研製歷史,早期,研究,誕生,實際套用,搶險處置,變廢為寶,海洋避難,拓展空間,未來航母,現狀,人工生態浮島,浮島的構造,構造分類,植物栽培基,大小和形狀,水下固定設計,布設規模,人工浮島造價,水質淨化,魚類生息場所,生息空間,消波作用,淨化作用原理,
研製歷史
早期
蘆葦是烏魯斯人建造人造島過程中不可或缺的材料。他們將蘆葦綑紮在一起,建成島嶼、房屋、漫畫般擁有曲線的船隻以及船帆。漫步於這種人造島就像在一頭巨大的橡皮熊身上行走。如果蘆葦束扎的不夠結實緊密,你還可能一腳將島踏穿。有報導說,漂浮蘆葦島是史前軍事戰略的“遺物”,當有入侵者來犯,烏魯斯人可以藉助這種人造島慢慢疏散撤離。
密克羅尼西亞的
南馬都爾和蘇格蘭凱爾特人的湖上居所crannoge被認為是人類早期所建的人工浮島。現存的最早期人工浮島位於
玻利維亞和
秘魯交界高原上的
的的喀喀湖。在的的喀喀湖的一座座漂浮蘆葦島上,人們建起了房屋、學校甚至於廣播站。這裡的居民——烏魯斯人至今仍延續著他們的祖先數百年來一直採用的古老的人造島建造技術。他們將高香蒲蘆葦(這種巨大香蒲的莖稈)捆成束,一束束蘆葦扎在一起便形成一座漂浮的人造島。隨著舊蘆葦腐爛,新蘆葦加入,島嶼的外形也會發生改變。
研究
日本人工浮島研發的活躍期是在1995年發生
阪神大地震之後。如果採用人工浮島建設,將與酥軟地基或水深無關,能夠在海面建設成耐震性較高的防災基地。這也是人工浮島研發的主要背景之一。
目前日本有三個原本供羽田海上機場實驗用的小型人工浮島,分別位於是
靜岡市清水灣的海上垂釣公園、
兵庫縣南淡路市的“渦潮人工浮島海上垂釣公園”和
三重縣南伊勢町的“熊野灘海上公園”。
誕生
世界上首個真正意義上也是目前全球最大的人工浮島於2010年2月6日在韓國首爾亮相。
首爾的3座浮島同水上舞台、盤浦大橋,誕生新的河岸景觀,集合水上活動、展示、表演等功能的人文空間,總面積接近2萬平方米,不僅是全世界最大的浮島,也有舉世唯一的水上會議中心。
這個以鋼鐵製造的人工浮島名為Viva,重2500噸,面積3271平方米,大如足球場。它是耗資964億韓元興建的3座浮島中的一個,可容納2000至2500名遊客。Viva經過1年時間建造,靠底部24個直徑2米的特製橡膠氣囊浮起,今後將在江中組裝島上設施。為防止漂浮島漂走,江底打下了500噸重的石礅,還有多條最長達69米的鐵鏈系住。一旦洪水水位達16米,或是衛星定位裝置發現漂浮島離開原位超過1米,鐵鏈便會自動鎖緊,將島拉回原位。
實際套用
搶險處置
日本東北部9.0級大地震導致
福島核電站泄漏。
日本東京電力公司開始調集靜岡市的人工浮島,用以轉移福島第一核電站的低放射性污水。該人工浮島原本在靜岡市清水港作為海釣設施使用。其長約136米,寬約46米,高約3米,內部有很多水池,可容納約1萬噸水。
變廢為寶
一組荷蘭科學家提出了一個將
海洋垃圾“變廢為寶”的宏偉計畫:他們計畫從太平洋中收集4400萬公斤漂浮的塑膠瓶和其他塑膠垃圾,然後用它們建造一個面積大如夏威夷的“人工島”。這座由塑膠垃圾建成的人工島將依靠太陽能和海浪能提供能源,它上面將建有城市、海灘和“農場”,足可供50萬人在這座漂浮的人工島上安居樂業,過上自給自足的生活。
海洋避難
由於氣候變暖造成冰山融化等因素,全球海洋洋面將會在21世紀上升20到90厘米,相比起20世紀上升的10厘米,這是一個非常令人擔憂的數據。而一些專家甚至認為,在全球氣候環境越來越惡劣的情況下,地球很可能在100年甚至幾十年後就變成一片汪洋。為了讓100年後人類不遭受滅頂之災,法國建築師設計了一艘名為“
