CN104710012A - 一种人工湖水生态系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工湖水生态系统的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：通过垂直结构设计和水平结构设计构建水生植物群落；并且构建水生动物群落；通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置和间歇式循环充氧装置完善水生态系统。本发明通过生态工程增强湖水的自净能力，提高生物多样性水平，最终使其形成稳定、良性循环的水生态系统，维持湖体水质。此外，本发明利用结构合理、有一定自净能力的水生态系统维持人工湖水质，对环境无不良影响，符合绿色低碳的时代主题与要求；本发明适用性广、灵活性强、投资小、运行成本低、维护管理简单；景观效益方面，丰富了区域的物种多样性，美化区域景观，极大改善了城市居住环境。

Description

一种人工湖水生态系统的构建方法

技术领域

本发明涉及建筑工程领域，尤其涉及一种人工湖水生态系统的构建方法。

背景技术

城市人工湖作为城市景观的重要组成部分，对于城市生态环境、居民生活质量和健康水平都有重要意义。例如，城市建设规划中的人工湖泊水系，公园中修建的景观湖泊，环绕商业贸易区的湖泊，高档居民生活区的湖泊等等，这些人工湖泊提供适宜的景观气息，提高城市环境品质，提供更丰富的娱乐和休闲环境，缓解城市热岛效应，改善局部大气状况，满足人们的亲水需求，推动区域社会经济效益。

随着城市的发展和人们生活水平的提高，人工湖的建设也越来越多。一方面，人工湖的修建增大了对生态环境用水量的需求；另一方面，人工湖通常处于城市居民日常活动区域，其观赏功能对水体颜色、透明度、气味、有毒物质、大肠杆菌等理化指标有一定要求^[1]。只有水量丰富、感观优美、健康无害的城市人工湖才能良好实现其生态和景观功能，才能更好地改善城市居住环境、促进GDP增长和城市的发展。

对于人工湖的开发利用，由于早期人们对生态环境保护意识的欠缺以及不当的管理方式，致使建成后的人工湖水生态系统脆弱、自净能力差、水质严重恶化、水体富营养化日趋严重，已经逐渐失去了其生态、景观等多项功能。水生态系统一旦退化就非常难逆转，需要耗费大量的人力、财力和时间对其进行生态系统修复^[2]。因此，要想充分发挥城市人工湖的生态、景观功能，如何经济有效且长久地保障其水质安全不容忽视，是亟需解决的问题。

目前，景观水体的污染防治采用的方法主要有两类^[3,4,5]，一类称之为生态净化技术，主要以提高水体生物净化能力为目的，即以水体本身作为母体，通过栽种植物、建设生态型护岸、设置水中微生物载体、水中充氧等手段提高其生物净化能力；另一类称为人工循环净化技术，主要是采用物理化学或生物处理技术，将水体中的藻类、悬浮物等影响水质的污染物直接从水体中分离出来。但这些研究成果主要针对污染水体的治理，缺乏系统性和完整性。对于新建人工湖应从水生态系统的构建出发寻求景观水环境的生态和谐与可持续发展。

根据人工湖的区域生态条件及形态特征等，在建湖初期，通过科学方法对人工湖进行水生态系统构建，并采取一些辅助措施使其逐渐由人为设计转向自我设计，使其在外界环境干扰时具备一定的抵抗能力和恢复能力，能有效地对人工湖进行富营养化预防及控制，既具有前瞻性，也具有经济性和长久性。但目前，国内相关研究主要集中在对生态系统已退化的天然湖泊进行生态修复，治理富营养化水体。而对于新建人工湖的生态设计，尤其是水生态系统的构建缺乏研究。

参考文献：

[1]刘鸿亮.湖泊富营养化控制[M].北京:中国环境科学出版社,2011.

[2]褚君达,张永春,胡孟春,等.城市人工水体水环境生态效应与保护[M].北京:科学出版社,2008.

[3]郭韦,王昱,王昊,等.城市水污染现状和国内外水生态修复方法研究现状[J].水科学与工程技术,2010,02:57-59.

[4]张统.景观水体的水质污染与防治对策[J].给水排水,2009,11:6-7.

[5]夏邦天,郑广宏,徐杭军,等.城市景观水体治理技术研究进展[J].环境科学与技术,2008,06:67-72.

