北方河流生態(tài)修復(fù)模式研究

賈艾晨，王旭旭(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

我國(guó)北方地區(qū)由于降水量少、集中等特點(diǎn)，造成河流絕大部分時(shí)間僅在狹窄的二級(jí)河槽內(nèi)流淌，而大片的河灘則處于干涸狀態(tài)。這些地區(qū)人口眾多，城市密集，清潔的水源大都被攔蓄利用，城市排水成了這些河流的重要補(bǔ)給水源，因而也就不可避免地帶來(lái)了水質(zhì)污染問(wèn)題[1]。因此，利用這些河道寬闊平坦的河灘構(gòu)建生態(tài)修復(fù)措施，可以在節(jié)約河道沿岸農(nóng)田及防護(hù)林用地的前提下凈化污染河流水質(zhì)。

近自然河流修復(fù)、人工濕地、生態(tài)浮床等生態(tài)修復(fù)技術(shù)近些年來(lái)在河流生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中有著不少應(yīng)用。但河流污染往往類(lèi)型復(fù)雜，既有城市生活污水及工業(yè)廢水為主的點(diǎn)源污染；也有來(lái)自農(nóng)村生活、種植業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)為主的面源污染；也存在著人們對(duì)自然資源不合理開(kāi)發(fā)利用引起的水土流失、濕地萎縮等生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)題。單一技術(shù)通常無(wú)法適應(yīng)這些特征，需要在功能定位及目標(biāo)需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)復(fù)合式技術(shù)工藝，才能高效穩(wěn)定地發(fā)揮凈化作用和生態(tài)功能[2]。本文以大連市復(fù)州河蔡房身段生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)為例，通過(guò)對(duì)其河灘區(qū)的改造，探索包括近自然河流修復(fù)、人工濕地、生態(tài)浮床在內(nèi)的多種生態(tài)修復(fù)技術(shù)相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)方法，為北方河流生態(tài)修復(fù)提供易于推廣的新模式。

1 河流生態(tài)修復(fù)模式

從修復(fù)空間角度來(lái)看，河流生態(tài)修復(fù)模式主要有兩種：體內(nèi)修復(fù)和體外修復(fù)。體內(nèi)修復(fù)是指對(duì)河道本身進(jìn)行修復(fù)，利用河岸、河床、河灘等建立生態(tài)修復(fù)措施以達(dá)到凈化污染的目的。常用技術(shù)有生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)河床修復(fù)、生態(tài)浮床等。體外修復(fù)是指在河道外修建生態(tài)修復(fù)措施，并通過(guò)水泵將污水引入，凈化后再排入河道。這種修復(fù)模式由于依賴(lài)水泵，因此一定程度上增加了運(yùn)營(yíng)和管理成本。同時(shí)體外修復(fù)往往需占據(jù)大片河岸土地，對(duì)河道生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成一些影響。

從選用生態(tài)修復(fù)技術(shù)數(shù)量上來(lái)看，河流生態(tài)修復(fù)模式分為單一式和復(fù)合式。單一式河流生態(tài)修復(fù)模式是指在分析河流及其污染類(lèi)型的基礎(chǔ)上，選擇一種最佳適用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)對(duì)河流進(jìn)行修復(fù)。而復(fù)合式河流生態(tài)修復(fù)模式則是選用兩種或更多的生態(tài)修復(fù)技術(shù)來(lái)修復(fù)河流。單一式的模式在我國(guó)已有不少應(yīng)用，如張振興等[3]運(yùn)用近自然河流生態(tài)設(shè)計(jì)理念對(duì)長(zhǎng)春市錢(qián)家溝河流和蓮花山河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；朱琳等[4]運(yùn)用水平潛流人工濕地技術(shù)凈化北票市涼水河水質(zhì)；高陽(yáng)俊等[5]運(yùn)用組合式生態(tài)浮床技術(shù)治理滇池入湖河流。常見(jiàn)河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)及其適用類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)及適用類(lèi)型Tab.1 River eco-restoration techniques and its applicability

然而河流污染通常類(lèi)型復(fù)雜，單一式的生態(tài)修復(fù)模式往往無(wú)法較好的凈化水質(zhì)，應(yīng)根據(jù)河流的污染現(xiàn)狀、物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)等特點(diǎn)，制定技術(shù)上科學(xué)、工程上合理、經(jīng)濟(jì)上可行的復(fù)合式生態(tài)修復(fù)模式[6]。

