马里兰州利用漂浮湿地打造城市水健康

项目概述

美国国家水族馆坐落在巴尔的摩一个典型的后工业城市滨海区。全球性的行动力和栖息地方面的专业度使其在改善城市水质的实践中发挥着重要作用。

▲内港发展时间轴：马里兰州巴尔的摩内港是最早转型为文化设施的后工业滨水区之一。然而，港口的再开发并没有解决自然系统退化和水质差的问题。

基于将园区转变为活跃实验室的终极目标，水族馆与众多设计师、工程师以及研究人员组成团队，共同致力于研究新型技术，以创造更多可持续和高性能的漂浮湿地。

项目说明

美国国家水族馆的使命是保护全世界珍贵的水生生物，它坐落在巴尔的摩内港的黄金位置，计划通过新的园区景观来促进本地实践，凸显出切萨皮克湾栖息地的重要地位，主要的措施包括引入一种独特的、可恢复的浮动潮汐沼泽生态系统。

▲生物多样性目标：随着栖息地的流失和污染物流入港口，物种多样性变得越来越少。是否可以通过改善水质来促进本地物种的回流，并增加生物多样性？

这一类型的栖息地能够维持原生沼泽植被的生长，并为切萨皮克湾河口区域的多种生物提供不可或缺的生存条件。借助这种将自然湿地与工程化解决方案相结合的方法，潮汐漂浮湿地将有效地使城市水质得到改善。

▲水质现状分析：溶解氧含量是衡量水质的重要指标。在较温暖的月份，港口过多的养分（来自雨水径流）会激化藻类种群的大量繁衍。由此而产生的水华将吞噬水体中可用的氧气，导致鱼类的死亡。

要实现这一遍及整个园区的宏观计划，第一步是要确保设计提案能够对水质产生切实而有意义的改变。

▲传统漂浮湿地的生命周期：漂浮湿地的引入开始让巴尔的摩港的环境恢复到城市化之前的状态。不过，传统漂浮湿地的寿命很短，在经济上不可持续。若要将其生命周期延长至15年乃至30年，需要利用哪些综合性的技术呢？

美国国家水族馆团队正致力于研究各项干预措施的维度和空间细节，同时建立一套评判标准，以充分地验证这些措施是否能够帮助增强生物多样性、改善水质并实现弹性恢复，最终为园区未来的解决方案提供知识储备和支持。

栖息地构建能力

湿地被分为不同的层次，以模拟在切萨皮克湾河口区域的潮汐沼泽中观察到的小环境。每块湿地被设置在预定好的深度，以支持水面上方和下方不同的栖息条件。湿地区域之间的水道则模仿了小型的潮汐运河。

▲园区的长期规划：国家水族馆的长期目标是吸引游客、激发保护行动、恢复生态系统以及促进社区参与。园区规划的核心内容是构建一个面积为半英亩的漂浮盐沼。

结构化的漂浮湿地通过嵌入浮力泡沫实现了介质的分层，水上和水下的高度分别为3英寸，超出阈值的部分则是连续的固体材料。这种漂浮湿地在整个生命周期中将一直起到结构平台的作用。水泥粘合层的使用则可以使紫外线降解的时间得以延长。

▲漂浮盐沼的剖面图。研究团队与国家水族馆共同为漂浮盐沼制定了功能目标，从而设计出一个尺度较小的原型。该原型旨在对各项技术进行测试和校准，以最大程度地加强生态影响。

湿地的嵌板（最大尺寸为5×12英尺）使用了层状的无纺聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET介质）材料，以1.5英寸的厚度为单位堆叠而成，能够准确模拟出小环境的地质状况。模块内镶嵌的泡沫有助于控制静态浮力的储备。

湿地恢复能力（拴系，结构，浮力）

浮动湿地的拴系和锚固系统必须具备抵御风浪以及流载荷的能力，并且能够保证湿地能够轻松应对每日的潮汐波动。该原型需要通过设计好的浮选装置来保证湿地的稳定性，并且要使嵌板与吃水线之间的距离（freeboard）尽可能降低。

▲设计原型与计划建造的漂浮盐沼的比例对比。原型的尺寸是实际湿地面积的1/25。场地中既有的码头桩基和人行天桥被结合到设计当中，使公众能够获得高处的视野。探测站被安装于原型之前，以便收集基线数据并测量原型对于水质的影响。