发明内容

本发明提供了一种人工湖水生态系统构建方法，本发明实现了人工湖健康水生态系统的构建，通过生态工程增强湖水的自净能力，提高生物多样性水平，最终使其形成稳定、良性循环的水生态系统，维持湖体水质，详见下文描述：

一种人工湖水生态系统的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：

通过垂直结构设计和水平结构设计构建水生植物群落；并且构建水生动物群落；

通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置和间歇式循环充氧装置完善水生态系统。

所述通过垂直结构设计和水平结构设计构建水生植物群落的步骤具体为：

垂直结构设计：将上层浮水植物、下层沉水植物和湖周挺水植物配置于同一水域；

水平结构设计：对湖盆形态规则湖泊，由沿岸浅水向中心深处进行环带状分布设计，依次为挺水水生植被带、漂浮水生植被带、浮叶水生植被带及沉水水生植被带。

所述通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置或间歇式循环充氧装置完善水生态系统的步骤具体为：

在人工湖进水口河道设置所述碳素纤维生态草；

在湖湾水体流动性差的区域设置有所述太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置；

在深水区设置有所述间歇式循环充氧装置。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明实现了人工湖健康水生态系统的构建，通过生态工程增强湖水的自净能力，提高生物多样性水平，最终使其形成稳定、良性循环的水生态系统，维持湖体水质。此外，本发明在社会、经济、景观效果各方面均有显著效益。社会效益方面，利用结构合理、有一定自净能力的水生态系统维持人工湖水质，对环境无不良影响，符合绿色低碳的时代主题与要求；经济效益方面，适用性广、灵活性强、投资小、运行成本低、维护管理简单；景观效益方面，丰富了区域的物种多样性，美化区域景观，极大改善了城市居住环境。

附图说明

图1为人工湖水生植物群落构建流程图；

图2为水生态系统的基本组成及营养关系示意图；

图3为某人工湖水生态系统食物网示意图；

图4为某人工湖水生态系统构建配置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

101：湖区现状调查；

在构建水生态系统前应先勘察当地气候、水生物种、湖区底质、水质、风浪等自然条件，为后期动植物群落构建提供依据。

102：营造水体良好生境；

从控制外源污染方面保障水体生境。控制外源污染，一是建立湖区周边截污措施，避免人工湖周围污水排放入湖；二是确保入湖水质达标，即采取相应措施保障引水水质。

103：构建水生植物群落；

构建流程如图1所示，物种的选择主要是从挺水植物、漂浮植物、浮叶植物、沉水植物中选择适宜湖区自然条件、净化效果好、适应能力强、具有一定景观功能、并且易于种植和管理的水生植物来构建水生植物群落。在空间配置上，根据自然湖泊中水生植物群落在空间梯度上的分布规律(水平、垂直结构)进行群落配置。垂直结构设计，将上层浮水植物、下层沉水植物和湖周挺水植物配置于同一水域；水平结构设计，对湖盆形态比较规则的湖泊，由沿岸浅水向中心深处进行环带状分布设计，依次为挺水水生植被带、漂浮水生植被带、浮叶水生植被带及沉水水生植被带。时间次序，在水生植物群落构建初期，优先考虑选择少量沉水植物作为先锋物种构建生态系统的基本结构和功能，之后随着生境条件的改善，再逐步构建浮叶植物种群、挺水植物种群。

104：构建水生动物群落；

如图2所示，水生态系统中生物种群间关系(不含水禽)主要由以下几条食物链构成：①浮游植物为第一营养级：浮游植物→浮游动物→杂食性鱼、滤食性鱼、底栖动物→肉食性鱼；浮游植物→杂食性鱼、滤食性鱼、草食性鱼、底栖动物→肉食性鱼。②沉水植物为第一营养级：沉水植物→草食性鱼→肉食性鱼。③有机碎屑为第一营养级：有机碎屑→碎屑食性鱼、杂食性鱼、滤食性鱼、底栖动物→肉食性鱼类。

