基于模块化思路的景观型生态浮岛构建和运维探讨

1孙波,2尹露曦,3彭晓丽,4周瑾,5张潇予

1.3.4.5云南省设计院集团有限公司     云南省         650000

2昆明理工大学      云南省                 650000

摘要：生态浮岛是一种生长有水生或陆生植物的漂浮结构，主要用于水体富营养化治理。近年来，城市湖泊水系富营养化成为当前的重大环境问题之一。我国从1991年开始利用生态浮岛治理城区污染河道，取得一定理论和实践成果，但以往浮岛功能上以满足水净化为主，设计多较为简陋，未形成成熟的产品。以景观化和模块化思路推出一种可批量生产的、可自由组合的、具有较高景观价值的景观生态浮岛模块化产品，将有巨大的市场前景。可利用浮岛定期运维和收割的特点，实现富营养去除与副产资源化相结合，建立一套从污染治理到资源利用的长效治理链。在运营方面通过EOD模式介入，将浮岛产业导入污染治理，实现政府减压与环境治理双赢双收。通过专利运用盈利，也可介入搭建浮岛运营产业链，通过浮岛运维和副产资源化获得更多盈利空间。

关键词：模块化，景观，生态浮岛

近年来，城市湖泊水系富营养化成为当前的重大环境问题之一。中国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化[1]。针对富营养化问题的治理方法可分为物理方法、化学方法和生物生态修复方法。物理方法如清淤、引水、人工曝气等，成本高，技术难度大；化学方法如化学灭藻、化学去盐等，往往治标不治本，还会造成二次污染。以生态浮岛等为代表手段的生物生态修复技术成为当前水体修复领域的研究热点。

1 生态浮岛的概念与类型

生态浮岛是一种生长有水生或陆生植物的漂浮结构，是一种治理水体富营养化的有效微观措施。人工浮岛构造主要由浮岛平台（包括载体、浮床或种植槽及填充材料）、浮岛植物和固定装置组成[2]。浮岛的生态效益主要通过浮岛植物的根系吸附作用实现，在植物选择上也倾向于根系吸附能力强、生存能力强、使用成本相对低廉的水湿生植物。浮岛平台包括浮体和基质两部分，浮体为浮岛提供浮力，通常采用泡沫或浮筒框架；基质通常采用轻质陶粒、珍珠岩、椰糠等多孔透水材料。固定装置用于将浮岛固定在水体某一位置，可采用重物式、锚钩式、竖杆式、绳索式等多种方式。

大多学者按照浮岛上的植物是否接触供试水体将浮岛分为干式浮岛和湿式浮岛两大类[3]。干式浮岛是植物与水体间接接触或不接触的浮岛，植物和水体之间通过介质进行物质交换，或者植物与水体之间直接隔离。干式浮岛的水处理能力比较有限，但由于植物通常种植在环境相对稳定的介质中，与水体不直接接触，因而对植物品种要求不苛刻，可实现较好的景观效果。湿式浮岛植物直接接触水体，水处理效果更好，但对植物品种的要求也更为苛刻，通常只能种植一些适宜当地气候的乡土水湿生植物。

2 目前生态浮岛技术存在的不足

城市湖泊水系不仅具有生态脆弱性，还因其与城市生活密切相关，具有景观敏感性，在运用生态浮岛手段时，应充分考虑其对城市景观的干预。然而目前已有的生态浮岛技术尚存在以下几点不足：

（1）景观效果不足。大多数人工浮岛技术以水体净化为主要功能，在实际用于城市水体净化时，往往浮岛形态简陋、植物品种极其有限，整体景观效果不足，无法很好地满足城市景观诉求。

（2）构建用材耐久性差。目前国内外出现的生态浮岛出于实验目的或成本节约目的，多采用一些临时材料搭建，比如泡沫塑料或者竹竿、木杆等生物材料，其耐久性较差，使用过程中易出现破损，也容易造成二次污染。

（3）缺少系统的运营维护方案。生态浮岛是通过植物吸附来达到去除水中多余营养物质的目的，因而在投入使用过程中需要定期补种、维护和收割。目前城市中运用的生态浮岛，经常存在维护跟不上的情况，在浮岛运维的副产品管理层面，也往往缺少系统的方案，使之形成管理闭环。

3 模块化思路的景观型生态浮岛的构建和运维

针对现有生态浮岛技术在用于城市水体治理中的景观性不足，我们提出一种模块化思路的景观型生态浮岛技术。干式浮岛水处理能力弱但景观效果好，而湿式浮岛反之。鉴于这种互补特性，我们将两者转化为两种模块进行组合使用，兼顾生态性和景观性，实现从单一浮岛到“浮岛花园”的转变。

图 1 从单一浮岛到“浮岛花园”（来源：作者自绘）

3.1 产品构成

本技术旨在提出一种模块化的产品体系，主要由湿式生态浮岛和干式生态浮岛两种模块组成。上人干式浮岛是干式浮岛的一种，在干式浮岛基础上将种植模块替换为上人游览结构。

图 2 模块化景观生态浮岛产品体系的构成（来源：作者自绘）

在浮岛单体模块的设计上，也采用了零件模块组合的形式，基于一个标准浮岛框架，可根据上部荷载组合下部的浮体，浮岛之间又采用统一的连接形式。通过这种产品化设计思路，本技术产品在投入生产和运维过程中能有效降低成本，更好地适应工业化生产。

