城镇河流生态修复技术

来源:建树环保 2024-06-01 09:13:15 161

   作为城市的生态载体,河流在社会、生态、经济等方面价值极高,对保障城市水源安全、维护生物多样性、缓解热岛效应等均具有重大意义。河流生态修复是在不打破原有的生态结构和功能的基础上,立足江河生态系统现状,遵循自然规律,运用现有的修复理念和先进技术,达到对河流生态近自然状态的修复目标,恢复河流生态系统的健康良性循环。我国对河流的生态修复起步于20世纪90年代,逐渐向以流域尺度出发的整体生态修复过渡,但仍以水质恢复为主,河流生态修复研究也多集中于针对某一具体河流或河段的修复工程。从单一方面进行河流生态治理达不到最佳修复效果,缺乏对河流生态修复理念、目标和方法的系统归纳与梳理,尚未建立多层次、多角度、多指标的河流生态修复技术体系,更无可供复制与推广的生态修复模式。

   近年来,通过采取生态护坡、构建滨岸缓冲带、水生植物生态系统构建等措施,部分河流生态修复工程也取得了不错的生态改善效果。但由于许多城市河道均采用浆砌石或混凝土护岸,仍呈现出“岸带景观绿油油、水体生态光秃秃”“水质良好、水生态不健康”等问题。同时,当前多数河流生态修复仍集中在某项指标的改善,河道生态的系统修复研究涉及较少。本研究构建了一种集“外源污染防控一内源污染抑制一水生态调控一强化水体净化”为一体的河流水生态修复技术体系,通过重构适合于各类生物生存的生境条件,恢复配比合理、结构优化、功能强大、系统稳定的城市河道良性水生态系统,重建受损河道生态系统的结构和功能。

1、研究区域概况

   茅洲河是深圳市第一大河,发源于深圳市境内的羊台山北麓,地跨深圳、东莞两市,河长为41.61km,一级支流有23条,二、三级支流有17条,总流域面积为388.23km²(包含石岩水库以上流域面积),其中,深圳市境内流域面积为310.85km2,东莞境内流域面积为77.38km。马田排洪渠是茅洲河的一级支流,全长为2.36km,为城区泄洪渠,周边环境以工业园区为主,另有少量居民住宅区和生态景观公园。近年来,相继开展了防洪工程、河道整治及堤岸建设、截污工程及生态补水等环节综合整治工程。生态补水水源以上游水质净化厂尾水与雨季降水为主,水质净化厂尾水水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类标准限值(总氮除外)。目前,马田排洪渠已基本消除黑臭,河流水质得到明显提升,但仍面临河道旱季径流小,水质较差,河道狭窄,水生生物物种单一等问题,具有典型的南方城市河涌特点。

2、河流水生态修复工程设计

   马田排洪渠生态修复示范段河长为380m,上游段长为150m,平均宽度约为3m;下游段长为230m,平均宽度约为6m。主要采用生物修复和工程修复相结合的综合技术,并充分考虑生态修复的技术和经济可行性,采用河床基底改造技术、岸带生态修复技术、水体生态修复技术、水生物种调控技术等四大技术形成的综合技术体系,实现河流岸带景观提升、面源污染拦截能力提升、浮游动植物生境恢复和水体自净能力提升等目的,最终实现河道健康状态的提升。

2.1 环境友好型底质改造

   马田排洪渠为底质硬质化河道,河道自然净化能力基本丧失。为避免河道综合整治后,河道内淤泥再次淤积,根据示范河段底泥底质现状,实施河床基底形态多样化改造,为水生态修复营造适宜生境条件。河道底部铺设表层包裹掺银二氧化钛的碎石材料(Ag-TiO,碎石)的环境友好催化剂。环境友好型基底改造填料采用人工配合机械的方式进行均匀摊铺,以保证水质净化效果。铺设厚度为5~10cm,共投加160m;投加底质净化剂,投加密度为0.30~0.45kg/m2,共投加850kg。

