浅谈河流生态修复技术

浅谈河流生态修复技术

摘要:随着我国城镇人口的增加、农业耕作方式的改变和经济社会的快速发展,致使河流水体污染日趋严重,河流生态系统日益退化, 在加剧水资源短缺矛盾的同时严重危害了人们的身体健康。 生态修复技术由于具有安全、经济、实用、可持续利用等诸多优点而成为受污河流治理的主要技术手段。 该文简要阐述了影响河流水质的主要因素, 从河流生态修复的基本理念出发, 对近年来科学研究和实践工程运用较为成熟的各种生态修复技术进行了总结。

关键字:河流;生态修复;水污染

1 影响河流水质的主要因素

1.1 工业废水污染工业废水是指各类工业企业在生产过程中产生的废水、污水和废液的总称,其中含有随水流失的工业生产原料、中间产物和副产物以及产品。由于工业生产对水源的需要,因此河流沿线是工业企业的主要集中区域。主要大量工业废水未经达标处理而直接排放入河流水体,导致自然水体污染。工业废水的种类因行业类型不同而有较大差异,但是工业废水一般都具有污染物浓度高、含盐量高、有机有毒物质含量高等特征,进入自然水体后难以自然净化,并具有明显的环境累积效应,集中排放容易导致突发性水污染事故,对河流水环境的威胁很大。

1.2 生活污水污染随着人口的增多以及城市化进程的不断加快,越来越多的人口聚集于城镇 ,人民生活水平的提高导致城市用水量和排水量不断增加, 河流水体污染现象日益严重。 2009年 ,全国废水排放总量为 589.2亿 t, 其中生活污水排放量为 354.8 亿 t, 占废水排放总量的 60.22%。生活污水具有水量大、含有较高浓度的氮磷营养物质、大量的营养盐、细菌、病毒等特点, 给水体环境造成很大的冲击。

1.3 面源污染面源污染是指污染物从非特定的地点、在降雨或融雪冲刷作用下 ,通过径流过程而汇入受纳水体 (包括河流、湖泊、水库、海湾等 )并造成水体的富营养化或其他形式的污染。近年来 , 以农业生产施用农药化肥为主的非点源污染已经成为河流的主要污染源。大量化肥、农药随地表径流流失, 大大加快水体富营养化进程, 致使水质变坏 ,生态系统退化 ,污染饮用水源, 加剧水资源危机, 危害人体健康。

1.4 河流特性改变与上述污染物进入河流水体引起水环境污染不同,河流特性的人为改变是加剧水环境污染的内在因素。为了加强防洪安全并追求经济利益 ,人们兴建了大量的水利水电工程设施 ,对自然河道进行大规模的裁弯取直, 对河滩湿地进行硬化改造, 改变了河流的地貌学特征, 使自然河流管道化和非连续化 , 破坏了自然河流的生态系统 ,许多生物赖以生存的自然特征消失, 降低了河流水环境承载力 ,加剧了水污染。

2 河流生态修复理念

河道修复是指使用工程的、生态的或是综合的措施, 使河流恢复因人类活动的干扰而丧失或退化的全部或部分自然功能。美国土木工程师协会将河流生态修复定义为一种促使河流系统恢复到具有可持续特征的较为自然状态,并可提高生态系统价值和生物多样性的环境保护行动。河流生态修复的目的是恢复已受损河流生态系统的结构与功能,使之达到一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定并可以自我调节的河流系统。

基于以上理念 , 20世纪 80 年代德国、瑞士等国提出了 “重新自然化 ”概念, 将河流修复到接近自然的程度, 英国在修复河流时强调 “近自然化 ”时 ,同时优先考虑河流的生态功能。在工程实践方面 , 美国开展了Kissimmee河、Mississippi河以及 Missouri河均开展了河流生态修复工程;欧洲实施了“莱茵河行动计划 ”, 并在此基础上制定了“莱茵河 2020计划”。近年来, 国内对河道生态修复与功能重建的技术研发和实践都受到前所未有的重视 ,众多受污河道不同程度地开展了生态整治, 并且有一批技术在实践中诞生。

3 河道生态修复技术

河流生态系统包括河水环境、水岸交换区环境和河岸区环境 3部分,是一个相对复杂的综合型生态系统 , 污水进入河道将对 3个部分均产生影响, 因此, 河道生态修复不仅仅是针对某一个部分的修复 ,而是针对不同部分采取不同的技术措施进行系统化、综合化治理。

3.1 生态调水生态调水是通过水利设施(闸门、泵站等 )的调控将清洁的水源引入污染水域,使其冲刷、稀释污染水域, 以改善水环境质量。该方法主要是通过调引清洁的新鲜水源稀释受污河道水质 ,使受污河道污染物浓度得以降低,一般在受污河道水源不足或短期水质难以改善的情况下被作为应急处理。目前开展了引江济太、引江济巢、引黄济津济淀等一系列生态调水工程,然而此方法只是调水稀释受污河道污染物浓度, 并未从根源上削减污染物总量 ,而且长期调水可能会导致其他流域水资源紧张的局面。因此, 治理河道污染必须从根源上削减污染物,恢复河流的自净功能,保持河道生态系统的稳定。