麗麗派德”(Lilypad,百合花瓣之意)的人工浮島,它猶如一朵巨大的百合花盛開在海面上,可供5萬人同時居住,作為未來版的諾亞方舟。
“麗麗派德”是一個真正的“雙棲海上城市”——它的上半部分露出海面,與陸地建築沒有區別;而整個城市的下半部分則浸沒在水下,又令它猶如船隻一樣可以“麗麗派德”可以隨著不同季節的
洋流變化從
赤道漂流到南極或北極,每年都在兩極之間的海洋中悠然“行駛”。它還將擁有世界上最大的海上體育館、劇院、醫院、公園、高爾夫球場,讓“海上居民”就像居住在陸地上一樣方便愜意。
拓展空間
地球上四分之三的面積是海洋,建設海上城市是解決人類居住問題的重要途徑。人們設計了一種錐形的四面體,高20層左右,漂浮在淺海和港灣,用橋同陸地相連,這就成為“
海上城市”。 人們構想把機械和動力裝置安置在底層,將商業中心和公共設施設定在四面體內部,上層的臨海部位是居住區,運動場設定在甲板上,一些無害的輕工業廠房也可以設定在上面。
這種海上城市每一座可容納3萬人左右。美國在離夏威夷不遠處的太平洋上計畫修建一座海上城市,它的底座是一艘高70米,寬27米的鋼筋混凝土浮船。
未來航母
美國、加拿大和日本都先後提出“浮島式航空母艦”這樣的構想。加拿大和日本構想的
浮島式航母基本是固定式建築,相當於在海上建造一個小型飛機場,跑道長1000米左右,可供各種飛機安全起降,而造價只有幾億美元。美國構想建造一個排水量50萬噸,全長900米、寬90米、高60米,可搭載300-500架各種類型的陸基飛機,航速6節。它由6個獨立的組裝模組拼接而成,其飛行甲板面積比10萬噸級的
尼米茲級航母還大兩、三倍,進駐的飛機數量當然也多2~3倍。
所謂浮島式航母其實就是一個浮動的海軍戰略航空基地。由於浮島式航母只是一種平台或基地的概念,所以在設計思想上不再強求其他戰術技術指標,不要求高航速,不苛求配備強大的攻防火力和武器。由於浮島式航母上起降的飛機作戰半徑都很遠,所以在作戰方面,浮島式航母和類似於
沖繩基地這樣的海、空軍基地一樣,遠離戰區,不進入有威脅的海域,不直接參加戰鬥任務,因此比較安全。據稱,2020年前美國海軍將建造2-3艘。
這種浮島式航母的原意是“浮動式海上基地”(MOBS),預計造價12億美元,可作為海上前進基地或艦船、飛機的運補和維修基地。在浮島式航母上,包括C-130在內大多數飛機幾乎都能安全起飛和降落,而無須複雜的彈射和阻攔裝置。
和平時期,可以利用浮出水面的島礁或不能浮出水面的珊瑚礁盤建造或部署幾個這樣的固定式海上基地,完全是民用性質,可將其劃歸
某個地方政府管轄,民用船舶、民航飛機和海洋石油開發部門都可利用這樣的浮島進行海洋開發,漁業捕撈,空中航運,油氣勘探,海洋調查,海上救援,物資、食品、淡水補給,機械設備的維修和人員的醫療救護等,也可開闢海空旅遊航線,對國民進行海洋觀和國防觀教育,當然在需要的時候軍隊可緊急徵用,作為軍事基地支援海上作戰。
現狀
2015年,中國的有關專家首次透露了我國桁架式超大型海上平台技術已經獲得重大突破,由我國冀東發展集團開發的國際級重大項目桁架式超大型海上平台項目進展順利,傳聞已久的中國超級巨型“浮島航母”終於可以正式啟動了。
據
軍事專家雷澤介紹,被稱為桁架式超大型海上平台技術,是一種全新概念的海上浮體結構型式,該技術水平世界領先、產品用途十分廣泛,屬於新型海洋工程裝備產業,將使中國率先掌握“超大型海上平台”工程化的核心技術,把握戰略先機。用於構成大型/超大型海上浮體的桁架基本結構的標準面積分90米×300米、120米×600米和120米×900米三種規格,但它根據需求拼接組裝無限放大,相當於多個船體並聯形成浮島式的平台,並且配置動力可以以18公里/小時的時速進行移動,在這塊“陸地”上可以進行旅遊開發、碼頭倉儲、能源發電、海水利用以及作為海洋保障基地。
