一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统

摘要

一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，包含生态堤坝、人工湿地系统、净化水塘、数据监测与自动控制系统，其中的主要工艺流程步骤为：A)修筑堤坝；B)对堤坝边坡留有开孔，连接人工湿地，湿地内形成自然的湿地生态系统，在上面保持滨海湿地生态系统特有群落结构；C)若存在污染事件，可将污水引入净化水塘，并经过净水池然后排出，预计每隔500米海堤长度加设一个净化塘；D)若无污染事件的发生，净化塘上的阀门打开可以联通人工湿地，使得人工湿地生态系统联通自然湿地区域和海洋；E)在人工湿地引入生物，为其提供良好的生长空间，形成完整的交错带生态系统食物网；F)利用自动控制系统实时监测相关环境参数。

说明书

技术领域

本发明属于环境科学与工程应用领域，具体涉及一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，在沿海的海岸地区，将普通的自然湿地与潮间带和诸如防波堤等人工海岸工程相结合，不仅可以保护潮间带原有自然生态系统的稳定运行，又能起到减小波浪对堤坝构筑物的侵蚀，并削减近海工程构筑物的侵蚀作用。

背景技术

滨海湿地本身是具有陆地和海洋共同特性的交错生态系统，具有丰富的自然资源和复杂的生态交互过程。近年来，由于海岸带地区城市化进程加剧，尤其在一些河口湿地地区，为了防止大潮、高潮和风暴潮的泛滥以及风浪的侵袭和造成土地淹没，在沿岸地面上会修筑专门用来挡水的堤坝护岸构筑物。然而，大规模的堤坝护岸工程的建设会对滨海湿地生态环境产生不小影响：堤坝的围挡改变了近岸海域的水文特征，很多生物的生存环境、栖息环境遭到破坏；另外，堤坝护岸工程活动还致使滨海湿地重要的生态系统严重退化，生物多样性降低。由钢筋混凝土修筑的沿海防波堤坝，虽然保护了城市不受风暴潮和洪水的影响，但是阻隔了堤坝内原有生态系统的物质与能量交换，增大了当地生态系统的脆弱性，使得原有系统破碎化，提高了生态系统退化的风险。因此，需要寻找到既能保护滨海城市不受风暴潮等灾害的影响与侵袭，又能保护滨海湿地生态系统完整性的生态护岸方法。生态护岸集防洪效应、生态效应、景观效应和自净效应于一体，不仅是护岸工程建设的一大进步，也将成为今后护岸工程建设的主流技术。

目前，生态护岸技术多采用在河流湖泊，以防止河岸坍方之外，使得堤坝具备使河水与土壤相互渗透的作用，可以增强河道自净能力，有一定自然景观效果的海岸护坡形式。利用植物增加河岸粗糙系数并与土木工程相结合，对河道坡面进行防护的一种河道护坡形式。对于滨海湿地沿海，海洋生态系统与陆地生态系统交错存在，使得海岸的生态护岸工程方案更加需要面向生态环境的需求，以最小化破坏湿地生态系统为前提，提出滨海湿地特有的生态护岸技术，保持原有生态系统的完整性。

对于滨海湿地生态护岸技术需要兼顾四大功能：

第一是防潮消波能力：堤坝护岸最本质的作用是防止洪水、风暴潮的入侵以及海洋内波对构筑物的侵蚀，这是护岸工程的本质作用，因此需要依据国家海堤工程设计标准，计算需要的堤坝高度，宽度等参数，纳潮量等参数进行防潮消波设计；

第二是生态保护能力：传统的堤坝工程，完全阻隔了海水与陆地的物质和能量交换，因此对降低了原有生态系统的完整性，因此生态护岸技术需要面向生态与环境需求，对原有的物理阻隔进行合理改善，补偿原有生态损益，恢复海岸带生态服务功能；

