CN105347494B - 城市富营养化河道生态修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市富营养化河道生态修复方法，包括：在河道的拦控水闸设置拦控水位系统；在主河道，将清淤的土方堆成沿河缓坡、河心岛屿，岸坡比为1∶2.5～1∶5，从河道堤坝往河道中央依次形成浅水区和深水阔水区；对所述沿河缓坡的坡面进行堆石型和插孔式混凝土块型底型改造；在河心岛屿、底型改造后的沿河缓坡构建堤岸带水生植物带，在沿堤岸带构建植物浮床生物带；在疏浚后的河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物。采用本发明的修复方法，河道水质从IV～V类提高到III类以上水质，水域生物多样性增加2倍以上，河道的调蓄水、泄洪能力更加畅顺，水系的补充地下水、固碳释氧、调节气候、水源涵养等功能得到进一步提高。

Description

城市富营养化河道生态修复方法

技术领域

本发明涉及水体修复技术领域，具体涉及一种城市富营养化河道生态修复方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，大量工业废水和生活污水排入河流和湖泊等地表水体，这些废水中携带大量营养盐。由于氮、磷等元素的排入，加上水体缺少必要的循环，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，导致水体富营养化，破坏水生生态平衡，形成水华。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放排入水中，供新一代藻类等生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。

采用适宜的技术解决水体富营养化问题不但对保护环境有着重大的意义，而且对保证人民的健康也有着深远的意义。但是，地表水具有水量大、分布广等特点。这些特点决定了地表水污染处理不可能像生活污水或工业废水那样采用传统的混凝沉淀、吸附、萃取、离子交换、膜分离等处理工艺和设备进行集中处理，故给地表水污染治理带来了很大的难度。

水体生态修复是指利用生态学的原理，使污染水体恢复到未污染状态所采用的技术。其特点是充分发挥现有水利工程的作用，综合利用流域内的湿地、滩涂、水塘和堤坡等自然资源及人工合成材料，对天然水域自恢复能力和自净能力进行强化。根据其原理的不同，水体生态修复技术可分为物理净化法、化学净化法、生物净化法及自然净化法4类。

物理净化法是采用物理的、机械的方法对污染水体进行人工净化，其工艺设备简单、易于操作；具体包括引水稀释和底泥疏浚。然而，引水稀释只是将污染物浓度稀释，污染物依然存在，不是治本的办法。同时，引水稀释对引水水域和引入水水域又有一定的负面影响，可能会导致两水域的生态系统发生变化。底泥疏浚在城市河道整治中常被采用，结合岸边整治等一并实施，但要防止“过度疏浚”，导致破坏水生生态状态。

化学净化法通过向污染水体投加化学药剂，使药剂与污染物质发生化学反应，从而达到去除水体中污染物的目的。如治理湖泊酸化可投加生石灰，抑制藻类大量繁殖可投加杀藻剂，除磷可投加铁盐等。然而，化学净化法治理费用较高，沉积物较多，易造成二次污染。

生物净化法利用天然水体中的微生物氧化分解有机物，通过人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环境，从而可提高对污染水体有机物的降解效率。主要包含投菌法、生物膜技术和曝气充氧技术等。其中，目前复氧曝气的主要手段是使用曝气复氧船，但曝气复氧船对水体曝气覆盖面不足，造成氧利用率相对较低，持续作用不足。运行管理比较麻烦，对于较深的水体底部充氧很有限。生物膜技术只在中小河流污水治理方面发挥了一定作用，并不适合大型河流的污染治理。

自然净化法是根据仿生学原理，并通过恢复水体自净功能降解污染物质的一种方法，是一种生态、无害的治理方法，但也存在着一些严重的问题。前期施工时间与物理、化学方法相比较漫长，且见效慢。水生植物修复方法中大量的水生植死亡后如不及时清理掉易堵塞河道，植物残体腐烂后会造成更大的河流污染。

综上所述，仅使用一种水体生态修复技术治理受污染水体，处理效果有限，且每种生态修复技术均各有利弊。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种城市富营养化河道生态修复方法。本发明根据城市河道的状况，采取完善控水坝闸管理、设置拦鱼网、改造河道底型、种植水生植物、放流滤食性鱼类等水生生物修复措施，实现水生动物、水生植物、微生物的有机耦合的全生态链构造。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种城市富营养化河道生态修复方法，所述方法包括如下步骤：