人工生態浮島
“浮島”.原本是指由於泥碳層向上浮起作用,使湖岸的植物一部分被切斷,漂浮在水面的一種自然現象在這裡介紹的浮島是一種象筏子似的人工浮體,在這個人工浮體上栽培一些蘆葦之類的水生植物,放在水裡它的主要機能可以歸納為四個方面:1水質淨化;2創造生物(鳥類、魚類)的生息空間;3.改善景觀;.4消波效果對岸邊構成保護作用。
人工浮島的水質淨化針對富營養化的水質,利用生態工學原理,降解水中的COD、氮、磷的含量在這裡講的生態工學(Ecological.engineering.)或Ecotechnology的概念最早是由WJMitsch和SJJorgensen提出來的,他倆給生態工學下的定義是“We.define.ecological.engineering.and.ecotechnology.as.the.design.of.human.society.with.its.natural.environment.for.the.benefit.of.both.(Mitsch.,.1988)作為水邊的環境保護技術——人工浮島,20年前是由德國的BESTMAN公司想出來的在日本的琵琶湖,作為魚類用的產卵床的人工浮島70年代末就開始在做近年來,隨著人們對環境問題的越來越關心,周圍的自然環境特別是水邊的自然景觀狀況也越來越受到重視,在此背景下,不光是水的淨化,人們對創造多樣性生態系統的人工浮島技術也寄予了很大希望現在,人工浮島因具有淨化水質、創造生物的生息空間、改善景觀、消波等綜合性功能,在水位波動大的水庫或因波浪的原因難以恢復岸邊水生植物帶的湖沼或是在有景觀要求的池塘等閉鎖性水域得到廣泛的套用隨著人工浮島工程事例的不斷增加,經驗也越來越多,在評價人工浮島的功能及效果方面已逐步從定性評價上升到定量評價的高度。
浮島的構造
構造分類
從大的方面分,人工浮島可分為乾式和濕式兩種水和植物接觸的為濕式,不接觸的為乾式。乾式浮島因植物與水不接觸,可以栽培大型的木本、園藝植物,通過不同木本的組合,構成良好的鳥類生息場所同時也美化了景觀但這種浮島對水質沒有淨化作用一般這種大型的乾式浮島是用混凝土或是用
發泡聚苯乙烯做的濕式浮島里又分有框架和無框架,有框架的濕式浮島,其框架一般可以用纖維強化塑膠、不鏽鋼加發泡聚苯乙烯、特殊發泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂、鹽化乙烯合成樹脂、混凝土等材料製作據統計到目前為止濕式有框架型的人工浮島的施工事例比較多,占了7成無框架浮島一般是用椰子纖維編織而成,對景觀來說較為柔和,又不怕相互間的撞擊,耐久性也較好也有用合成纖維作植物的基盤,然後用合成樹脂包起來的做法。常見材質有竹木、泡沫、海綿、塑膠、橡膠、藤草編制、葦席編制等等,根據材質不同,結構和價格以及製作工序都各不相同。
植物栽培基
植物栽培基盤用椰子樹的纖維、魚網之類的材料和土壤混合在一起使用的比較多,由於裝入土壤會增加重量且促進水質惡化,目前使用的比較少,只有20%左右。濕式浮島上面通常栽植水生植物花卉,如荷花、蘆葦、香蒲、茭白、水蔥、美人蕉、千屈菜等等,能改善很好的生態環境。
大小和形狀
