软围隔系统在迎风岸坡植被恢复中的应用研究

张艳晴 周东 周升 韩国胜 艾争

摘要 为改善太湖贡湖生态修复区生境、恢复迎风岸坡水生植被，开展了软围隔系统在迎风岸坡植被恢复中的应用研究。从水质、水动力、水生植物指标3个方面探讨了围隔系统的作用效果。结果表明，

围隔组总氮（TN）、总磷（TP）和叶绿素a（Chl-a）含量与对照组相比差异不显著（ P >0.05），围隔组透明度极显著高于对照组（ P<0.01 ）;围隔系统对表层流速消减率达88.55%，对中层流速消减率达83.47%;经过2层围隔，5个监测点的波浪透射系数分别为0.118、0.070、0.267、0.088和0.164。围隔系统消流消浪效果显著。围隔组3种挺水植物的最大株高、分株数、成活率和生物量均大于对照组。软围隔系统能够为迎风岸坡水生植被恢复提供有利生境条件。

关键词 围隔系统;水质;植物;流速;波浪透射系数

中图分类号 X 171.4  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）06-0193-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.044

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Application of Soft Enclosure System in Vegetation Restoration of Windward Bank Slope

ZHANG Yan-qing，ZHOU Dong，ZHOU Sheng et al  （Pulizi Environmental Technology （Suzhou） Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215000）

Abstract In order to improve the habitat of Gonghu Lake ecological restoration area of Taihu Lake and restore the aquatic vegetation on the windward bank slope，the application of soft enclosure system in the vegetation restoration of windward bank slope was studied.The effect of enclosure system was discussed from three aspects of water quality， water power and aquatic plant indices.The results showed that there was no significant difference of TN， TP and Chl-a between enclosure group and control group（ P <0.05）， the transparency in enclosure group was extremely significantly higher than that in control group（ P<0.01 ）.Trough soft enclosure system， the flow velocity in surface layer was reduced by 88.55%， and the flow velocity in middle layer was reduced by 83.47%.After two layers of enclosures， the wave transmission coefficient of five monitoring sites were 0.118，0.070， 0.267， 0.088， 0.164 respectively.The enclosure system had remarkable wave attenuation effects.The maximum plant height， plant number， survival rate and biomass of three species of emergent plants in enclosure group were greater than those in control group.Soft enclosure system could provide favorable habitat conditions for the aquatic vegetation restoration on the windward bank slope.

Key words Soft enclosure system;Water quality;Plant;Flow velocity;Wave transmission coefficient

基金項目 国家科技重大专项（2017ZX07204）。

作者简介 张艳晴（1990—），女，安徽宿州人，工程师，硕士，从事水生态修复研究。

收稿日期 2021-08-18;修回日期 2021-09-24

近年来，随着水环境污染的加重、环湖水利工程的兴建以及围湖造田活动的增多，迎风岸坡原有的生态结构受到严重破坏，导致迎风岸坡生态服务功能退化，对流域内人们的生产和生活产生极大危害[1-2]，迫切需要对受损迎风岸坡进行生态修复。生境改善是生态修复的基础，影响水生植被恢复的主要生境因素包括风浪侵蚀及扰动、基底不适宜以及藻类的堆积堵塞[3]。由于风浪引起的浪侵蚀、湖流等在近岸区域比在湖心区的作用力要大。风浪引起的湖水扰动导致水中悬浮物浓度上升，水体透明度下降，从而影响水生植物生长[4]。另外，风浪也会影响堤岸和近岸区域的基底稳定性，并进一步影响水生植物的生长和分布[5]。因此，风浪是迎风岸坡生态修复和生境改善需要解决的首要问题。

国内外学者在岸堤消浪技术上做了大量研究和工程示范[6-11]，传统的板式、排式、透空式消浪桩虽然具有较好的消浪效果，但工程造价高，景观协调性差，维护成本高，不具有生态价值。与传统消浪技术相比，软围隔系统不仅具有良好的生态价值，而且消浪效果好，制作成本低，维修更换简便。增加导流功能能够有效去除堆积的蓝藻，对富营养化湖泊的生态修复具有重要意义[12]。在经典风场下的迎风岸坡构建软围隔系统，探讨围隔对迎风岸坡水质改善、消浪缓流、植被恢复的作用效果，从而为迎风岸坡生境改善、生态系统重建提供技术支撑和工程实用价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太湖贡湖湾生态示范区由鱼塘改造而来，该工程为恢复和重建退化生态系统做了大量工作，取得了突破性进展。迎风岸坡恢复和重建对于构建健康生态系统是必不可少的。自迎风岸坡构建以来，2012—2014年监测结果显示岸坡坡度比由原来的1∶3增加到1∶2，原有的自然缓坡岸堤基底受到严重冲刷破坏;盛夏季节，台风频发，湖面3.7 m/s以上平均风速的台风持续时间较长，湖区迎风岸坡受到频繁的风浪扰动，生境条件很差，水生植被很难正常生长，无法恢复健康的生态系统，导致迎风岸坡生态服务功能严重退化，因此急需改善迎风岸坡生境，恢复水生植被。根据生态示范区综合调查结果和风场特性分析，选择贡湖湾生态修复区西试验区围湖大堤作为研究区域。该区域位于东风风向的下风区，7—8月受风浪的影响大，水流冲刷严重;水位为1.5～2.5 m，是沉水植物和大型挺水植物生长的适宜生态水位。选择该区域作为围隔系统，对于研究迎风岸坡重建中植被恢复的作用效果具有一定代表性。在选定的岸坡区域构建软围隔系统，面向岸堤围隔右侧3 m处选定同样大小的区域设置对照组（图1），围隔组和对照组配置相同的植物类型，具体配置情况见表1。通过水质、水动力和水生植物指标考察围隔系统的作用效果。软围隔系统的技术参数如下：软围隔高度 450 mm，吃水 350 mm，锚定钢管直徑100 mm，围隔单位标准节长20 m，抗拉强力65 kN，每米重量8.4 kg，浮重比6.2，最大抗波高1.0 m，最大抗风速15 m/s。