S1、疏浚河道，沟通水系；在主河道，将清淤的土方堆成沿河缓坡、河心岛屿，岸坡比为1∶2.5～1∶5，从河道堤坝往河道中央依次形成浅水区和深水阔水区；

S2、在河道不同段位的拦控水闸设置拦控水位系统，使主河道内的常年水位控制在1.5～2.5米，深水阔水区水位达到3～3.5米；

S3、对所述沿河缓坡的坡面进行堆石型和插孔式混凝土块型底型改造；

S4、在河心岛屿、底型改造后的沿河缓坡构建堤岸带水生植物带，在沿堤岸带构建植物浮床生物带；

S5、在疏浚后的河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物。

优选的，步骤S3中，所述底型改造具体为在坡面近岸处采用堆石型，在坡面其余位置采用插孔式混凝土块型。

优选的，所述堆石型具体为：将由大小不同的石块组成的堆石置于土壤表面，再把植物活体切枝插入石堆间的土壤中。

优选的，所述植物为挺水植物，如如鸢尾和芦苇。

优选的，所述插孔式混凝土块型具体为：将预制的预留有孔洞的混凝土块铺设在坡面，在混凝土块之间或是预留的孔洞中填充种植基，再将植物切枝或植株扦插于混凝土块之间或是预留的孔洞中。

优选的，所述植物或植株均为挺水植物，如如鸢尾和芦苇。

优选的，步骤S4中，所述构建堤岸带水生植物带具体为：由堤岸底部自岸边，依次构建漂浮植物带、沉水植物带、挺水植物带和滨水植物带；所述沉水植物带、挺水植物带和滨水植物带是沿坡面依次构建的。

优选的，所述沉水植物选自眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、芡藻中的一种或几种，栽培密度为2～3株/平米；所述浮叶、漂浮植物选自莲、苦草、水鳖、金鱼藻、菱、芡实、狸藻中的一种或几种，栽种密度为1～2株/平米；所述挺水植物选自芋荠、蒲草、芦苇、菖蒲、西伯利亚鸢尾中的一种或几种，栽培密度为2～3株/平米。

优选的，步骤S4中，所述构建植物浮床生物带具体为：在深水阔水区打桩固定浮床，在浮床上种植水生植物。

优选的，步骤S4中还包括在部分常水位的支河道，在清淤整理后的河道浅水区种植浮叶水生植物，构建景观区。

优选的，步骤S4中还包括沿主河道的浅水区至深水阔水区，依次种植挺水植物、沉水植物和浮水植物，形成挺水植物带、沉水植物带和浮水植物带。

优选的，步骤S5中，在疏浚后的泄洪河道放流滤杂食性贝类动物，在疏浚后的主河道和支河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过基于水系、生态种养综合措施有效改善河道水质和水域生态环境，以生态修复区面积20000平米为例，每年转移总氮360吨，总磷4.8吨，COD540吨，实现了河道的净化美化。

2、采用本发明的修复方法，河道水质从IV～V类提高到III类以上水质，水域生物多样性增加2倍以上，河道的调蓄水、泄洪能力更加畅顺，水系的补充地下水、固碳释氧、调节气候、水源涵养等功能得到进一步提高；河道的城市景观功能得到充分体现。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为城市富营养化河道生态修复方法的流程示意图；

图2为堤岸边坡形态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施涉及针对河道水域的水质现状及周边环境影响因子以及所处的特殊位置和管理难度，对河道采取“水生动物修复与水生植物修复相结合”的水生生物净化修复工程，总体思路如图1所示，通过完善控水坝闸管理，保持河道水位，增加河道面积和水容积；通过河道底型塑造，疏通河道，保证泄洪和满足不同水生植物生长需要；通过种植水生植物，增加水域生物净化能力，改善水域生态环境；通过增殖水生动物(放流鱼类等)保持水域生态稳定。通过以上措施有效改善河道水质和水域生态环境。具体修复方法如下：

1、完善拦控水闸管理，设置拦鱼网

与水利部门协调，完善河道不同段位的拦控水闸(滚水坝)管理系统，建立协调管理机制，根据泄洪和生物修复需要，制定拦控水闸控制规则，做到即保证泄洪需要又满足水域生态要求，通过拦控水位实现河道的生态功能。使主要河道内的常年水位控制在1.8米左右，局部水位达到3米，满足河道水域生态和景观功能需要。

为了防止水域鱼类逃逸，可在主干水域水闸前面建设1～2道拦鱼网。拦鱼网框架为水泥柱桩或钢架结构，网片为3～5cm网目的多股聚乙烯网片。在急水流水道或设置防鱼电栅，便于排洪期防止鱼类逃逸。