一塊浮島的大小一般來說邊長1~5m不等,考慮到搬運性、施工性和耐久性,邊長2~3m的比較多形狀上四邊形的居多,也有三角形、六角形或各種不同形狀組合起來的以往施工時單元之間不留間隙,現在趨向各單元之間留一定的間隔,相互間用繩索連線(連線形式因人工浮島的製造廠家的不同而各異)這樣做的理由有四:
①可防止由波浪引起的撞擊破壞;
②可為大面積的景觀構造降低造價;
③單元和單元之間會長出浮葉植物、沉水植物,絲狀藻類等也生長茂盛,成為魚類良好的產卵場所、生物的移動路徑;
④有水質淨化作用。
水下固定設計
人工浮島的水下固定設計是一個較為重要的設計內容,既要保證浮島不被風浪帶走,還要保證在水位劇烈變動的情況下,能夠緩衝浮島和浮島之間的相互碰撞以前日本在研究海洋的浮防波堤的時候,曾對水下固定部分的安全性提出過懷疑而人工浮島的設計是以湖沼為對象,象琵琶湖、
霞浦這兩個湖泊屬最大規模的項目,和海洋比較起來設計外力僅為海洋的1/10,所以參考過去海洋建築物及沿岸設計進行琵琶湖、霞浦這兩個湖泊的人工浮島的水下固定計算,得到了安全可靠的計算結果水下固定形式要視地基狀況而定,常用的有重量式、錨固式、杭式等另外,為了緩解因水位變動引起的浮島間的相互碰撞,一般在浮島本體和水下固定端之間設定一個小型的浮子的做法比較多。
布設規模
人工浮島的布設規模因目的的不同,規模也不同,到目前還沒有固定的公式可套研究結果表明提供鳥類生息環境至少需要1000m2的面積,若是以淨化水質為目的除了小型水池以外,相對比較困難,專家認為覆蓋水面的30%是很必要的,若是以景觀為主要目的的浮島,至少應在視角10°~20°的範圍內布設。
人工浮島造價
為了恢復一度失去的自然,其費用是很大的,經過對近些年的施工事例的調查,造價在10萬日圓/m2的比較多,不過最近也有每平米幾萬日圓做下來的在國外比如美國,使用的是再生材料,其造價每平米不到1萬日圓。
日本也好,美國也好,人工費相對比較高,只要是經過加工的材料、物品,其價格也會相應提高很多,我國和日本、美國的國情不一樣,他們的造價只能作參考。
水質淨化
人工浮島的水質淨化的定義因目的、對象的不同而有所不同,人工浮島的水質淨化主要針對富營養化的水質而言的,通過減少COD(化學需氧量)、氮、磷的濃度來抑制赤潮的發生提高水的透視度為目的它的淨化機理基本上與湖沼沿岸植物帶的水質淨化機理相似根據有關研究資料,湖沼沿岸植物帶的水質淨化要素由以下7個:
1.植物莖等表面對生物特別是藻類的吸附;
2.植物的營養吸收;
3.水生昆蟲的攝餌、羽化等;
4.魚類的攝餌、捕食;
5.防止已沉澱的懸浮性物質再次上浮;
6.日光的遮蔽效果;
7.在湖泥表面的除氮人工浮島比起湖沼沿岸植物帶來它具有附著生物多、水中直接吸收N、P等特點,在對植物性浮游生物的抑制、提高水的透視度等方面效果比較顯著。
為了對人工浮島的水質淨化效果進行定量分析,1995年專業研究者們在霞浦(土浦市大岩田)進行一次隔離水域試驗,他們分別設定3個邊長為4m的正方形、水深15m的相互隔離的水域,在這三個隔離的水域裡,A、B水域各放一個人邊長2m(4m2)的人工浮島,在其上面分別栽培蒲公英和水毛花,C水域為對照水域,沒有人工浮島。
從1995年5月11日放置人工浮島開始,歷經8個多月,期間進行了6次調查,主要調查水中葉綠素和COD變化過程從左邊的圖-2可以看出,沒有設定人工浮島隔離水域C,夏季藍藻的細胞繁殖很快,相當於有人工浮島的10倍左右取7、9、12月的數值平均後,人工浮島占有率只有25%的條件下,削減了94%的植物性浮游生物由此可以得出人工浮島抑制夏季的植物性浮游生物的細胞繁殖的效果非常大的結論另外人工浮島對COD的抑制效果夏季也比較明顯,大約能削減50%,但是入冬以後抑制效果很小其他類似的試驗研究結果同樣得出人工浮島夏季抑制植物性浮游生物、COD的效果突出的結論專家普遍認為植物的遮蔽效果在抑制植物性浮游生物的細胞繁殖方面起了很大作用。