我國(guó)北方河流污染類(lèi)型復(fù)雜、嚴(yán)重，河水流量小、水流截面狹窄，但河道漫灘較為開(kāi)闊，有較大可利用空間[6]。根據(jù)上述特點(diǎn)，利用河流河灘建設(shè)復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)模式應(yīng)是我國(guó)北方地區(qū)污染河流修復(fù)的適用模式。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省大連市，瓦房店境內(nèi)東風(fēng)水庫(kù)上游復(fù)州河蔡房身段(39°43′N(xiāo)，121°59′E)，見(jiàn)圖1。此處為河流的轉(zhuǎn)彎段，由東西流向轉(zhuǎn)為南北流向，河道開(kāi)闊，有多處分叉?zhèn)攘?，河灘面積大。研究區(qū)河流污染嚴(yán)重、類(lèi)型復(fù)雜，由于其上游支流回頭河是流經(jīng)瓦房店污染較重的河流，因其接納了瓦房店市的生活污水和工業(yè)廢水，雖然有龍山污水處理廠進(jìn)行處理，但受處理能力限制，出廠水質(zhì)較差。此外，研究區(qū)上游流經(jīng)大片農(nóng)田及果園，大量流失的化肥和農(nóng)藥殘留物成為面源污染。同時(shí)瓦房店市畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，大部分畜禽糞便直接排入地表水[7]。復(fù)雜的污染情況使得研究區(qū)水質(zhì)長(zhǎng)期處于劣V類(lèi)，嚴(yán)重影響周邊生態(tài)環(huán)境及沿岸居民用水。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.1 Test site

表2 2016年9-11月研究區(qū)水質(zhì)情況 mg/LTab.2 Water quality of research area from Sep 2016 to Nov 2016

3 試驗(yàn)場(chǎng)地及建設(shè)方法

研究區(qū)內(nèi)河谷開(kāi)闊，兩岸堤防內(nèi)有大片防護(hù)林，復(fù)州河在此分散為四處汊流，河漫灘平坦、面積大，有較大利用空間，較為適合選用體內(nèi)修復(fù)模式。同時(shí)研究區(qū)內(nèi)河流污染嚴(yán)重、污染類(lèi)型復(fù)雜，單一式河流生態(tài)修復(fù)模式并不能較好的改善河流污染狀況。因此根據(jù)對(duì)研究區(qū)河流的污染情況調(diào)查，針對(duì)研究區(qū)內(nèi)河流有機(jī)污染、氮磷污染嚴(yán)重，長(zhǎng)期面源污染輸入及不合理的河道挖沙引起的生態(tài)破壞的現(xiàn)狀，并參考研究區(qū)河流形態(tài)，選用近自然河流修復(fù)、人工濕地、生態(tài)浮床三項(xiàng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)構(gòu)建復(fù)合式生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案。綜上選擇復(fù)合式體內(nèi)生態(tài)修復(fù)模式作為試驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)依據(jù)，并依此提出兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地方案(見(jiàn)圖1)。

方案一：方案一的擬改造區(qū)域位于復(fù)州河道的右側(cè)汊流及相連河灘，全程長(zhǎng)約450 m，河道坡降為0.18%，占地面積約5 500 m2，由于正處于枯水期，該汊流已經(jīng)斷流。

方案二：方案二的擬改造區(qū)域位于復(fù)州河道的左側(cè)汊流及相連河灘，全程長(zhǎng)約200 m，河道坡降0.65%，占地面積約5 500 m2，目前該汊流河道通暢，流速較快。

由于方案一的場(chǎng)地較方案二更遠(yuǎn)離主河槽，因此降低了豐水期受沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，方案一的擬改造區(qū)域更為狹長(zhǎng)，有利于生態(tài)河道的建設(shè)。而方案一由于河道坡降較低可能導(dǎo)致進(jìn)水流量的問(wèn)題可以通過(guò)在出口處疏挖等措施進(jìn)行解決。綜上選擇方案一作為試驗(yàn)地點(diǎn)，試驗(yàn)方案流程圖見(jiàn)圖2。平面布局來(lái)看整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地分為3個(gè)區(qū)域：生態(tài)河道、人工濕地、生態(tài)池，三部分設(shè)施共同組成復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。

3.1 生態(tài)河道

生態(tài)河道以原始河灘上干涸的汊流為改造基礎(chǔ)，對(duì)其采用近自然的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，包括蜿蜒性構(gòu)建、復(fù)式斷面構(gòu)建、深潭淺灘構(gòu)建及河岸植被帶恢復(fù)。修復(fù)后的生態(tài)河道總長(zhǎng)約為200 m，寬約10 m，河道坡降約為0.14%。入口處設(shè)置攔污柵，阻擋固體垃圾進(jìn)入河道，河道末端構(gòu)建溢流堰及水閘，控制進(jìn)入人工濕地的流量。