3.2 技术特点

（1）景观化。是指具备一定的景观作用，通过两方面体现：一是浮岛可种植景观性植物；二是浮岛可上人游览。本设计一是将浮岛种植模块分为干式和湿式，湿式主要发挥生态效益，而干式更适宜耐水湿的陆生观赏植物生长，大大扩展了浮岛植物选择的空间；二是可利用浮岛框架架设上人结构，实现可进入的“浮岛花园”。

（2）模块化。是指具备可扩展性和一定的零件自由替换组合可能，通过两方面体现：一是浮岛具备串联能力，可连接成浮岛群；二是每个浮岛单体由多个部件组成，可针对不同需求搭配替换功能零件。本设计一是浮岛单元框架四角有串联定位孔，可通过限位盘和插销水平扩展；二是浮岛单元结构可分为浮岛单元框架、浮体框架、浮体、种植模块、植物组成，根据不同的功能和使用场景自由组合成一个个浮岛单元，再串联成浮岛群。

（3）产品化。是指易于批量加工生产，通过两方面体现：一是浮岛材料易于获得；二是浮岛零件易于生产。本设计一是浮岛材料以轻钢型材、铝合金型材和聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）为主，连接件、紧固件采用国标设计；二是浮岛零件进行合理分件处理，尺寸模数易于生产加工，优化组装程序，精简零件数量。

3.4 产品运维

3.4.1 成本控制

根据产品参数对产品生产成本进行预估：浮岛框架综合成本465元/个，浮筒按浮力荷载分多个类型，综合成本85~110元/个，干式种植单元（含基质）235元/个，湿式种植单元（含基质）160元/个。

上部植物成本：浮岛面积2.72平方米计，综合单价按300元/平方米计，每个浮岛模块上部植物成本为816元/个。

综上，干式浮岛模块综合成本（含植物）2605元/个，综合单方成本957.72元/平方米；湿式浮岛模块综合成本（含植物）1905元/个，综合单方成本700.37元/平方米。干式与湿式按1:1配比组成浮岛花园，综合单方成本829.05元/平方米。

考虑到浮岛模块可被二次回收利用，且模块由各个通用零件组成，可以二次组合，其使用成本可进一步降低。

3.4.2 运维方案

利用浮岛定期运维和收割的特点，可实现富营养去除与副产资源化相结合，建立一套从污染治理到资源利用的长效治理链。通过EOD模式介入，将浮岛产业导入污染治理，实现政府减压与环境治理双赢双收。还可与厂家合作，通过专利成果转化盈利，也可介入搭建浮岛运营产业链，通过浮岛运维和副产资源化获得更多盈利空间。

图 3 生态浮岛的运营思路（来源：作者自绘）

以项目在云南省推广为例，2020年，云南省紧密结合“水十条”考核及污染防治攻坚战的主要任务和目标，按项目法分配方式下达2020年第二批中央水污染防治资金2.84亿元，支持全省19个项目建设。其中,地表水污染防治项目15个、地下水污染防治项目4个。按上述政策资金情况，预估本产品市场规模占相关资金投入的1.5%~1.8%之间，乐观估计426万元~511.2万元/年。

（1）产品销售方面

按500万元/年的资金投入计算。产品销售方面收入包括专利使用费、产品利润及产业链、政策支持三部分来源。专利使用费按产品生产成本的5%~8%收取，约25万元/年。产品利润包括产品本身利润、苗木供应链、相关材料供应利润。预计产品利润在100~120万元/年。

（2）产品运维方面

此部分包括售后运维利润及浮岛收割后续产业链两部分组成。售后运维利润包括必要的耗材替换及浮岛转运再组装费用。浮岛收割后续产业链是指：按500万元/年的资金投入计算，每年可新增浮岛面积6031平方米。浮岛植物生物量积累可达10kg/平方米·年，每年可通过收割维护获得60.31t植物残体，随着规模扩大，此数值将会不断增加。利用有机物收割后的残体进行造纸、食品生产或肥料饲料生产，可获得可观利润。此部分亦可结合当下比较流行的文旅、文创产业，将浮岛运维租赁给专门的公司运营，植物的收割运营也可承包给专门单位。此部分利润按5万元/年暂估。综上所述，预期年利润130~150万元/年。

3.5 技术优势

（1）通过干式浮岛与湿式浮岛结合的模块化景观浮岛设计，本技术可实现生态效益、景观效益、社会效益的统筹兼顾，能更好适应城市水体微污染治理的运用场景。

（2）通过后期一系列运营思路，本技术可建立一套经济上具备“造血功能”的推广运营方案，减轻政府财政负担，创造一定的营收。

4 结语

城市水体富营养化的治理需要可持续的、具备一定经济性的长期投入。生态浮岛则为城市和农村水体富营养化治理提供了一个兼顾生态与景观的解决方案。相信在不久的将来，通过浮岛产业链条的建立和完善，花香鸟语的“浮岛花园”将承载着人们美好的期许，在城市水体中大放异彩。

参考文献：

[1] 张维理,武淑霞,冀宏杰等.中国农业面源污染形势估计及控制对策 I.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学,2004(07):1008-1017.

[2] 史秀华,梁素娟,杜林根,崔淦荣.人工浮岛的制作解析及其在湿地中的应用展望[J].广东科技,2008(12):201-202.何雨珂.城市湿地植物景观研究[D].西南交通大学,2013.

[3] 丁则平.日本湿地净化技术人工浮岛介绍[J].海河水利,2007,No.144(02):63-65.