基于幸福河湖目标的城市河道生态修复技术研究_丁源.pdf

年第 期水利规划与设计水文水资源：.基于幸福河湖目标的城市河道生态修复技术研究丁 源，姜翠玲（.，；.河海大学，江苏 南京）摘要：城市河道普遍存在着水体污染、生态退化的现象，开展城市河道生态修复，是实现幸福河湖目标的关键举措。文章在归纳总结国内外城市河道面临的问题、生态修复采取的对策措施和取得的成功经验基础上，详细论述了用于城市河道生态修复的物理、化学和生物学方法及作用机理，分析了以幸福河湖建设为目标的城市河道生态修复技术和方法的复合型和综合型特征，并对未来城市河道生态修复的发展方向和技术要求进行了评述。关键词：城市河道；生态修复；幸福河湖；水生态系统；集成技术中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；长江勘测规划设计研究院开放创新基金项目（）作者简介：丁 源（年），女，硕士研究生。：.通讯作者：姜翠玲（年），女，教授。：.城市河道是保障城市安全和社会经济发展的重要支撑，也是构成城市生态系统和景观的主要组成部分，承担着防洪排涝、调蓄水源、纳污净化、通航水运、景观文化、休闲娱乐等多种功能。随着城市的发展和扩张，大量河道被人工改造，如裁弯取直、两岸硬化、近岸开发、闸泵调控、覆盖填埋等，阻断了河流上、中、下游之间的纵向连通性，割裂了水、陆 个生态系统间的横向联系，降低了河道的自净能力，加上城市点源和非点源污染物的排放，造成城市河道水质差，生物多样性低，黑臭河道多。随着河长制实施和水生态文明建设的不断推进，城市河道整治的思路也逐步由一般的水利建设和水质提升向“舒适、优美、休闲、文化”等综合治理生态工程转化。打造幸福河湖成为未来河道和湖泊治理的主要目标，这是新时代的一个新概念、新方向和新要求。幸福河湖是指能够维持自身健康，生态结构完好，支撑流域经济社会高质量发展，体现人水和谐，让流域内人民具有安全感、获得感与满意度的河流和湖泊。自 年以来，我国很多省、市、县、区制定了幸福河湖的评价指标体系，虽然不同区域，制定的评价指标有差别，但基本上都要求达到生态功能良好、水质环境优良这样的目标，因此，水生态修复是幸福河湖建设的重要内容，也是优美水景观的基础保障。城市河道由于人工化程度高，针对城市河道的生态修复技术及维持生态系统的稳定是最具挑战性的。满足幸福河的生态修复目标除了使城市河道水质优良、安全畅通、生态健康以外，更强调河流生态保护与人类社会对河流需求总体上的一种平衡，即实现人水和谐。国内外河道生态修复研究进展生态修复是协助已遭受退化、损伤或破坏的生态系统恢复的过程。生态修复成功的核心标准是河道生态系统能自我维持，对外部干扰具有更强的抵抗和恢复能力，以便只需要最低限度的后期维护。城市河道不同于其他地区（如乡村或自然区域等）的河道，在修复目标、评价与策略等方面具有一定的特殊性。城市河道修复所面临的实际挑战是，如何在人工化的空间和局限的建成环境下恢复河道的动力过程、自净能力和生态系统。国外在水生态修复理论和技术研究方面开始的较早，目标是改善水质和水动力条件、创造有利于鱼类生存繁殖的生态环境、提高绿化水平。年由德国 提出的“近自然河溪治理概念”，被认为是河流生态修复的开端。年，德国的 在莱茵河利用芦苇和柳树进行了生态护岸试验。此后，河流生态修复技术在欧美、日本等发达国家相继展开，提出了诸如水文水资源水利规划与设计 年第 期多自然型河流、生态工法、生态堤岸、自然河道设计等理念，并将其应用在莱茵河、密西西比河、基西米河、坂川河等河流的整体生态修复中。国外的生态修复主要从整条河流或流域出发，对河道实施修复和保护措施，关注的重点是河道的自然蜿蜒形态、鱼类等生物栖息地的保护、污染治理等方面，通常在实践的过程中同步开展理论研究，并在一些河道实施了修复后的跟踪监测和效果后评估。虽然在欧美等发达国家已有大量有关河道生态修复的研究和成功案例，但专门针对城市河道的生态修复仅占很小的比例。