圖2 方案流程圖Fig.2 Flow chart of program

3.1.1蜿蜒性構(gòu)建

與直線型河道相比，蜿蜒的河道可以有效降低河道坡降，從而減小河流流速及輸移泥沙的能力。同時(shí)對(duì)棲息地的質(zhì)量和數(shù)量的改善也有一定幫助[8]。本方案的生態(tài)河道的蜿蜒性構(gòu)建，保留原始河道的蜿蜒形態(tài)，僅對(duì)其進(jìn)行必要的拓寬和加深，而原始河道中的直線型部分則進(jìn)行蜿蜒性修復(fù)(見(jiàn)圖3)，以恢復(fù)河流的自然風(fēng)貌。直線型河道進(jìn)行蜿蜒性修復(fù)可由經(jīng)驗(yàn)公式推求[8]：

R=KRB

(1)

Lm=KLB

(2)

Tm=KTB

(3)

L=KB

(4)

式中：R為彎曲半徑；Lm為彎曲波長(zhǎng)；Tm為彎曲幅度；L為過(guò)渡段長(zhǎng)度；B為河道寬度；KR、KL、KT、K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般KR=2～3，KL=10～14，KT=4～5，K=1～5。

圖3 河道蜿蜒模式推求簡(jiǎn)圖Fig.3 Meandering river calculation diagram

3.1.2復(fù)式斷面構(gòu)建

在滿(mǎn)足河道防洪功能的前提下，采用復(fù)式斷面替代傳統(tǒng)生態(tài)親和性較差的矩形和梯形斷面，因地制宜的設(shè)置邊坡和平臺(tái)，可以有效的為水生動(dòng)植物提供更多類(lèi)型的棲息地，本方案復(fù)式斷面見(jiàn)圖4。

圖4 復(fù)式斷面圖Fig.4 Compound cross section diagram

3.1.3深潭淺灘構(gòu)建

自然河流的縱斷面呈現(xiàn)出深潭淺灘交錯(cuò)的格局，深潭淺灘能形成急流、緩流等多種水流形態(tài)，有利于增加水體中溶解氧含量，以形成多樣化的河流生境[9]。本方案采用人工堆放拋石，借助水流沖刷以恢復(fù)深潭淺灘結(jié)構(gòu)。深潭淺灘的數(shù)量根據(jù)河道的蜿蜒性確定，每個(gè)彎曲段設(shè)置一對(duì)深潭淺灘。

3.1.4河岸植被帶恢復(fù)

河岸植被帶恢復(fù)在生態(tài)河道的建設(shè)中應(yīng)用普遍。河岸植被可以影響河流的流速、河岸抗沖刷強(qiáng)度、泥沙沉積等。同時(shí)，合理分布的河岸植被還有助于減輕面源污染，提供景觀休閑場(chǎng)所和多種生態(tài)服務(wù)功能[9]。試驗(yàn)區(qū)域河岸柳樹(shù)成蔭，河心灘地原有野生草本植物茂盛，包括水蓼、狗尾草、莎草、蓖麻、蒼耳、蒲公英、水蔥、蘆葦、香蒲等。考慮到整修河道時(shí)有大量草籽及植物根部附于土壤中，因此僅補(bǔ)種些蘆葦在河岸兩側(cè)。

3.2 人工濕地

3.2.1沉砂池

為滿(mǎn)足人工濕地進(jìn)水水質(zhì)要求及減輕濕地污染負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)狀況，在人工濕地前合理設(shè)置格柵、沉砂、初沉、穩(wěn)定塘、厭氧、好氧等預(yù)處理工藝?？紤]到研究區(qū)河面漂浮物較多的現(xiàn)狀，在生態(tài)河道首末端設(shè)置格柵，人工濕地前設(shè)置簡(jiǎn)易沉砂池。沉砂池面積為110 m2，容積為46.2 m3，當(dāng)進(jìn)水流量為2 000 m3/d時(shí)，污水停留時(shí)間約為0.6 h。

3.2.2人工濕地

人工濕地區(qū)由4列并聯(lián)運(yùn)行的共12塊人工濕地組成，總面積約為1 000 m2。每列人工濕地由表面流人工濕地、水平流人工濕地、垂直流人工濕地以不同順序串聯(lián)而成，排列方式見(jiàn)圖2。3種類(lèi)型的人工濕地池體尺寸均為長(zhǎng)15 m，寬5 m，深0.8 m。外墻材料為漿砌石，內(nèi)部隔墻為水泥磚，池體四周均用土工膜進(jìn)行防滲處理。每個(gè)池體前后均設(shè)有管孔進(jìn)出水，縱向各級(jí)人工濕地間有調(diào)節(jié)池，進(jìn)行水位調(diào)控。第一、二、四列各類(lèi)型相同的人工濕地的填料、植物、設(shè)計(jì)均相同，僅排列方式有差異。第二列及第三列的類(lèi)型相同的人工濕地排列方式相同，但垂直流人工濕地的填料不同，水平流人工濕地的植物不同，表面流人工濕地的設(shè)計(jì)有差異，第二列表面流人工濕地有沉水區(qū)，而第三列沒(méi)有。這樣的排列方式便于后期分析不同填料、植物、設(shè)計(jì)、濃度及排列方式對(duì)人工濕地凈化效果的影響。