   底质改造后,可激活河道底泥中原本存在的利于水体自净的微生物,形成生物量大、食物链长的生态系统,降解水体中的有机污染,并在一定程度上对河道有机底泥进行消化作用,减少底泥淤积量,实现泥水同治,使水生态系统得到修复。底质改良材料铺设的大样见图1。

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2.2 河岸带生态修复

   河岸植被缓冲带作为河岸生态系统的重要组成部分,是控制水土流失和面源污染、改善水环境的关键措施,对河岸生态系统的生态及水文过程具有重要的影响。河岸植被缓冲带可增加生物多样性,促进相邻地区之间物质和能量的交换;为陆地动植物提供栖息地及迁徙通道,为水生生物提供能量及食物,改善生存环境;同时过滤地表径流,吸收养分,改善河流水质,调节河流小气候;通过植被缓冲带的拦截、净化、吸收等作用,可将大部分泥沙,部分可溶性氮磷养分、有机成分等截留在生态缓冲带内,缓冲带种植的植物可吸收径流中的氮磷养分,减少地表径流携带的氮磷等向水体迁移。结合低冲击影响开发等技术,开展河岸带面源污染拦截净化及河岸带生态修复,有效解决城市降雨径流污染,提升河道景观。

2.2.1 生态植草沟设计

   生态植草沟结构包括种植层、滤料层及渗排水系统,其中种植层为种植土和植被,其植被为马尼拉草,种植土厚度为20cm;滤料层为砾石和卵石;生态植草沟为狭长结构,结构尺寸为230mx0.4mx0.3m(长x宽x深),具体见图2。

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2.2.2 植物缓冲带设计。

   植被缓冲带围堰采用实心红砖砌筑,内部填充砾石及种植土,通过表层植被的过滤、截流、吸收等作用可以阻止大颗粒悬浮物、有机成分及氮磷等流入河流,同时内部的砾石填料可供微生物着床,可以起到削减有机污染物的作用。围堰设计墙体宽度为15cm,高度为30cm。缓冲带泄水孔布置采样DN100-PVU管材,泄水孔沿缓冲带长度方向均匀布设,间距为2~3m。植被缓冲带主要选择植被为马尼拉草皮,并在草皮之上栽植爬山虎、百香果等景观绿化植被,增加植物多样性,构建稳定、景观层次鲜明与优美的复合生态系统。

2.3 水生植物修复方案设计

   开展挺水植物精选及配置,恢复河流生态系统;通过水生植物根茎对水中污染物的富集、吸附、吸收、降解、净化等作用,提高河道自净能力,改善水体水质状况。采用水生植物模块化培育装置,快速形成良好的生态系统,提高水体的自净能力,有效提升水体景观。模块化种植装置尺寸为620mmX420mmX170mm,采用尼龙扎带相连,使其形成一个整体,提高种植装置的稳定性。同时,每个种植装置采用4根直径为10cm的锚杆固定在河底,以防止受洪水冲击而损毁。共配置块化种植装置2400个。种植风车草,株高50~80cm,40000株;再力花,株高30~50cm,1000株;美人蕉,株高30~50cm。1000株装置具体大样见图3。

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2.4 水生物种调控方案设计

   在底质改造、生态系统恢复的前提下,开展水生物种调控,构建丰富多样的水生生物群落结构,完善水生态系统,提高水体自净能力和生态系统的稳定性。首先利用微生物将C、N、P转化成个级生态链能利用的营养成分,然后结合挺水植物的根系能提供优势微生物大量繁殖及附着生存环境,从而利用微生物的作用使水中的污染物在各个工艺段转化或利用,从而实现污染物从水体及底泥中分离出来,溶解在水中的氮、磷则被植物所利用,进而使水体得到净化。