第三是水体自净能力：由于滨海湿地地区富含能源资源，因此石油开采，盐田开发等人类活动干扰现象明显，加之受滨海地区的城市化进程影响，会产生各种污染物的排放问题，因此滨海湿地生态护岸工程技术需要具有简单处理水体净化的能力；

第四是景观优化能力：生态护岸技术的开发，可以提高海岸带景观效果，为海岸带带来文化体教、旅游、娱乐等潜在服务功能价值；

在实际工作中，对于兼顾上述四大功能的滨海湿地生态护岸技术工作尚未完全开展，很多已提出的生态护岸技术仅仅是向坡道种植植物，增加坡道粗糙系数，并不能做到多功能的集成，生态系统物理阻隔问题依旧存在，对湿地特有的生态功能的保护也并不彻底，没有考虑水体自净的功能，不能成为一个完整系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，在城市化进程明显的滨海湿地沿海地区，以达到对滨海湿地生态资源的保护，并恢复原有生态系统服务功能价值，起到保护滨海湿地生物资源和水资源的目的。

为了实现上述目标，本发明提出的一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，包含生态堤坝系统、人工湿地系统、净化水塘系统、数据监测与自动控制系统，其中的主要工艺流程步骤为：

A)对风速影响较小同时城市化显著的滨海湿地沿海区域修筑堤坝，纳潮量，边坡坡度，坝高，坝宽，允许越浪量、堤线布置、堤顶高程等设计参数，需要参考《中华人民共和国海堤工程设计规范》(GB/T51015-2014)，并且具有基本的防潮消波功能，生态堤坝采用阶梯式设计方式，还需在边坡种植盐水湿地水生植被以增大边坡粗糙系数，以消减波浪动能为主，防止堤坝构筑物侵蚀；

B)对堤坝边坡留有一定的开孔，增加堤坝孔隙率，使得海水可以缓慢渗透入堤坝内部，在堤坝内部设置有围挡的人工湿地区域，通过水泵调节湿地内部水量，围挡采用可透水滤层，垂向设置，可以将人工湿地与滨海自然湿地相连接，生态堤坝也需要设置进出水调节阀门，用以控制进出水量，将人工湿地自然净化的水体排入海洋，湿地内种植芦苇，碱蓬等滨海湿地特有植被，形成自然的湿地生态系统，通过管道与海洋相连接，起到维持自然湿地生态系统与海洋生态系统的纽带作用，可以将人工湿地区域作为交错湿地生态系统的缓冲地带，在上面保持滨海湿地生态系统特有群落结构，但是仍保持和海洋生态系统的连通性和完整性；

C)若存在污染事件发生，可以将污水引入人工湿地净化水塘，此时堤坝上阀门关闭，污水经过净化后流入沉淀池并经过净水池然后得以排入大海，以达到将周边污水进行处理的效果，因此整个系统需要有自动控制系统来控制生态防护区域的水质水量变化，需要安装简单的净化设备，并直接通过管渠将周边水体引入净化水塘，利用湿地本身的自净作用出去氮磷等污染物质，预计每隔500米海堤长度加设一个净化塘，可以去除20％的污水杂质，并通过检测系统在线监测；

D)若无污染事件的发生，净化塘上的阀门打开可以与周边的人工湿地联通，此时堤坝上阀门开启，使得人工湿地生态系统得以恢复，并联通自然湿地区域和海洋，这样起到生态缓冲的效果；

E)在人工湿地中，引入耐盐植物，浮游生物，底栖生物，湿地鱼类等生物群落，为其提供良好的生长空间，形成完整的交错带生态系统食物网，对恢复滨海湿地生态系统有重要意义；

F)在堤坝上设置小型气象站，监测太阳辐射、湿度、风速等气象参数，在人工湿地中的阀门附近安装流速仪，在净化塘中安装多参数水质分析仪，以定期检测DO，浊度，水温，TDS，TP，TN，ORP等常规水质指标，在人工湿地中安装相关仪器可以监测土壤理化指标，叶绿素a，光合效率，二氧化碳含量等生态指标，利用自动控制系统实时监测相关环境参数；