沼泽层的最高处仅高出水面6英寸，中间部分则几乎完全是可渗透的空隙。储备浮力的缺失使湿地的稳定性低于大多数传统的浮动结构（如浮动船坞和驳船等）。这种内在稳定性的缺失会为带有独立浮力系统的浮动结构赋予更高的敏感度。

▲漂浮湿地原型的植被种植方法：湿地上计划种植切萨皮克湾区的原生物种，并基于淹没水位对其进行分层。四个植被区域为植物各类物种提供了多样化的栖息地。

浮筒浮力控制系统- 每个浮筒的顶部都装有充气软管，底部则配有压载水软管。这些软管延伸至湿地的边缘，操作者可根据需要开启或关闭阀门，将空气推入或排出浮筒，以控制浮筒内部的水位和湿地的漂浮高度。

▲漂浮湿地原型的曝气设施：气提泵和安装在湿地边缘的曝气扩散器共同构成了灵敏的基础设施，可以阻止溶解氧含量的降低，从而避免鱼类的死亡。水的混合能够促进生物膜的形成，并在低溶解氧的环境下为物种提供必要的生存条件。

PET介质中的储备浮力系统 – 位于PET介质层中的储备浮力系统是浮力设计中最为敏感的一环。

▲可调节浮力的弹性结构：该结构通过可调节的静态浮力来抵消生物积累带来的重量。这也为湿地的维护和研究提供了便利。在湿地受到入侵物种破坏的情况下，PET介质层可以进行模块化的替换。

由于浮力会受到失水重量的直接影响，湿地的储备浮力被控制得尽可能小，从而抵消来自维护工人和波浪的额外重量。相应地，在吃水线的边缘处，PET介质中的孔洞会被喷膜密闭泡沫填充。

▲原型的概念化渲染图。该原型被用于测试新型技术的性能、可持续性和回弹性。每平方英寸的湿地都将为各类生物提供生长、繁衍、换毛、产卵和捕食的条件。

静态浮力系统和压载重量– 按照初始设计，HDPE浮筒的一部分会被密闭泡沫填充，并提供恒定的浮力，从而成为一个“静态浮力系统”。

▲原型中已经观察到的物种: 研究团队对分布在漂浮湿地的所有物种进行了编录，包括一些原本被认为已经从内港消失的物种。活跃而多样化的生物膜有着十分重要的作用，因为它们处于食物链底端，能够为各类物种提供栖息条件。

泡沫填充物和静态浮力会通过校准与湿地的结构部件、PET介质以及植被形成匹配。为了避免湿地结构过于高出水面，HDPE浮筒的管道上设置了用于配重的附着点。此外，在模拟海洋生物的增长对浮筒浮力系统的影响时，也需要增加适当的压载重量。

水质（曝气）

曝气系统（aeration system）可被用于测试不同的材料和曝气技术，以增加水体的溶解氧含量，确保鱼类、牡蛎和其他水生生物能够在低氧环境（如藻类大量繁殖和迁移的时期）下存活。

▲原型中已经观察到的生物膜：在原型安装后不久之后，国家水族馆的科学家便发现了大量被漂浮湿地吸引而来的生物膜。它们的出现为更大范围种群的生长和构建更加完整的本地物种网络提供了基础。

该系统需要借助陆上的送气和排气管道以及悬挂于漂浮湿地上的微气泡膜扩散装置得以运行。曝气系统可以根据需要进行调节和操作。水道内部的探测装置会对溶解氧的含量进行测量，随后通知（也可手动操作）系统进行功能运作。

▲原型曝气系统的性能分析：该原型配备的曝气系统能够帮助缓解周围水域的低溶解氧事件，同时为狭生性物种提供理想的小环境。

使用曝气系统的目标是提高漂浮湿地周围6-8英尺深水域的溶解氧含量。该系统包含了安装在陆上的、拥有良好隔音性和维修通道的送气管，能够将空气高效地输送至管道网内部。

▲原型的适应性：湿地原型通过浮筒骨架进行支撑。经过分层的PET介质能够为不同物种提供不同高度和深度的栖息地，并模拟切萨皮克湾潮汐沼泽群落的实际环境。