等沉水植物，该区域能够净化水体中的污染物，同时起到富集***水体藻类的作用。围堰上种植湿生或者喜湿植物。⑤和⑥区(图7)处于围堰外侧，距离湖岸较远，为未经工程干扰的太湖水域，其中沉水植物稀少，部分靠近围堰的地方有少量荇菜等浮叶植物，该区域也可净化水体中的污染物，同时又能使得***水体藻类向⑤和⑥区区富集。⑧区为工程区***，属于工程对照区。

(2)效果验证

于2010年1月至2013年12月，在6个处理单元和对照区共设置21个采样点，同时对水体水质进行逐月定点跟踪监测，每个站位采表层水样(深度小于0.5m)，具体数据如下：

透明度(SD)变化规律：

由图8可以看出，2010年1月至2013年12月，随着季节的变化，单元1的水体透明度(SD)变化范围为0.57～1.24cm，但整体上透明度呈上升的趋势。自2012年1月到2013年12月，6～10月份期间水体透明度显著高于其他月份；单元2和对照也具有同样的规律，但单元3变化规律不明显，其各月间水体透明度基本没有变化，对比分析显示，自2010年1月以后，单元1水体的透明度显著高于其他单元以及对照区(p<0.01)。

pH时间变化规律：

图9表明，单元1的pH值变化处于6.90～8.10之间，随时间有所上升。2012年4～10月各单元pH显著高于其他月份。单元1的pH与其他单元差异显著(p<0.01)，而单元2、单元3和对照差异不显著(p>0.05)。监测表明，尽管随着季节变换水温不断变化，当围隔内当水华藻类得以很好控制后，以沉水植物为主的生态***生产力更高，水体二氧化碳固定量随之增高，导致水体pH相对围隔外更高。

营养元素变化规律：

图10和图11表明，在未进行生态修复之前，围隔内、外水体TN浓度同属于V类地表水质标准限值；工程实施期间围隔内水体中的总氮浓度由初始的1.50mg/L下降至0.55mg/L，对照区水体中总氮含量变化不大0.78mg/L至1.62mg/L。自2009年1月以后，围隔内显著低于围隔外(p<0.01)；至2013年12月，单元1水体总氮浓度比围隔外下降了68.0％。沉水植物建立过程中，工程区内水体总磷浓度也呈下降趋势。初期围隔内水体和围隔外水体总磷浓度分别为0.06和0.05mg/L，均处于Ⅱ类地表水质标准。对比分析显示，围隔内水体总磷浓度在2013年1月至9月均显著低于围隔外(p<0.01)。截至2013年12月，围隔外总磷浓度为0.04mg/L，围隔内总磷浓度为0.02mg/L，总磷降低了50.0％。

COD变化规律：

图12表明，围隔建立初期，位于围隔内和围隔外水体中CODMn的浓度分别为12.6和12.7mg/L，处于同样水平。通过放养人工驯化的大型枝角类，水体沉水植物的自净作用，2013年3月至9月，围隔内CODMn含量极显著低于对照区水体(p<0.01)，特别是单元1，显著低于对照区。至2013年12月，围隔外水体中COD_Mn，的含量与初始阶段并无差异(p>0.05)，为4.8mg/L，而围隔内水体的COD_Mn含量下降至4.4mg/L，同比下降了70.9％。

Chla变化和藻类处理量：

图13显示，单元1在2009年和2010年的每年6-9月份，其Chla含量还存在一个波峰，而2011年以后其变化不明显。而单元1与单元2、单元3以及对照区其Chla含量存在明显差异(p<0.01)，而单元2、单元3以及对照区其Chla含量也存在明显差异(p<0.01)。

图14显示，4～6月每天能够处理0.2～0.3t的藻类重量(湿重)；7～9月每天能够处理1t左右的藻类重量(湿重)；10月每天能够处理0.5t左右的藻类重量(湿重)，7～9月处理量增加充分说明该月藻类水华发生现象严重。

以上详细描述了本发明的较佳的具体的实施例。应当理解，本领域普通技术人员无需付出创造性的劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡是本领域技术人员依照本发明的构思在现有技术的基础之上通过逻辑分析、推理或者是有限次的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明权利要求书所确定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于微地形改造的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述控制***集成采用了地形改造技术、湿地岸带护坡技术、湿地植被种植技术以及水文联通技术。

2.根据权利要求1所述的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述水文联通技术主要包括：扩挖小水面、沟通小水面、局部深挖和区域滞水四种方法；旨在对水体形状、规模、空间布局进行调整，稳定水域面积，优化湿地恢复区域内水资源分配格局，重新建立起水体之间良好的水平联系和垂直联系。

3.根据权利要求2所述的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述地形改造主要包括：营建浅滩湿地、规整小型水面和营造生境岛；旨在削低过陡或过高的地貌、平整局部地形以适合鸟类的需要、营造生境岛、规整小型水面的形状，改善和营造湿地植被和水鸟的生存环境，增加湿地生境的异质性和稳定性。

4.根据权利要求3所述的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述湿地植被种植技术主要包括：恢复小型水面植被、恢复大型水面植被、恢复常水位出露滩地植被、恢复常水位以下植被、恢复滨水带植被、恢复隔离带植被和恢复固坡及岸带植被；旨在通过种植适宜的湿地植物，构建优化的湿地植被群落结构，适度调控湿地植物群落演替方向，营造适宜湿地动物生存的环境，修复退化的湿地生物链。

5.根据权利要求4所述的藻类水华生态控制***，其特征在于，所述湿地岸带护坡技术主要包括：木桩护坡、块石护坡、生态袋护坡和生态混凝土砖护坡；旨在通过配置天然固定材料邻水侧种植根系较发达以固着土壤的水生植物，增强岸带抗水流冲击及抗塌陷能力，保证坡岸稳固以及植被的快速恢复；所述木桩包括部分活木桩；所述天然固定材料为天然石块、木桩、生态砖。

6.权利要求1-5任一所述的藻类水华生态控制***的应用。

7.一种控制藻类水华的生态方法，其特征在于，所述方法集成采用了地形改造技术、湿地岸带护坡技术、湿地植被种植技术以及水文联通技术。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法首先利用挖掘机将河体的底泥挖出堆积形成多个围堰，然后在不同围堰内种植不同的水生植物；自围堰岸带与水体交接处延伸至水体中5-15m距离，水深在0～30cm时种植挺水植物；自挺水植物区边界起向水体中间水深不超2m的地方种植沉水植物；围堰上种植湿生或者喜湿植物。