2、疏浚河道，沟通水系，构建底形

为了构造一个完整的河道水域生态系统，必须对河道进行疏浚清淤，通过贯通河道、清理淤积，保证河道的泄洪功能；鉴于，目前各河段之间不贯通，河道本身淤塞严重，水流不畅等问题。需首先开展疏浚河道、沟通水系等工程，结合不同河段的地形特征，构造出一个相互贯通，水流通畅的水系。

在泄洪河道：对河道内的淤泥进行清理，并与上下游水系相连，使河道各河段畅通，提高泄洪能力。

在主河道，将清淤的土方堆成沿河缓坡(即驳岸带)、河心岛屿等，岸坡比在1∶2.5至1∶5之间，形成河漫滩湿地、草本沼泽湿地等不同类型的水域。从河道堤坝往河道中央依次形成浅水区和深水阔水区，种植不同类型的水生植物，形成挺水植物带、沉水植物带和浮水植物带。

在支河道：通过清淤整理，加深排水沟道，增加浅水区域，以便于种植水生植物，形成可种植莲藕等水生植物的景观区，提高水域生境多样性；也可以在一些河段内构造水中高地，种植具有生态价值和经济价值的植物。

3、构建生态岛屿和坡岸

生态岛屿和堤岸是指模仿自然岸线的生态修复系统。具有的“可渗透性”特点，有一定的抗干扰和自我修复的能力，能够满足生物生活习性的自然型坡面。生态堤岸因植物的生长而得到绿化、美化，并能在堤岸的水中形成植物根系，为微生物和小动物的生存以及鱼类的繁殖提供良好的生存环境。在坡面种植挺水、浮水等植物，在沿河岸水路界面陆地一侧建立起生态保护带，经物理、化学、生物的综合作用过滤营养物，可以起到净化水质、保存生物多样性的作用，同时亦有助于改善特有的生态景观。

根据河道底型特点，选用“刚柔结合型“生态岛屿和坡面，适合流水冲刷，和相对开阔的河道。坡面底型按照以下两种类型做适当的改造。①堆石型：种植植物的堆石，将由大小不同的石块组成的堆石置于与水接触的土壤表面，再把活体切枝插入石堆中使斜坡更加稳定，根系可提高强度，植被可遮盖石块，使堤岸外貌更加自然。②插孔式混凝土块型：与植物结合使用的插孔式混凝土块，将预制的混凝土块以连锁的形式置于岸底的浅渠中，再将植物切枝或植株扦插于混凝土块之间和堤岸上部，其上覆土压实，再播种草本植物。

消落带部分，考虑抗冲刷性能及水浪可能带走种植基等因素，采用一次性铺砌多孔生态混凝土构件，在此构件预留的孔洞中填充种植基(此种植基为干粉土、腐殖质、保水剂及长效肥的混合)，然后栽植湿生植物。

具体堤岸边坡形态示意图如图2所示，构建生态堤岸的材料类型如表1所示：

表1生态堤岸常用材料类型

4、恢复水生植物，净化水体

对河道水域实施全面的水生生物净化修复工程。

在主河道区域，在清淤疏浚后的坡岸、岛屿构建堤岸带水生植物带。在部分阔水区域设置水草床、生物浮岛等。在沿堤岸带构建植物浮床生物带，通过水生植物降低河道水体及底泥中氮、磷的浓度，同时作为鱼类产卵繁殖的场所，以及生长的栖息地，逐步形成结构完整的河道水域生态系统。

在部分常水位的支河道，在清淤整理后的河道浅水区种植莲藕等水生植物，构建景观区。

在河道下游构建大面积的沼泽型湿地，对城市污水处理厂排放的中水等进行净化处理，使达到中水回用或达标排放的要求。具体可采取分段处理的方式，在湿地区前段构建以植物修复净化为核心的植物净化区，在湿地后段构建以植物、动物为核心的复合生物净化区。

(1)配置原则

水生植物配置应以本地水生或湿生植物为主，遵循“适地适树“原则。植物配置满足植物的多样性要求。地被、低矮灌丛与高大树木的搭配组合应符合水滨自然植被群落的结构。选择具有较高强度的低矮丛生灌木，所选用植物能易生速成，利于固坡。