3.3 生態(tài)池

生態(tài)池是一種利用細(xì)菌、藻類(lèi)、水生植物等協(xié)同作用處理污水的自然生物處理技術(shù)，亦可用于污染河流的治理。用于河流治理的生態(tài)池可以利用河邊的洼地構(gòu)建。試驗(yàn)區(qū)河灘上原有挖沙留下的洼地可作為生態(tài)池的改造基礎(chǔ)，經(jīng)修整后的生態(tài)池面積約為1 200 m2，深約1.3 m。由于生態(tài)池的容積較大，因此擁有豐富的生態(tài)多樣性與生物多樣性。而結(jié)合生態(tài)浮床可以有效增強(qiáng)生態(tài)池的自?xún)裟芰εc自我修復(fù)能力，使污染物得到充分的分解與凈化。而浮床在水體表面的覆蓋率不同，也會(huì)導(dǎo)致其對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率不一樣。覆蓋率以30%為分界點(diǎn)，當(dāng)覆蓋率小于30%時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率隨覆蓋率增加顯著；而當(dāng)覆蓋率超過(guò)30%時(shí)，覆蓋率增加對(duì)提高去除率的貢獻(xiàn)則十分有限[10]。因此本方案生態(tài)池中的浮床覆蓋率選定為30%，敷設(shè)面積為360 m2。

4 初期運(yùn)行效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)于2015年9月9日建成后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，由于季節(jié)因素，生態(tài)浮床及人工濕地的植物尚未完全種植，現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖5。通過(guò)生態(tài)河道進(jìn)入人工濕地的河水流量為2 000 m3/d，多余河水從溢流堰排入主河槽，每列人工濕地日處理流量500 m3/d。四列人工濕地分別凈化后的河水經(jīng)過(guò)三角堰流入生態(tài)池，后經(jīng)溢流堰排入主河槽。從9月9日調(diào)試運(yùn)行至10月28日，系統(tǒng)共運(yùn)行50 d，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況良好，經(jīng)過(guò)幾次大雨的考驗(yàn)，證明利用河灘地建設(shè)的復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)不會(huì)對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.5 Current situation of test site

4.2 初期數(shù)據(jù)分析

自調(diào)試運(yùn)行起，對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分別于9月15日，9月21日，9月28日，10月12日，10月28日進(jìn)行了5次采樣并檢測(cè)。選擇生態(tài)河道入口及生態(tài)池出口兩個(gè)采樣點(diǎn)分析系統(tǒng)初期整體運(yùn)行效果。分析指標(biāo)為SS、COD、TN、TP等，各指標(biāo)檢測(cè)方法均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 水質(zhì)分析結(jié)果Fig.6 Results of water quality analysis

從最后一次數(shù)據(jù)來(lái)看，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)均有一定的凈化作用，其中SS和COD的凈化作用較強(qiáng)(SS的凈化率為78.1%，COD凈化率為61.0%)，而TN和TP的凈化率一般(TN凈化率為20.4%，TP凈化率為16.2%)。而TN的前三次凈化效果不佳，可能是由于進(jìn)水流量過(guò)大，導(dǎo)致污水停留時(shí)間過(guò)短反硝化作用不完全導(dǎo)致的，因此在第三次取樣后，將進(jìn)水流量由3 000 m3/d調(diào)整為2 000 m3/d后，可見(jiàn)TN的凈化率有所提高。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本研究提出的生態(tài)修復(fù)模式利用北方河道擁有寬敞的河漫灘的特點(diǎn)，規(guī)避了常規(guī)生態(tài)措施占用農(nóng)田或防護(hù)林用地的情況，共節(jié)約土地5 500 m2。

(2)復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)建成后運(yùn)行穩(wěn)定，日處理污染河水2 000 m3，雨季的運(yùn)行狀況證明，經(jīng)過(guò)恰當(dāng)選址的河漫灘建設(shè)復(fù)合式生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)不會(huì)對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響。

(3)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)初期運(yùn)行效果分析，對(duì)污染河流的SS、COD、TN、TP等指標(biāo)均有一定凈化效果。

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