根据护岸技术系统工艺，步骤A采用台阶式自然护岸方式，是在自然型护岸的基础上采用混凝土、钢筋混凝土等材料加强抗冲能力的一种新型生态护岸型式，具体采用植被型生态混凝土法：主要由多孔混凝土、保水材料、难溶性肥料和表层土组成。表层土铺设在多孔混凝土表面，形成植被发芽空间，同时提供植被发芽初期的养分，由于海潮的波动，因此需要种植附着能力较强的海藻等海洋型植被，在堤坝靠近水面的部分设置带有坑洞的混凝土地面，为虾蟹等海洋底栖生物提供生活空间；

根据护岸技术系统工艺，步骤B中的人工湿地区域，引入自然湿地特有物种，培育半个月时间，将链接湿地和堤坝的阀门采用可抵御高压强条件下的钢制平开闸门，一般每隔500m开设一处闸门，并留有孔径约500mm的回水管道；湿地平均高程要高出堤坝底坡，通过重力自流的方式可以将湿地水汇入海洋，泵站可以设置在湿地内部，通过提升泵可以将海水引入湿地内部，以调节湿地水量；

根据护岸技术系统工艺，步骤C中设置净化塘，将净化塘分为三个调节池，分别为好氧塘、厌氧塘和曝气塘，以厌氧-曝气-好氧的顺序，用以对湿地周边区域产生的污染进行净化处理，其中厌氧塘一般只能作预处理，常置于氧化塘系统的首端，以承担较高的BOD负荷；好氧塘全塘皆为好氧区，为使阳光能达到塘底，好氧塘的深度较浅，设计深度一般在0.3～0.5m，而高负荷好氧塘的BOD₅设计负荷较高，因而水分停留时间短；曝气塘中需安装两台小型曝气机，曝气塘一般水深3～4m，最深可达5m。曝气塘采用人工曝气供氧，一般可采用水面叶轮曝气或鼓气供氧。曝气塘有机负荷和去除率较高，BOD₅去除率平均在70％以上，TP与TN的去除率也在80％以上；

污水通过净化塘之后通过管道将净水输送至净水池，并将净水储存以便利用于堤坝周边景观，绿化等市政设施的用水需求；

生物脱氮过程采用传统的生物脱氮工艺，将水中的“三氮”物质通入硝化菌与亚硝化菌中，通过一系列硝化与亚硝化过程，去除水中的氮，相关反应较为复杂，其主要反应过程为：

NH₄⁺+3/2O₂→NO₂^-+2H⁺+H₂O-278.42kJ(硝化菌与亚硝化菌参与反应)

生物除磷过程采用传统的生物除磷工艺，将污泥交替在厌氧以及好氧状态下运行，能使过量积聚磷酸盐的聚磷菌占优势生长，使活性污泥含磷量比普通活性污泥高。污泥中聚磷菌在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下过量地摄取磷；

根据护岸技术系统工艺，步骤D中阀门的开关通过自动控制系统进行控制，当人工湿地水量较高时，开启堤坝闸门联通人工湿地；当湿地水量较低时，关闭堤坝闸门并通过提升泵将海水注入湿地以调节水量，；当没有污染事件时，净化塘也可以与人工湿地联通，当潮位较低的；同时人工湿地围挡的水阀通过明渠链接自然湿地，也可以起到对自然湿地进行生态补水与生物联通的作用；

根据护岸技术系统工艺，步骤E中可以对人工湿地区域引入滨海湿地特有的生物，将堤坝外围海洋生态系统所包含的生物与堤坝内测湿地生态系统生物进行生态联通，以保护自然生态系统的完整性，防止生态阻隔现象的发生，其中部分引入物种如下表所示；