由于城市河道大多都为裁弯取直、混凝土硬质化的人工河道，修复的空间较为有限，并且征地难度大、成本高，导致大部分的修复项目呈现小尺度、片段化的空间特征，采取的措施主要包括截污、岸坡改造、滨岸带绿化等技术。我国河道生态修复技术起步较晚，自上世纪末开展了生态流量、生态修复、生态工程等的理论研究和初步实践，在本世纪初，生态修复在一些大型以及污染重的河湖陆续开展，主要目的是改善水质，增加生物多样性。随着生态文明建设和河湖长制的实施，生态修复成为河湖治理的主要任务，由此，在全国各大城市广泛开展了河湖水环境保护和水生态修复，并因地制宜地落实“一河一策”“一湖一策”的战略任务。随着生态河湖、健康河湖、幸福河湖的建设，以及评价指标体系的形成，对城市河道的生态修复提出了越来越高的要求。城市河道生态修复技术分析纵观国内外实施的河道生态修复技术，从性质上可以划分为物理修复、化学修复和生物修复 大技术类型。.物理修复技术采取如人工增氧、底泥疏浚、调水稀释等措施改善河道的水文条件和底质环境。（）人工增氧。城市河道由于污染严重、自净能力差，往往存在溶解氧（）浓度低、还原性物质如氨氮（）、硫化氢（）等污染物浓度高等现象，特别是流动缓慢的河道和黑臭水体，容易出现缺氧现象，严重影响水生动、植物的生存，因此，曝气是增加水中溶解氧，促进污染物好氧分解的重要措施。对城市流动和交换缓慢的水体，曝气还能改善水动力条件，防治水体的富营养化和蓝藻水华的暴发。城市河道常用的人工增氧技术有微孔曝气、推流曝气、喷泉曝气、纳米曝气、臭氧曝气、跌水曝气等多种方法。（）底泥清淤。底泥是河道的内污染源，水质差的水体有大量污染物质累积在底泥中，包括营养盐、难降解的有毒有害有机质、重金属离子等。受扰动和环境因子变化的影响，底泥中的污染物质很容易释放进入水体中，导致水体浑浊、水质恶化、藻类繁殖。城市河道清淤能够快速去除受污染的底泥，改善水环境，是修复河道的一项有效措施。清淤技术主要包括工程清淤、环保清淤和生态清淤等技术，清淤设备大体上可分为耙吸式、绞吸式、链斗式、抓斗式和铲斗式挖泥船等，环保和生态清淤技术常选用绞吸式清淤设备。（）调水及补水。调水及补水可以起到加快水体流动、提高自净能力、缩短换水周期的功能，实现“以动治静、改善水质”的目标。如 年开始实施的南京玄武湖及市区内河引水补水工程。该工程引长江水和南京化纤股份有限公司处理后的景观用水至玄武湖，年度补水量达 万 万，经玄武湖调蓄后补给市区内河，显著改善了玄武湖和内河的水质，结合其他的生态修复工程，使玄武湖由重度富营养化湖泊转为轻度富营养化水平。.化学修复技术通过投加化学试剂，去除或抑制水体中的污染物，如向河道中投入絮凝剂、除藻剂、锁磷剂等处理药剂与污染物发生化学反应从而去除水体中的污染成分。（）絮凝剂。絮凝沉淀和絮凝过滤是降低水体悬浮物质、胶体物质、有机质、磷等污染物，增加透明度的一种有效措施。絮凝剂如（聚合氯化铝）、（聚丙烯酰胺）在国内外广泛应用于饮用水、工业用水和污水处理领域，近几年也开始应用于城市河道水质净化，具有絮凝沉淀速度快、适用范围广、净水效果明显等优点。由于待处理水体通常是一种复杂、稳定的分散体系，单一的絮凝剂往往无法满足处理的需要，复合絮凝剂的应用是一种必然的趋势。絮凝沉降的污染物可以通过过滤从水体中清除，如超磁分离技术、絮凝沉淀技术等。（）除藻剂。化学除藻主要是通过投加化学药剂，阻碍藻类生长繁殖，达到除藻的目的。化学除 年第 期水利规划与设计水文水资源藻剂可分为氧化性除藻剂，如臭氧、氯气、二氧化氯、过氧化氢、高锰酸钾等；非氧化型化学除藻剂包括硫酸铜、有机溴、表面活性剂等无机和有机化学药剂。化学除藻剂可快速、高效、彻底地杀死藻细胞，但其副作用明显，易产生二次污染，对水生态系统带来不利影响。（）锁磷剂。磷是水体富营养化的主要限制因子，由于磷的迁移性能比较差，外源输入的磷进入水体以后，主要沉降在底泥中。因此，控制内源磷的释放是修复富营养化水体的关键。