項目概述

美國國家水族館坐落在巴爾的摩一個典型的后工業(yè)城市濱海區(qū)。全球性的行動力和棲息地方面的專業(yè)度使其在改善城市水質(zhì)的實踐中發(fā)揮著重要作用。

▲內(nèi)港發(fā)展時間軸：馬里蘭州巴爾的摩內(nèi)港是最早轉(zhuǎn)型為文化設(shè)施的后工業(yè)濱水區(qū)之一。然而，港口的再開發(fā)并沒有解決自然系統(tǒng)退化和水質(zhì)差的問題。

基于將園區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S實驗室的終極目標(biāo)，水族館與眾多設(shè)計師、工程師以及研究人員組成團隊，共同致力于研究新型技術(shù)，以創(chuàng)造更多可持續(xù)和高性能的漂浮濕地。

項目說明

美國國家水族館的使命是保護全世界珍貴的水生生物，它坐落在巴爾的摩內(nèi)港的黃金位置，計劃通過新的園區(qū)景觀來促進(jìn)本地實踐，凸顯出切薩皮克灣棲息地的重要地位，主要的措施包括引入一種獨特的、可恢復(fù)的浮動潮汐沼澤生態(tài)系統(tǒng)。

▲生物多樣性目標(biāo)：隨著棲息地的流失和污染物流入港口，物種多樣性變得越來越少。是否可以通過改善水質(zhì)來促進(jìn)本地物種的回流，并增加生物多樣性？

這一類型的棲息地能夠維持原生沼澤植被的生長，并為切薩皮克灣河口區(qū)域的多種生物提供不可或缺的生存條件。借助這種將自然濕地與工程化解決方案相結(jié)合的方法，潮汐漂浮濕地將有效地使城市水質(zhì)得到改善。

▲水質(zhì)現(xiàn)狀分析：溶解氧含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)。在較溫暖的月份，港口過多的養(yǎng)分（來自雨水徑流）會激化藻類種群的大量繁衍。由此而產(chǎn)生的水華將吞噬水體中可用的氧氣，導(dǎo)致魚類的死亡。

要實現(xiàn)這一遍及整個園區(qū)的宏觀計劃，第一步是要確保設(shè)計提案能夠?qū)λ|(zhì)產(chǎn)生切實而有意義的改變。

▲傳統(tǒng)漂浮濕地的生命周期：漂浮濕地的引入開始讓巴爾的摩港的環(huán)境恢復(fù)到城市化之前的狀態(tài)。不過，傳統(tǒng)漂浮濕地的壽命很短，在經(jīng)濟上不可持續(xù)。若要將其生命周期延長至15年乃至30年，需要利用哪些綜合性的技術(shù)呢？

美國國家水族館團隊正致力于研究各項干預(yù)措施的維度和空間細(xì)節(jié)，同時建立一套評判標(biāo)準(zhǔn)，以充分地驗證這些措施是否能夠幫助增強生物多樣性、改善水質(zhì)并實現(xiàn)彈性恢復(fù)，最終為園區(qū)未來的解決方案提供知識儲備和支持。

棲息地構(gòu)建能力

濕地被分為不同的層次，以模擬在切薩皮克灣河口區(qū)域的潮汐沼澤中觀察到的小環(huán)境。每塊濕地被設(shè)置在預(yù)定好的深度，以支持水面上方和下方不同的棲息條件。濕地區(qū)域之間的水道則模仿了小型的潮汐運河。

▲園區(qū)的長期規(guī)劃：國家水族館的長期目標(biāo)是吸引游客、激發(fā)保護行動、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)以及促進(jìn)社區(qū)參與。園區(qū)規(guī)劃的核心內(nèi)容是構(gòu)建一個面積為半英畝的漂浮鹽沼。

結(jié)構(gòu)化的漂浮濕地通過嵌入浮力泡沫實現(xiàn)了介質(zhì)的分層，水上和水下的高度分別為3英寸，超出閾值的部分則是連續(xù)的固體材料。這種漂浮濕地在整個生命周期中將一直起到結(jié)構(gòu)平臺的作用。水泥粘合層的使用則可以使紫外線降解的時間得以延長。

▲漂浮鹽沼的剖面圖。研究團隊與國家水族館共同為漂浮鹽沼制定了功能目標(biāo)，從而設(shè)計出一個尺度較小的原型。該原型旨在對各項技術(shù)進(jìn)行測試和校準(zhǔn)，以最大程度地加強生態(tài)影響。

濕地的嵌板（最大尺寸為5×12英尺）使用了層狀的無紡聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET介質(zhì)）材料，以1.5英寸的厚度為單位堆疊而成，能夠準(zhǔn)確模擬出小環(huán)境的地質(zhì)狀況。模塊內(nèi)鑲嵌的泡沫有助于控制靜態(tài)浮力的儲備。

濕地恢復(fù)能力（拴系，結(jié)構(gòu)，浮力）

浮動濕地的拴系和錨固系統(tǒng)必須具備抵御風(fēng)浪以及流載荷的能力，并且能夠保證濕地能夠輕松應(yīng)對每日的潮汐波動。該原型需要通過設(shè)計好的浮選裝置來保證濕地的穩(wěn)定性，并且要使嵌板與吃水線之間的距離（freeboard）盡可能降低。

▲設(shè)計原型與計劃建造的漂浮鹽沼的比例對比。原型的尺寸是實際濕地面積的1/25。場地中既有的碼頭樁基和人行天橋被結(jié)合到設(shè)計當(dāng)中，使公眾能夠獲得高處的視野。探測站被安裝于原型之前，以便收集基線數(shù)據(jù)并測量原型對于水質(zhì)的影響。