(2)植物选择

为构建完整的适应河道水陆梯度变化的近自然的植物群落，体现水生植物、湿生植物和中生植物分布的连续变化过程，提高水岸结构的稳定性和群落的多样性，保存和利用原生的自然植被。

①沉水植物：主要有眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、苦草(菹草、黑藻、芡藻群落)，栽培密度为2～3株/平米。

②浮叶、漂浮植物：主要有莲、苦草、水鳖、金鱼藻、菱、芡实、狸藻等，栽种密度为1-2株/平米。

③挺水植物：主要品种有芋荠、蒲草、芦苇、菖蒲、西伯利亚鸢尾等，栽培密度为2-3株/平米。

5、增殖水生动物，保持水域生态稳定

在泄洪渠道：放流螺蛳等贝类动物，净化水体。

在支流水域：放流鲢鱼、鳙鱼、螺蛳、青虾等滤杂食性鱼类和贝类、虾类等动物，滤食藻类，摄食碎屑、净化水体。

在下游水域：放流鲢鱼、鳙鱼等鱼类以及螺蛳、青虾等。通过放流增殖鱼类在河道水域形成稳定的鱼类种群，达到“放鱼养水”目的。

采用本发明的城市富营养化河道生态修复方法对城市富营养化河道进行生态修复，获得了优良的生态效益，具体包括净化水质、调蓄水、补充地下水、固碳释氧、调节大气成分、调节气候、增加生物多样性等：

(1)净化水质

①水生动物净化：据测算，花鲢或者白鲢每增长1公斤体重就能“消灭”40公斤到50公斤藻类。一条50克左右的鲢鱼苗在水体中长到1.5公斤左右，就要被捕捞上岸，由此推算，从放流鱼苗到捕捞上岸，一条鲢鱼一共能吃掉60公斤左右的藻类。一些研究还表明，每立方米水中投放50g左右鲢鱼，对藻类的滤食作用的效果较好，当鲢鱼长到3公斤以上，其净化水质的功能将逐步下降。若投放1万尾鱼苗，回捕率为30％，养殖周期为3年，平均起水尾重为2公斤，鱼体内总氮和总磷的含量分别为11.6mg/g和1.80mg/g，相当于总氮的消减量为232kg，总磷的消减量为36kg。

以河道水域(I～III期26公顷水面)每年可收获滤食性鱼类20000公斤估算，每年可以从水体中转移约800吨的藻类。以每年收获杂食性鱼类10000公斤来估算，每年可以从水体中转移约400吨的有机物。

②底栖动物净化：底栖动物螺蛳、贝类等能通过食物链摄食藻类、有机碎屑等，从而间接吸收氮磷等营养物质。据文献资料，湖泊水域中大型底栖动物对氮的去除能力在每天12～331mg/m²，对磷的去除能力为每天1.9～52.9mg/m²。按照河道生物修复区20000平米水面计算，修复后底栖动物每年可从底泥中吸收转化氮、磷总量可达每年876～2416kg和13.8～386kg。水生动物生长及收获对氮磷的净化量的情况见表2。

表2水生动物生长及收获对氮磷的净化量

③水生植物净化：研究资料表明，水生植物的总氮和总磷含量范围分别为2.5～21.4mg/g和1.3～5.1mg/g，相比较而言，总氮含量沉水植物要高于挺水植物和浮水浮叶植物，总磷则反之，从生态效益的角度估算分析，一般取平均值分别为：总氮含量为15.7mg/g，总磷为3.3mg/g。按照前面的设计的生态修复方案，水生生物每年的总生长量估算为453900kg(干重)，采用多次收割的方式，且只收个地上部分，每年收割的水生植物量约为226950kg(干重)，相当于总氮的消减量为3564kg，总磷的消减量为751kg(表3)。

表3水生植物生长及收获对氮磷的净化量

④水流净化：河道生态修复后水域的生产力主要来自初级生产力和外来水体带入的营养盐以及有机质等。以目前的水质测量结果平均值为标准，出水为II类水计算可能的单位水体营养盐截流量，生态修复区面积20000平米，经过一系列的物理、生物措施修复后，生态修复区内氮、磷、COD指标可以下降50％以上，物种丰度提高30％以上，透明度提高到90cm以上，并能实现水体全年保持III类水质，且通过生态修复工程的多年稳定运行，水质达到II类水质，根据窑头闸总径流量为2332万方估算，共计去除总氮360吨、总磷4.8吨、COD540吨。