1.2 指标测定

1.2.1 水质指标的测定。采集围隔组和对照组距岸边2 m（水位4.0 m）处水样，测定总氮（TN）含量、总磷（TP）含量、浊度、叶绿素a含量（Chl-a）、透明度，每月2次。水质指标测定方法和使用仪器见表2。

1.2.2 水动力指标的测定。采用River Surveyor M9定点测量围隔内外流速。使用波高仪定点测量围隔内外波高。沿围隔弧度方向每隔5 m设置1个监测点位。采用流速消减系数和波浪透射系数表征围隔的消浪效果。水动力指标的测定方法和使用仪器见表2。

流速消减系数计算公式为 λ=（V t- V i）/ V t，其中 V t为围隔外层流速， V i为围隔内层流速。

波浪透射系数计算公式为 K t= H t/ H i，其中 H t为透射波高， H i为入射波高。

1.2.3 水生植物相关指标的测定。挺水植物测定成活率、湿重、干重、最大株高、分株数;沉水植物取1 m2，测定其生物量（湿重、干重）。

1.3 数据处理

采用单因素方差分析（One-way ANOVA）对各组（围隔组和对照组）的各水质指标、水动力指标、水生植物指标进行数据处理和分析，数据统计与分析以及相关指标的计算使用 SPSS 19.0 统计软件完成。流速数据使用River Surveryor Live软件分析，波高数据分析和处理使用Leveline软件分析完成。

2 结果与分析

2.1 围隔系统对水质指标的改善

试验期间各水质指标TN、TP、浊度、Chl-a和透明度的变化见表3。由表3可知，与初始值相比，围隔内外的TN、TP和Chl-a含量在整个试验期间变化不大，且围隔组与对照组无显著差异（ P >0.05）。试验结束时围隔组浊度较对照组降低约52%，围隔组与对照组差异极显著（ P <0.01）。围隔组透明度较初始值有所上升，与对照组存在极显著差异（ P <0.01）。岸边浅水区[13]风浪作用强烈，水体垂直方向有较强的动力混合作用，岸堤受到较大的水流冲刷侵蚀，导致水体悬浮物浓度升高，浊度上升，透明度下降。由于围隔系统的消浪作用，使得围隔内水流较缓，水体扰动小，悬浮物逐渐沉降或附着于水生植物，从而使水体透明度逐渐提升。

2.2 围隔系统对水动力指标的改善 使用剖面流速仪定点测量围隔内外表层水体和中层水体平均流速，结果显示围隔系统能够显著消减水体流速，且随着围隔层数的增加，消减效果更好（图2）。从图2可以看出，围隔外水体表层和中层流速总体波动幅度均大于围隔内。由表4可知，2层围隔对表层（0～20 cm）水体流速消减率达88.55%，对中层（80～100 cm）水体流速消减率达83.47%。

波高分析结果（图3）显示，围隔系统对波浪有显著的消减效果，围隔层数越多，消减效果就越好。不同监测点的波高数据显示，围隔外波高明显高于围隔内，且随着围隔层数的增加而降低（图4）。波浪透射系数越小，表明围隔消浪效果越好[14]。从表5可以看出，5个不同监测点不同围隔层的透射系数均小于1，表示围隔系统具有消浪效果。随着围隔层数的增加，透射系数随之减小，1层围隔的波浪透射系数（Kt）为0.446～0.638，基本达到50%的消减效果;2层围隔的波浪透射系数最低仅为0.088，消浪效果非常显著。

2.3 围隔系统对水生植物的改善

从图5可以看出，围隔组3种挺水植物的最大株高分别为248、195和121 cm，对照组分别为215、185和114 cm。除香蒲无分株外，围隔组茭白和黄菖蒲的分株数均大于对照组（图5B）;围隔组3种挺水植物的成活率明显大于对照组（图5C）。

从生物量来看，3种挺水植物的地上湿重围隔组均大于对照组，存在极显著差异（ P <0.01）（图6A）;3种挺水植物的地下湿重围隔组均明显高于对照组，差异极显著（图6B， P <0.01）。围隔组和对照组3种挺水植物的地上干重和地下干重也存在极显著差异（图6C、D， P <0.01）。

从图7可以看出，3种沉水植物湿重围隔组与对照组相比均存在极显著差异（ P <0.01）;干重表现出相同的趋势。

光照强度是影响水生生物生长所必需的生长因子[15]。湖泊水体透明度与沉水植物光合作用水平密切相关。研究发现，光照强度随水体深度的增加呈指数衰减[16]，透明度越低，光学衰减系数越大[17]，水生植物光合作用受到抑制。根据水质分析结果可知，由于围隔系统的消浪作用，使得围隔内水流较缓，水体扰动小，透明度高，植物能够进行充分的光合作用，而对照组由于风浪的扰动，水体悬浮物浓度升高，透明度下降，沉水植物因无法获取充足的光照而死亡。

3 结论

通过软围隔系统的保护大幅度消减了水流流速和风浪，减少了湖泊水体扰动，能防止近岸基底冲刷侵蚀，提高水体透明度，有效改善水生植被生境条件。此外，围隔系统具有良好的生态价值，制作成本低，维修更换简便，对于迎风岸坡生境改善和植被恢复具有重要的应用价值。围隔层数的增加能够有效提高消浪缓流效果。因此，在工程实践中可根据具体需求适当增加围隔层数，以达到更好的消流消浪效果。

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