魚類生息場所
人工浮島本身具有適當的遮蔽、渦流、飼料等效果,構成了魚類生息的良好條件實際的調查表明,在設施周圍、人工浮島的下面聚集著大量的各類魚種,均為生下來不到一年的幼魚
滋賀縣琵琶湖的調查表明,在設定60個人工浮島構成的大約1500m2的水域裡,發現8500萬粒鯉魚等三種魚的魚卵為了強化人工浮島作為魚類產卵床的機能,有的在浮島的下面繫上一些繩子,改善鯉魚等魚類的浮式產卵床的結構由於繩子對污泥有吸附作用,又可淨化水質。
生息空間
有關人工浮島上的鳥類研究相對比較多,特別是鳥的種類、築巢情況等幾乎在所有的人工浮島上都進行過調查在霞浦土浦港的人工浮島上,已發現一些鳥類的巢穴,有時為了吸引某種鳥在島上搭窩,根據該鳥的築巢習慣在人工浮島上進行特殊布置,為該鳥創造築巢的條件。
陸生昆蟲的的調查1996年在土浦港的人工浮島、附近的櫻川河口的蘆葦林、附近的住宅區空地草坪上進行過一次,調查方法是用採用網捕捉、排打取出、隨機取樣、目視觀察等方法調查結果表明住宅區的草地上昆蟲最多,其次是櫻川河口,人工浮島上最少人工浮島上昆蟲有10目35科53分類群,蜘蛛類有8科18分類群人工浮島上種的構成與櫻川河口的蘆葦林大致相同,只是量少一些其原因是人工浮島上沒有土壤,而土壤在昆蟲的生活史中十分必要,所以說人工浮島上的昆蟲生息條件還有欠缺。
消波作用
作為消波物體的人工浮島屬於浮防波,在
海岸工程專業研究的比較多它的優點主要有以下幾個方面:
1.因有較高的水交換機能,防止堤防內的(海)水污染作用較大。
2.不受設定水域深淺的影響,即使在深水區也比固定式防波堤的建設費用要低3.與水下地基的好壞沒什麼關係,即使設定在軟弱地基上,也不需要進行地基處理。
4.設定場所的變更容易。
5.除了消波,其它多目的利用也可以。
6.現場施工的工期短。
7.一般可在場外製作,質量容易保證除了上述的若干優點外,作為防波用的浮島,比起其它防波建築物,與岸邊的植物帶的融和性更好,而且浮島本身又可成為生物的良好生息場所不過防波浮島也存在若干的不足:
1.為了達到期望的防波效果所需要研究的課題比較多。
2.繩索的拉斷、水下錨固端的破壞都比較容易。
3.修補比較困難。
由於波浪的原因日本很多湖的沿岸植物帶的面積越來越小,近幾年已引起人們的注意特別是霞浦麻生町島並地區的情況比較典型1972年該沿岸還是一片50m寬的
綠色長廊,到了1997年只剩下10m×60m的一小塊綠地,靠近水的一側可以見到象似被挖開的寢食斷面,岸邊附近的水深1m左右經過對湖心風速和風向3年間的觀測,掌握了頻率較高的風向(不考慮來自陸地方向的風),由此算出它的代表波高為064m、周期T=34m,方向為西偏南8°消波浮島的消波率與風向有很大關係,一般在5%~40%之間,要是把反射波的影響考慮進去設計消波率可達53%設定在霞浦的消波浮島的消波率,經檢測達50%,第二年岸邊植物面積增加34%可見人工浮島的消波效果還是很大的。
經過幾十年的研究發展,國內、外生態浮島技術得到極大完善,然而其仍處於試驗與示範階段,存在一些問題和不足。
1.現有生態浮島栽培不易進行標準化推廣套用。不同的湖泊河流,其富營養化水平不同,水流、溫度、風速、水體波動等都各不相同,需要相應的浮島設計組合和浮島植物種類搭配,很難制定一個統一的標準予以推廣套用。