考虑不同鱼类及底栖动物的生活空间差异和食性差异，从当地物种中选取多种鱼类和底栖动物构建上述类型食物链，并形成合理的食物网，使所选物种在栖息空间和食性方面能够很好的互补。对于不同食性鱼类投放比例的控制，遵循以下两条原则：第一，在不同食性鱼类比例控制上，投放少量滤食性鱼类，同时构建肉食性鱼类群落调控滤食性种群鱼类数量以保护浮游动物。第二，为控制水体透明度及底质再悬浮，以促进沉水植物在吸收营养盐方面能竞争过藻类，严格控制杂食性鱼类、草食性鱼类及底栖食性鱼类。具体投放比例值可适当借鉴同地区受人为干扰较小时常见鱼类渔获物组成比例。时间次序，在水生植物群落构建完成后，先构建底栖动物群落以净化水质，待后期水生植物生长稳定后再构建鱼类群落。水生动物的放养要分批进行，由少及多，逐步增加。

105：通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置或间歇式循环充氧装置完善水生态系统；

人工湖初建水生态系统脆弱，在完成水生动植物群落的构建后，采用碳素纤维生态草、太阳能水流循环装置、间歇式循环充氧装置等辅助手段促进水生态系统的稳定发展。

其中，太阳能水流曝气装置，采用加拿大Aquago公司型号为Sungo^TM系列的装置；

太阳能水流循环装置，采用申请号为201210286484.1，公开日为2012年12月12日公开的装置，或采用申请号为201210286891.2，公开日为2013年1月30日公开的装置；

间歇式循环充氧装置，采用日本株式会社，型号为LP15-2的装置。

106：后期维护管理。

在人工湖水生态系统初步形成后，需经历一段时间与环境相互作用才能最终趋于稳定。由于人工湖水生态系统系人为设计，建成初期比较脆弱，必须通过维护管理促进人工湖水生态系统的良性循环和平衡。主要包括建立日常水生态监控与应急系统、水生生物管理及规范湖区游客行为。

按照以上六步，最终形成人工湖水生态系统构建方法，通过系统、科学的方法构建健康合理的水生态系统，并进行后期追踪调整，使人工湖水生态系统由人为设计向自我设计转变，最终形成稳定、健康、自我良性循环的水生态系统，保障人工湖水质长期的良好状态。

下面以具体的实例来说明本发明的可行性，详见下文描述：

某新建人工湖系人工开挖成湖，湖区水域面积5.6km²，正常蓄水位85.50m，水体体积2680万m³，平均水深4.5m，最大水深7.0m。如此大的水域，且水体流动性较差，若不采取相应的措施，仅靠湖内水体自净能力难以维持良好的水质状况。因此，以该人工湖为例，采用本发明方法实现水生态系统的构建以维持其水质，具体说明如下：

(1)湖区现状调查

该人工湖入湖水质为Ⅳ类水，水体透明度情况较好，湖底底质以砂质土壤为主。该地区属北暖温带季风型大陆性气候，具有冬季寒冷雨雪少，春季干旱风沙多，夏季炎热降雨集中，秋高气爽日照足的特点。多年平均气温14.2℃，年平均相对湿度66％，平均降水量645.2mm，降雨量年际变化率较大，年内分布不均。正常蓄水位85.5m时，根据不同水深将湖体划分为：缓坡区(水深＜1.5m)、浅水区(水深1.5m～3.5m)、过渡区(水深3.5m～7m)、深水区(水深7m)。

(2)营造水体良好生境

在该人工湖湖周建立截污措施，收集生活污水等进行集中处理，严禁生活、工业污水排放入湖。对于引水明渠，为保证入湖水质，对沿线排污口进行封堵、对易受污染河段两岸进行防护尽量减少外源污染进入。

(3)水生植物群落配置

基于不同水生植物生长特性、净化能力等研究成果，从当地物种中选定芦苇、香蒲、茭白、凤眼莲、睡莲、莲、荇菜、菱、聚草、黑藻、马来眼子菜、苦草、菹草、金鱼藻、伊乐藻等物种。