改性黏土矿物材料因成本低、改善水质效果好而经常被用于控制内源磷的释放，常用的固磷吸附剂有镧改性的沸石，铝改性的凹凸棒石，由铁、钙、锆改性的其他矿物磷吸附剂等，这些磷吸附剂的添加可将水体活性磷转变为更惰性的稳定磷，从而抑制磷的释放。目前常用的锁磷剂是一种由镧改性的吸附材料，其作用原理是基质中的离子与磷酸根反应，产生稳定的难溶于水的沉淀，使底泥沉积的磷难以释放。锁磷剂目前已经成为河道内源磷控制最常用的材料之一，在全球超过 多水体中得到了应用。.生物修复技术生物修复技术是利用水生动植物、微生物等降解、转化、吸收水体和底泥中的污染物。包括栽种水生植物、放养水生动物、添加微生物制剂、生态砾石床等技术。（）水生植物。城市河道水生态修复主要利用挺水植物、浮叶植物、沉水植物等大型维管植物。挺水植物是城市河道的主要植被类型，主要布置在滨岸的浅水区域，适宜生长的水深一般在 以内。由于其根系发达，在生长过程中能直接从水和底泥中吸收氮、磷等营养物质，对水体的净化作用很大，并能给许多其他生物提供生境，增加生态系统的多样性和稳定性。挺水植物也有改善城市河道滨岸带水景观的效果，常用的景观挺水植物有：美人蕉、再力、花叶芦竹、风车草、梭鱼草、黄菖蒲等。浮叶植物除了可以增加水生态系统的自净能力，控制浮游植物的发展以外，许多种类还是价值较高的观赏植物，如不同叶态和花色的睡莲、荇菜、水鳖、萍蓬草等。沉水植物是浅水河湖生态系统的主要初级生产者，对水体中的氮、磷等污染物有较高的净化能力，可固定沉积物、提高水体透明度、降低内源污染负荷，为水生动物提供食物和避难场所，增强生态系统的自净能力和稳定性。城市河道生态修复常用的沉水植物有：矮型苦草、轮叶黑藻、菹草、狐尾藻等。（）水生动物。在城市河道中，生态修复放养的水生动物主要为底栖生物和鱼类。底栖类如螺、蚌、河蚬等，以水中的藻类、细菌、原生动物、微型后生动物以及有机碎屑等为食，能净化水质，改善透明度。鱼类主要是滤食性的鲢鱼和鳙鱼，通过直接滤食浮游生物防止藻类的爆发，并从水体中带走氮、磷等营养物质，有利于减轻水体污染，防止水体富营养化。（）微生物制剂。微生物制剂是由多种微生物与基质共存的生物复合体，一般由光合细菌、放线菌、醋酸杆菌、酵母菌等类型的多种微生物菌群组合而成，或通过基因组合的方法制备出高效的微生物制剂，也可将多种具有不同降解功能和具有共生或互生关系的微生物以适当的比例进行混合培养，对受污染水体进行处理，达到降解有机物、脱氮除磷、改善水质的目的。微生物制剂具有使用方便、经济安全等特点，常用于污染严重的黑臭水体、富营养化水体的净化治理。（）生态砾石床。实际为一种生物膜法，污染水体进入砾石床，砾石表面会附着各种微生物，形成一层生物膜，有的微生物能分泌粘性物质，使生物膜具有较好的吸附作用，能截留污水中的颗粒态物质、去除水体中的悬浮物（）、同时还能降解有机污染物。生物膜表层为好氧，随着厚度的增加，内部为厌氧状态，通过好氧和厌氧过程，水中的污染物被不同类型的微生物分解去除。该方法具有结构简单、投资省、水质净化效果好、没有二次污染等优点。（）生态浮床或浮岛技术。对城市内河，直立硬化的岸坡难以种植水生植物，可以在河道中采用浮床或浮岛技术。生态浮床或浮岛是一种生长有水生植物或陆生植物的漂浮结构，利用位于水面以下的植物根部吸附、降解、吸收水体中的污染物，悬浮在漂浮材料下的根部也是水体微生物的附着场所，大量微生物能够分泌不同的酶，促进水体中有机物的分解。生态浮床或浮岛由于漂浮在水面，水生植物的生长不受水深、透明度、硬化坡岸的影响，是人工化河道、黑臭水体生态修复的关键技术之一，浮床和浮岛上也具有打造水体景观、为生物提供繁殖生长空间等功能。常用于浮床或浮岛水文水资源水利规划与设计 年第 期的植物包括美人蕉、黄菖蒲、狐尾藻、风车草、金钱草、水蕹菜等。（）生态绳或人工水草挂膜技术。该技术利用悬挂或插栽在水体中的人工绳索或人工水草作为载体，吸附水体中的微生物，在其巨大表面上形成生物膜，从而增加微生物与污染物的接触面积，吸附并降解污染物。一些硬质化的直立岸坡可采用植被披挂技术，如在岸边种植披挂植物黄馨，在生长过程中