表1人工湿地系统部分生物分类表

根据护岸技术系统工艺，步骤F中安装相关检测仪器，对气象条件、水文要素、生态行为、水质状况等四方面进行实时监测，并控制相关要素变化；

本发明的目的在于提供一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，相比传统的堤坝防护设施的设计，起到了兼顾生态环境的作用，防止了生态阻隔现象的发生，保护了滨海生态系统的完整性，对湿地-海洋的生态交互起到了生态缓冲的作用，该方法实施简单，净化水塘的净化效果突出，对不破坏原有生态系统的基础上，对海岸风暴潮等灾害进行防护，保障了人民财产安全，同时对城市化显著的滨海地区提供了景观、文教、娱乐等社会潜在价值，在全方位保护了滨海湿地自然资源的可持续性和湿地-海洋生态系统的完整性，对人民生产生活起到重要作用。

附图说明

图1为本发明的技术路线示意图；图2为本发明的工艺流程示意图；；图3分别为相关设备的设计简图；其中图3(a)为生态堤坝与人工湿地系统示意简图；图3(b)为净化水塘布置简图；图3(c)为总平面布置示意图；

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种面向人类与环境需求的滨海湿地生态护岸技术系统的工艺方法，其主要实施方法如下：

A)整个堤坝采用钢筋混凝土实现，在边坡上留有厚度约100mm沙土，用以种植小型植被，坡面高度大于4m后，宜设置排水设施。坡面竖向排水沟可每隔50～100m设置一条，并应与平行海岸走向的排水沟相连通，由于存在防潮消波要求，在必须建造重力式挡土墙时，采取厚度约500mm～800mm的台阶式的分层处理。在自然型护堤的基础上、再用钢筋混凝土等材料确保大的抗洪能力，如将钢筋混凝土柱或耐水原木制成梯形箱状框架，投入大的石块、或插入不同直径的混凝土管，形成很深的鱼巢、同时三级分层设置可将底层提高表面粗糙系数，以提高海洋藻类等海洋植物的附着能力，第二层钢筋混凝土板上铺设高低不平的石砾层，以为虾、蟹、昆虫、贝类等海洋生物提供生存空间，第三层上可以铺设湿地土层，以种植芦苇，香蒲等挺水植物；靠近坝体上部则种植大叶藻等沉水植物，使其在缝中生长出繁茂、葱绿的草木，具体方式如图3(a)所示。

B)在监测区域周边加盖中控室，监控水质水量的变化，并通过自动控制系统实现堤坝闸门与阀门的开启闭合，并对堤坝上的气象站数据，人工湿地的生态参数以及净化水塘的水质参数进行多目标集成实时监测。

C)采用型号为IS50-32-125的离心泵，扬程为5m，电机功率为0.55kW，转速为1450r/min，设置为两用一备。

D)净化塘采用长5m，宽3m的净化水池，铺设管径约为500mm的管道，通过从人工湿地以及周边水体引入的受污染水，进入水塘进行净化处理，利用混凝土将塘分为三部分，以厌氧-曝气-好氧的顺序进行处理，采用鼓风曝气的方式，将经过净化的水体通过管道流入净水池，净水池内的水部分用于景观、市政活动、另一部分通过200mm管道利用阀门控制缓慢回流汇入人工湿地区域，具体实施方式如图3(b)所示。

E)其余设备均按照传统工艺设计标准研发，不再做具体详述，总平面布置示意图见图3(c)所示。

具体装置设计见附图。

由于施工强度较大，此设计首先通过计算机三维模拟模型和中试模拟的结合得以验证，中试通过在山东东营黄河三角洲生态自然保护区内实验基地进行相关实验与布置，检测滨海生态系统相关数据，并将相关数据结论，导入计算机运行，对比相关实验结论。将传统堤坝工程与生态护岸工程技术相关数据对此如下，如下表结果所示：

表2系统实际模拟结果比对

可见，在滨海湿地地区，运用生态护岸技术，可以有效的提高水质，降低水体污染，还可以有效的维持湿地生态系统与海洋生态系统的交互，起到生态联通的作用，防止生态阻隔现象的发生，提高了区域整体生态环境质量。