沼澤層的最高處僅高出水面6英寸，中間部分則幾乎完全是可滲透的空隙。儲備浮力的缺失使?jié)竦氐姆€(wěn)定性低于大多數(shù)傳統(tǒng)的浮動結(jié)構(gòu)（如浮動船塢和駁船等）。這種內(nèi)在穩(wěn)定性的缺失會為帶有獨立浮力系統(tǒng)的浮動結(jié)構(gòu)賦予更高的敏感度。

▲漂浮濕地原型的植被種植方法：濕地上計劃種植切薩皮克灣區(qū)的原生物種，并基于淹沒水位對其進(jìn)行分層。四個植被區(qū)域為植物各類物種提供了多樣化的棲息地。

浮筒浮力控制系統(tǒng)- 每個浮筒的頂部都裝有充氣軟管，底部則配有壓載水軟管。這些軟管延伸至濕地的邊緣，操作者可根據(jù)需要開啟或關(guān)閉閥門，將空氣推入或排出浮筒，以控制浮筒內(nèi)部的水位和濕地的漂浮高度。

▲漂浮濕地原型的曝氣設(shè)施：氣提泵和安裝在濕地邊緣的曝氣擴散器共同構(gòu)成了靈敏的基礎(chǔ)設(shè)施，可以阻止溶解氧含量的降低，從而避免魚類的死亡。水的混合能夠促進(jìn)生物膜的形成，并在低溶解氧的環(huán)境下為物種提供必要的生存條件。

PET介質(zhì)中的儲備浮力系統(tǒng) – 位于PET介質(zhì)層中的儲備浮力系統(tǒng)是浮力設(shè)計中最為敏感的一環(huán)。

▲可調(diào)節(jié)浮力的彈性結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)通過可調(diào)節(jié)的靜態(tài)浮力來抵消生物積累帶來的重量。這也為濕地的維護和研究提供了便利。在濕地受到入侵物種破壞的情況下，PET介質(zhì)層可以進(jìn)行模塊化的替換。

由于浮力會受到失水重量的直接影響，濕地的儲備浮力被控制得盡可能小，從而抵消來自維護工人和波浪的額外重量。相應(yīng)地，在吃水線的邊緣處，PET介質(zhì)中的孔洞會被噴膜密閉泡沫填充。

▲原型的概念化渲染圖。該原型被用于測試新型技術(shù)的性能、可持續(xù)性和回彈性。每平方英寸的濕地都將為各類生物提供生長、繁衍、換毛、產(chǎn)卵和捕食的條件。

靜態(tài)浮力系統(tǒng)和壓載重量– 按照初始設(shè)計，HDPE浮筒的一部分會被密閉泡沫填充，并提供恒定的浮力，從而成為一個“靜態(tài)浮力系統(tǒng)”。

▲原型中已經(jīng)觀察到的物種: 研究團隊對分布在漂浮濕地的所有物種進(jìn)行了編錄，包括一些原本被認(rèn)為已經(jīng)從內(nèi)港消失的物種。活躍而多樣化的生物膜有著十分重要的作用，因為它們處于食物鏈底端，能夠為各類物種提供棲息條件。

泡沫填充物和靜態(tài)浮力會通過校準(zhǔn)與濕地的結(jié)構(gòu)部件、PET介質(zhì)以及植被形成匹配。為了避免濕地結(jié)構(gòu)過于高出水面，HDPE浮筒的管道上設(shè)置了用于配重的附著點。此外，在模擬海洋生物的增長對浮筒浮力系統(tǒng)的影響時，也需要增加適當(dāng)?shù)膲狠d重量。

水質(zhì)（曝氣）

曝氣系統(tǒng)（aeration system）可被用于測試不同的材料和曝氣技術(shù)，以增加水體的溶解氧含量，確保魚類、牡蠣和其他水生生物能夠在低氧環(huán)境（如藻類大量繁殖和遷移的時期）下存活。

▲原型中已經(jīng)觀察到的生物膜：在原型安裝后不久之后，國家水族館的科學(xué)家便發(fā)現(xiàn)了大量被漂浮濕地吸引而來的生物膜。它們的出現(xiàn)為更大范圍種群的生長和構(gòu)建更加完整的本地物種網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)需要借助陸上的送氣和排氣管道以及懸掛于漂浮濕地上的微氣泡膜擴散裝置得以運行。曝氣系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)和操作。水道內(nèi)部的探測裝置會對溶解氧的含量進(jìn)行測量，隨后通知（也可手動操作）系統(tǒng)進(jìn)行功能運作。

▲原型曝氣系統(tǒng)的性能分析：該原型配備的曝氣系統(tǒng)能夠幫助緩解周圍水域的低溶解氧事件，同時為狹生性物種提供理想的小環(huán)境。

使用曝氣系統(tǒng)的目標(biāo)是提高漂浮濕地周圍6-8英尺深水域的溶解氧含量。該系統(tǒng)包含了安裝在陸上的、擁有良好隔音性和維修通道的送氣管，能夠?qū)⒖諝飧咝У剌斔椭凉艿谰W(wǎng)內(nèi)部。

▲原型的適應(yīng)性：濕地原型通過浮筒骨架進(jìn)行支撐。經(jīng)過分層的PET介質(zhì)能夠為不同物種提供不同高度和深度的棲息地，并模擬切薩皮克灣潮汐沼澤群落的實際環(huán)境。

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