3.2 曝气复氧

河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标 ,当水体中有机污染物含量太多 ,水体的溶解氧将会逐渐被消耗乃至殆尽 ,当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态 ,有机物的分解就从有氧分解转为厌氧分解生成 H2 S、NH3 和 FeS等致黑致臭物质引起自然水体发生黑臭现象。水体的缺氧环境以及厌氧分解产物会导致水生生物大量死亡,使得水生态系统遭受严重破坏, 最终导致河流生态系统自净能力的丧失。曝气生态净化系统是以水生生物为主体,辅以适当的人工曝气, 建立的人工模拟生态处理系统 ,以高效降解水体中的污染负荷、改善或净化水质, 恢复水生态的一种污水处理工艺 ,是人工净化与天然生态净化相结合的工艺, 它是在曝气生物塘和人工湿地基础上发展起来的一种污水净化与资源化相结合的技术。河水复氧的途径有大气复氧、水生植物光合作用产氧以及人工造流曝气充氧。当河道污染较为严重时,前两种自然复氧状态无法满足污染物分解对溶解氧的需求 ,因此 ,需要进行人工强化曝气来弥补水体溶解氧的不足。人工曝气复氧能保证水体的好氧环境 , 提高水体中好氧微生物的活性, 可达到消除黑臭,减少污染负荷,维持生态净化系统的结构稳定和最大净化功能 ,促进水生态系统的恢复等目的。国内外采用的人工曝气复氧技术主要有纯氧增氧系统、鼓风机———微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器和水下射流曝气设备。

3.3 水生植物修复河道生态修复是通过一系列的工程措施将水体中的污染物质分解并转移出去 ,使河流生态系统处于一个稳定良性循环状态 ,并恢复其原有的自净功能的一项综合性河道整治技术。近年来 ,水生植物修复技术已成为河道生态修复的研究重点之一。水生植物对水体营养物质具有吸收分解作用 ,对重金属等污染物质具有一定的吸附净化作用, 同时水生植物的光合作用能够增加水体中溶解氧并能改善生态景观。水生植物修复技术具有经济性好、能源消耗少、管理费用低、可持续发挥治污作用等优势, 在众多受污河道整治中已有较多的应用,并成为治理富营养化水体的主要技术措施之一。目前该类技术研究与应用较为成熟的主要有水生植物控制技术、人工浮床技术、人工湿地技术、生物操纵技术等。然而该技术的处理效果受气温影响较大, 同时, 在部分地区不恰当地种植某些水生植物会造成植物过度繁殖而覆盖水面,不仅阻碍河道行洪以及航运安全, 而且引发新的生态灾害。因此 ,在恢复水生态环境过程中 , 应充分考虑水生植物与环境的协同作用 ,根据环境条件和群落特性,合理配置水生植物群落 ,形成稳定可持续利用的生态系统。

3.4 底泥疏浚来自于河流与湖库底部沉积物释放的内源污染物质是造成水体污染的主要因素之一。氮和磷元素是水生生态系统中重要的营养限制因子,来自于内源释放的氮磷营养物质对上覆水营养物质的贡献率可以达到甚至超过外源污染的贡献率。因此,即使在外源污染得到较好控制时,河流水体中营养物质仍然处于较高水平,致使水体富营养化问题难以得到彻底解决。底泥疏浚可以将富含污染物的底泥从水体中永久性去除, 能够控制内源污染物的释放或减少污染物生物有效性, 因而被认为是河道湖库治理中的重要工程措施而被广泛应用。在外源氮磷营养物质得到有效控制的前提下,底泥疏浚是控制内源氮磷负荷有效的技术手段。底泥疏浚技术控制内源污染释放,修复水生生态系统在我国太湖、西湖以及广州等地均有实际应用 ,并取得了宝贵的实践经验。然而底泥疏浚后新生表

层沉积物的物理、化学和生物性质与疏浚前表层沉积物均发生了根本性变化, 改变沉积物中微生物群落组成,导致微生物群落功能多样性降低,从而对沉积物中生源要素的循环产生影响。

3.5 河道特性改善为了确保河道防洪以及航运安全, 河流整治工程往往将一些河段裁弯取直或直线化处理, 蜿蜒曲折的天然河流被改造成直线或折线型的人工河流,失去了弯道与河滩相间、急流与缓流交替的格局,对流速、水深和水温有不同习性的水生动物失去了原有的栖息地条件,河流廊道的植被也受到单一化影响;为了河道堤防与边坡安全,河床边坡的迎水面常常被硬质化,因此隔断了地表水和地下水的联系通道, 使大量水陆交错带的植物失去生存条件,同时影响岸坡内的土壤大量微生物的生存。因此,恢复河道自然特性可以恢复水陆交错带的植被,并为水生生物提供栖息地 ,以提高河流的自净能力,是改善水生生态系统的重要工程措施。在河道治理工程中, 除了满足防洪、供水以及航运等传统水利功能外 ,还需考虑使河流更为接近自然状态 ,完善河流生态系统应有的结构和功能 ,并使河流满足人们的美观需求。目前河道特性改善方法主要有恢复河流平面形态、恢复河流断面多样性、恢复自然湿地以及生态护岸工程等。

4结语

随着近代社会的快速发展,人类活动的过度干扰以及对河流的不合理开发使自然水体产生了一系列的生态环境方面的问题 ,并且在部分流域日趋严重。随着研究工作的不断深入和治理工作的不断展开 ,生态修复理念贯穿于整个工作之中 ,生态修复技术随着研究和实践工程的深入也得到了发展与完善 ,在河流污染防治与生态修复中发挥了重要作用。为了更好地理解和应用生态修复技术改善河流生态环境,必须了解各项技术的基本特点, 结合特定的合理环境特征, 综合性地选用合适的方法, 以最经济合理的配置, 构建稳定可持续发展的河流水生态环境系统。

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