2.現有生態浮島難以推行機械化操作。生態浮島漂浮在水面上,日常的管理均在水面上完成,目前其管理操作大多採用人工完成,在小面積的試驗示範中尚可,若大面積推廣,需要經常、及時採收,人工操作就不能滿足需要,限制其發展。
3.現有生態浮島製作施工周期長。從目前來看多數的生態浮島都是採用現場製作及現場種植的模式,大面積製作施工周期較長。
4.現有生態浮島難以過冬。生態浮島上的植物大多數不能過冬,尤其在冬季天氣較冷的北方地區植物需要在第二年春天重新種植。
5.現有生態浮島多數採用大型水生植物及水生蔬菜難以抵抗極端的大風、大雨及大浪。
6.國內、外目前使用的生態浮島單體面積較小,大多數是在小面積的河湖中使用,難以對較大的河湖進行生態修復,現需要有超大面積的生態浮島。
目前利用無土草坪的各種優點製作生態浮島已取得很好效果,解決了目前國內、外生態浮島製作技術存在的諸多問題,並能達到如下效果:
1.無土草坪生態浮島採用禾本科草建成,禾本科草是一類根系發達,適應性強的多年生植物,具有淨化富營養化水體的潛在優勢。由於無土草坪生態浮島草坪高度不高,結構牢固,它能抵抗極端大風、大雨及大浪並能達到在不同的水流、溫度、富營養化水平不同等情況下使用。
2.無土草坪生態景觀浮島採用在地面培育已經成坪的無土草坪,用草坪在工廠里組合成浮島模組,到了施工場地根據所需要的面積,只要將相鄰的浮島模組相連在一起,即可製成所需生態景觀浮島,這樣的製作方法使工程現場施工變得更為方便快捷,由於無土草坪生態景觀浮島特殊的結構及方便的管理可以用它能製成超大面積的浮島。能夠對較大的河湖進行生態修復,應該說無土草坪生態景觀浮島目前是國內、外唯一能製成超大面積的浮島
3.無土草坪生態景觀浮島製成後漂浮在水面上景觀立現,整齊劃一,就像一塊綠色的地毯景觀效果非常明顯。冬季在南方不凍的水面無土草坪生態景觀浮島四季常綠,即便在北方冰凍的水面無土草坪被凍在冰面第二年開春能夠返青,返青率遠高於地面草坪。
4.用無土草坪製成的生態景觀浮島表面平整並有足夠的浮力,在大面積使用中工人可以在草坪上用剪草機剪草。無土草坪在地面使用時1怕乾旱2怕缺肥,但是無土草坪生態景觀浮島漂浮在富營養化水面上也就沒有這些問題了。實驗證明水面栽培條件下禾本科高羊茅草的葉綠素含量、葉片含水量、乾重、密度、蓋度等指標均顯著高於土培條件,草坪每年剪草的次數高於地面草坪,這樣就能更多的將水體中的富營養物質搬離水體,用禾本科無土草坪製成的生態景觀浮島是對較大的河湖修復富營養化提供一條有效的新途徑,並具有極高的環境經濟價值、資源價值和社會價值,在國、內外具有廣闊的推廣運用前景。
淨化作用原理
一方面,表現在利用表面積很大的植物根系在水中形成濃密的網,吸附水體中大量的懸浮物,並逐漸在植物根系表面形成生物膜,膜中微生物吞噬和代謝水中的污染物成為無機物,使其成為植物的營養物質,通過光合作用轉化為植物細胞的成分,促進其生長,最後通過收割浮島植物和捕獲魚蝦減少水中營養鹽;另一方面,浮島通過遮擋陽光抑制藻類的光合作用,減少浮游植物生長量,通過接觸沉澱作用促使浮游植物沉降,有效防止“水華”發生,提高水體的透明度,其作用相對於前者更為明顯,同時浮島上的植物可供鳥類棲息,下部植物根系形成魚類和水生昆蟲生息環境。
生態浮床有淨化水質、美化水面景觀、提供水生生物棲息空間及進行環境教育等多種功能。其優點如下:
(1)浮島浮體可大可小,形狀變化多樣,易於製作和搬運;
(2)跟人工濕地相比,植物更容易栽培;
(3)無需專人管理,只需定期清理,大大減少人工和設備的投資,降低了維護保養費和設備的運行費用等。