3、实施效果调查与评估

3.1 实施效果调查

3.1.1 生境调查

   通过现场勘查开展示范河段生境调查,主要调查内容包括以下五点。

   ①河床底质调查须目测河底材料,如卵石河床、沙质河床等,判定河床底质为人工化、半人工化或保持自然状态。自然状态保持度越高则水文形态越好。

   ②河流连续性包括河流的横向连续性和纵向连续性,主要调查影响径流、泥沙和生物连续性的工程或行为,用尺测量拦挡建筑物的高度。河流连续性保持度越高则水文形态越好。

   ③河岸改造须确定河岸的改造状况,分为保持自然、受宽型护体工程的束窄和受窄型护体工程的束窄3种形式。河岸改造程度越低则水文形态越好。

   ④外界胁迫因子包括取水、倾倒垃圾、排放污水、采沙等行为。外界胁迫因子干扰越少则水文形态越好。

   ⑤水文基本信息包括示范河段的水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、水质、地下水位等。

3.1.2 水质调查。

   根据示范河段情况及《水与废水监测分析方法》(第四版)相关要求,设定3个水质监测点位,按照评估体系要求,水质监测指标包括溶解氧、pH、总磷、高锰酸钾指数、氨氮、全盐量、氟化物、悬浮物、叶绿素a等九项指标。

3.1.3 水生生物调查。

   主要调查内容包括两种。

   ①浮游生物:参照《河流水生态环境质量监测技术指南(试行)》《湖泊水生态监测规范》(DB32/T3202一2017)、《淡水浮游生物调查技术规范》(SC/T9402一2010)、《全国淡水生物物种资源调查技术规定(试行)》等规范要求,布设3个监测点,点位布设位置与水样采样点位相同。

   ②鱼类:按照《水环境监测规范》(SL219-2013)、《淡水生物资源调查技术规范》(DB43/T432-2009)、《内陆水域渔业自然资源调查手册》的调查方法对鱼类样品进行采集,鱼类样品全部鉴定到种。

3.2 水生态健康评估

   马田排洪渠生态修复工程建设完成6个月后,参考国内外相关河湖健康评价规范,从生境状况、生物状况、水质状况等三个方面,对河流水生态健康状况进行评估。

   河床基底改造工程实施后,示范河段水质清澈见底,示范河段水体的DO、pH、TP、COD等指标有不同程度变好,水环境状况良好,污泥沉积速度明显减缓。水生植物栽植后,有效改善了示范河段原来水体“三面光”的现状,河道内共种植风车草、美人蕉、再力花等水生植物695m,植被存活存活率94.9%,示范河段内水面面积为2472m,植被覆盖率达26.7%,大幅度提高了河道生物多样性,极大提升了河道的景观效果。水生物种调控工程实施后,河道底质污染物浓度明显下降,表明菌剂的投加对于底泥污染物有一定的降解效果,同时可有效抑制底泥污染物的释放,有效保证了河道水体质量。此外,示范河段出现一个新物种一攀鲈(AnabasTestudineus),在同一监测断面,渔获物的数量和重量均有所增加,表明经过生态修复后,水体质量和生境状况得到了一定的恢复,有利于鱼类生长繁殖,鱼类物种得到了恢复。

   由于河床基底改造、岸坡拦截改造等施工,底质、栖境复杂、V/D结合特征等3个生境状况指标有了明显改善,示范段河流生境指标从“亚健康”提升到“健康”。修复后水质状况健康状态稳定为“健康”,变化不明显。此外,由于水生植物修复工程的实施,河道生境和植被覆盖率得到明显提升,进而对鱼类、浮游动物的生长繁殖产生了促进作用,修复后鱼类增加一个新物种,河流生态状况从“不健康”提升到“亚健康”,等级得到明显提升。

   综上分析,经过生态修复工程的实施改造,营造了更好的水生态环境,生境状况和生态状况有了明显改善,河流水生态系统健康状态得到明显提升。但由于修复后时间较短,水生生物的种类及多样性指数依然较低,当前生物状况仍然属于“亚健康”状态。

4、结语

   本研究虽构建了一种集“外源污染防控一内源污染抑制一水生态调控一强化水体净化”为一体的河流水生态修复技术体系,可快速改善城市河流水生态环境状况,但由于河流生态修复过程是一个长期过程,河流生态健康可能需要较长的时间才能明显改善。

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