(2)调蓄水

河道水生生物修复后，可以在雨季蓄积雨水、地表水，发挥蓄水功能。在旱季，也可发挥供水灌溉功能。河道水生生物修复区现有20万平方米的河道水面，按平均水深1.5米，蓄水量超过30万立方米，蓄水功能更强。

(3)补充地下水

河道内蓄积的雨水和地表水渗透到地下，可以补充地下水源，因此，河道补充地下水的功能日显重要。目前，我国大部分地区地下水开采透支，造成地面下降，河道干枯，河道生态修复区修建完工后，将收集大量的地表水，这些地表下可以渗透到地下，补充地下水资源。

(4)固碳释氧

水生植物具有固碳释氧的功能，河道生态修复区约4000米长的河道，两侧的水生植物带约20米宽，水生植物总面积约8万平方米，据研究结果显示，水生植物日固碳量约为10g/m²，日释氧量约为8g/m²，8万m²的水生植物每天固碳量约800kg，释氧量约为640kg。

(5)调节大气成分

目前，我国国内的空气环境中的PM2.5严重超标，绝大部分城市在秋冬季节出现雾霾。河道生态系统中，有一定量的水体和水生植物组成，水体和水生植物都具有降尘效果，可以有效降低该区域内的PM2.5。

(6)调节气候

河道生态修复区目前现状为一条断流的河道，河道内蓄水量低。生态修复后，河道内水体容量大大增加，从而使得水面上方的空气中湿度显著提升，有利于改善该地区的气候环境。

(7)增加生物多样性

水生植物修复和水生动物修复后，河道生态修复区生物多样性显著提高，此外，水生植物生长后，还会引入一些鸟类，两栖类，爬行类动物，河道生态系统逐渐具备湿地生态系统的功能。

通过种植水生植物和放养水生动物后，使河道内物种多样性，物种从逐渐从不平衡的生物量关系发展到平衡的生物量关系，从而发展成一个自然种群，最后形成一个自然群落。

Claims (9)

1.一种城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、疏浚河道，沟通水系；在主河道，将清淤的土方堆成沿河缓坡、河心岛屿，岸坡比为1:2.5～1:5，从河道堤坝往河道中央依次形成浅水区和深水阔水区；

S2、在河道不同段位的拦控水闸设置拦控水位系统，使主河道内的常年水位控制在1.5～2.5米，深水阔水区水位达到3～3.5米；

S3、对所述沿河缓坡的坡面进行堆石型和插孔式混凝土块型底型改造；

S4、在河心岛屿、底型改造后的沿河缓坡构建堤岸带水生植物带，沿堤岸带构建植物浮床生物带；

S5、在疏浚后的河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物；

所述构建堤岸带水生植物带具体为：由堤岸底部自岸边，依次构建漂浮植物带、沉水植物带、挺水植物带和滨水植物带；所述沉水植物带、挺水植物带和滨水植物带是沿坡面依次构建的。

2.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，步骤S3中，所述底型改造具体为在坡面近岸处采用堆石型，在坡面其余位置采用插孔式混凝土块型。

3.如权利要求2所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，所述堆石型具体为：将由大小不同的石块组成的堆石置于土壤表面，再把植物活体切枝插入石堆间的土壤中。

4.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，所述插孔式混凝土块型具体为：将预制的预留有孔洞的混凝土块铺设在坡面，在混凝土块之间或是预留的孔洞中填充种植基，再将植物切枝或植株扦插于混凝土块之间或是预留的孔洞中。

5.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，所述沉水植物选自眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、芡藻中的一种或几种，栽培密度为2～3株/平米；所述漂浮植物选自莲、水鳖、菱、芡实、狸藻中的一种或几种，栽种密度为1～2株/平米；所述挺水植物选自芋荠、蒲草、芦苇、菖蒲、西伯利亚鸢尾中的一种或几种，栽培密度为2～3株/平米。

6.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，步骤S4中，所述构建植物浮床生物带具体为：在深水阔水区打桩固定浮床，在浮床上种植水生植物。

7.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，步骤S4中还包括在部分常水位的支河道，在清淤整理后的河道浅水区种植浮叶水生植物，构建景观区。

8.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，步骤S4中还包括沿主河道的浅水区至深水阔水区，依次种植挺水植物、沉水植物和浮水植物，形成挺水植物带、沉水植物带和浮水植物带。

9.如权利要求1所述的城市富营养化河道生态修复方法，其特征在于，步骤S5中，在疏浚后的泄洪河道放流滤杂食性贝类动物，在疏浚后的主河道和支河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物。