结合人工湖不同水深区域及公共空间方案设计，对其水质易恶化区域进行水生植物配置，如图4所示。缓坡区，主要种植挺水植物(生长适宜水深为0.5m～1.5m)，种植面积1.02ha。将植物布置于码头、船舶停靠点等交通建筑物之间，高层种植芦苇，中层种植茭白、香蒲，底层种植莲等。浅水区：分布于湖周沿岸地带、湖湾区及进出水口河道区域，主要种植漂浮植物、浮叶植物及沉水植物，种植面积27.03ha。漂浮植物布置于水面，利用种植槽控制其生长范围；浮叶植物布置在湖湾深处和接近于静水的环境；沉水植物可通过适当组合，形成夏绿、冬绿沉水植物群落，使湖中保持常绿，区域同时布置有浮叶植物和沉水植物时，沉水植物布置于浮叶植物外沿。过渡区、深水区：由于水深过深，多数挺水植物和沉水植物在此深度下不宜成活，故对此区域水体应用生物浮床技术促进水质维持，浮床面积12.39ha，主要栽培观赏的花卉品种(美人蕉、旱伞草)。

在水生植物群落构建初期，首先种植沉水植物，待生长稳定后，随着生境条件的改善，再逐步种植浮叶植物、挺水植物。

(4)水生动物群落配置

选取适宜当地环境的鱼种构建鱼类群落，并参考以往水质保持较好湖泊，如千岛湖的生物群落及营养结构，进行鱼类配置。在确定各鱼种放养比例时，控制滤食性鱼类、草食性鱼类及杂食性鱼类，并参考以往湖泊修复经验，适当促进肉食性鱼类群落发展。该人工湖鱼类选定鲢鱼、鳙鱼、鳊鱼、草鱼、鲤鱼、鲫鱼、密鲴、青鱼、鲌鱼、鲶鱼、鳜鱼、乌鳢，所构建食物网如图3所示。

(5)应用“绿色、循环、低碳”措施完善水生态系统

在该人工湖进水口河道设置碳素纤维生态草以控制入湖水质。在湖湾水体流动性较差的区域采用太阳能水流曝气装置、水流循环装置促进区域水体流动。在深水区采用间歇式循环充氧装置通过上下水对流搅拌作用，把底层的水推至水面，协助自然净化的能力，从而达到净化和改善水质。经过试验研究，该套系统运行两个月后，局部水域水流流速增加0.5-2m/s，每个装置影响范围约500m，溶解氧饱和度始终在100％以上，藻类爆发得到控制。

(6)后期维护管理

对人工湖水质理化指标及水生物指标进行日常监测，分析各指标是否达标，若超标则及时发现、报告、采取措施。定期收割水生植物，及时捞出湖中的枯枝落叶，并基于监测数据对植物群落密度进行合理调整；对湖中所放养的水生动物，应根据监测数据及其生长情况，调控不同种群的数量(适当追放或捞出)；通过对水生生物的合理管理使水生态系统平衡、湖中食物链通畅、群落结构稳定。制定有关人工湖水生态系统的管理条例，如禁止游客向湖区扔垃圾、禁止个体放生行为等。

综上所述，该人工湖水生态系统构建配置图如图4所示。通过水生动物、水生植物的合理选种、水生植物的空间和时间配置以及水生动物食物网的合理构建，使各种群在整体上互补共生，形成结构合理、对外界干扰具有一定抵抗能力与自我恢复能力的水生态系统。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种人工湖水生态系统的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括以下步骤：

通过垂直结构设计和水平结构设计构建水生植物群落；并且构建水生动物群落；

通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置和间歇式循环充氧装置完善水生态系统。

2.根据权利要求1所述的一种人工湖水生态系统的构建方法，其特征在于，所述通过垂直结构设计和水平结构设计构建水生植物群落的步骤具体为：

垂直结构设计：将上层浮水植物、下层沉水植物和湖周挺水植物配置于同一水域；

水平结构设计：对湖盆形态规则湖泊，由沿岸浅水向中心深处进行环带状分布设计，依次为挺水水生植被带、漂浮水生植被带、浮叶水生植被带及沉水水生植被带。

3.根据权利要求1所述的一种人工湖水生态系统的构建方法，其特征在于，所述通过碳素纤维生态草、太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置或间歇式循环充氧装置完善水生态系统的步骤具体为：

在人工湖进水口河道设置所述碳素纤维生态草；

在湖湾水体流动性差的区域设置有所述太阳能水流曝气装置、太阳能水流循环装置；

在深水区设置有所述间歇式循环充氧装置。