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由于人类活动的影响,大量氮磷等营养元素进入水体,导致水体富营养化[1]。水体富营养化严重破坏水生生态系统,导致蓝藻爆发,鱼类大量死亡,生物多样性丧失[2]。根据2020年《中国生态环境状况公报》,我国主要江河监测的1 614个水质断面中,Ⅴ类水占1.5%,劣Ⅴ类水占0.2%。尽管我国流域水质状况总体变好,但仍需要改善。
目前,富营养水体的治理技术主要分为物理技术、化学技术和生物技术[3-4]。物理技术包括人工曝气、截污、调水冲污和底泥疏浚等措施,而这些措施存在一些缺陷,如底泥疏浚只是将污染物转移,并没有从根本上解决问题。化学技术主要是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH、吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质,但成本昂贵,不具有可持续性,还可能会造成二次污染。生物技术主要是利用水生生物(植物、动物和微生物)的代谢活动去除富营养水体中氮、磷等营养元素,有利于恢复水生生态系统的健康与稳定,其具有较好的发展前景,但仍需要研究最佳环境因子[5-6]。
水体富营养化的治理是一个系统工程,单一的治理技术效果并不显著,探究综合治理水体富营养化的技术模式十分必要。邓泓等[7]利用截污清淤、调水冲污、异位生物处理、种植水生植物和放养螺、蚌和鱼类等技术对丽娃河进行了综合整治,NH3-N、TN和TP从治理前的劣Ⅴ类达到地表水Ⅴ类标准。闫飞[8]通过引清入河、水下种植沉水植物、混养鲢鳙等水生动物、安装以生物膜为基础的原位修复装置形成综合生态修复系统,使水体水质除TN外,其他指标均达到地表水Ⅲ类标准。四川省广元市王家沟的黑臭水体采用SCEU强化环保生态方法,在不清淤疏浚的条件下,水体黑臭消除,水质由劣Ⅴ类水变为地表水Ⅳ类水[9]。但在实际应用中,根据水体污染情况、水文状况和当地环境条件,选择恰当的技术进行综合匹配,才能快速恢复生态系统、提升水质,同时降低治理成本,从而实现可持续发展。
在我国,因考虑河道的防洪、排涝等问题,目前主要采用的河岸类型是硬质河岸[10]。硬质河岸阻断了河岸土壤与水体之间的物质交换和能量流动,破坏了其原有的生态群落结构,使河岸对水体的净化能力完全消失,降低了河流的水环境容量[11-13]。城市现存硬质驳岸生态化改造的方法主要分为3种:一是利用种植箱,种植攀援植物覆盖原有的硬质护岸;二是采用石笼护岸并覆盖土质护坡,再铺设草皮;三是利用保水剂、粘合剂、抗蒸腾剂、团粒剂、植物纤维、泥炭土、腐殖土、缓释复合肥等材料制成的客土覆盖到很缓的护岸上,并种植水生和湿生植物[14]。例如,英格兰威尔特郡马登河在所有垂直河边挡土墙的地基内,运用石灰岩石板以一致的角度铺设,创造出墙体建在天然岩石上的外观,种植边缘水生植物,并且在铺路砖之间播撒草种,打造整体景观环境[15]。威海某河道原设计采用浆砌石挡墙,对河岸进行生态化改造时,拆除浆砌石挡墙,改为自然原型驳岸,斜坡入水,丛状点缀不同的水生植物,并铺设天然圆石或鹅卵石[16]。目前的硬质驳岸生态改造技术存在成本较高,景观效果较为单一,对水质净化效果有限等缺点。考虑原有河道的排洪能力和护岸的不同倾斜程度,在不破坏原有硬质护岸的基础上,将生态护岸与水体直接连接起来,同时配备适宜的植被,不仅能提升河道景观效果,而且有利于提高水体自净能力。
柴桑河位于四川省眉山市仁寿县,流经天府新区眉山片区后,进入天府新区成都片区并汇入锦江。天府新区成都片区和天府新区眉山片区共同组成天府新区,是四川省的国家级新区,是成渝经济建设的重要部分[17]。天府新区的经济发展需要大量的水资源供给,但天府新区的河流总体水质较差,加之水生态流量不足,水环境容量没有扩容空间,这成为天府新区面临的环境挑战之一[18]。柴桑河的治理对天府新区的水环境状况有着重要意义。由于柴桑河两岸工业的开发以及人口的增加,流域水质逐渐变差,河流的污染问题引发了社会的高度关注。2018年,眉山天府新区投入28.9亿元,对柴桑河进行治理,打造城市公园,构建生态湿地系统,大大提升了当地的环境状况。但是,柴桑河水体水质仍然存在不达标的情况,水体浑浊且泥沙较多,水面有大量油膜覆盖,河道两岸均为浆砌石硬质河岸,无植被生长,河流生态系统破坏严重。因此,眉山天府新区管委会要求对位于天府新区眉山片区中心城区的柴桑河河段进行水质提升和环境改善。
本研究以位于四川省天府新区眉山片区中心城区的柴桑河河段为例,在不破坏原有河岸的基础上,对硬质河岸进行生态重建,改造周围景观环境,实现低成本处理;同时设计了使水质长期稳定在地表水Ⅳ类标准的综合治理技术。以恢复水生生态系统的自净能力为基础,通过各项综合措施,匹配生态系统构成所需的要素,建立强大的生态系统,实现水体长效改善。
硬质河岸和水体富营养化河道的综合治理技术:以柴桑河为例
Integrated treatment of eutrophic water in the river course with hard river banks: A case study of Chaisang River
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摘要: 将富营养水体治理与硬质河岸改造相结合,能够提高水体与河岸的交互能力,恢复河流生态系统的自净能力。以位于四川省天府新区眉山片区中心城区的柴桑河河段(长度1.5 km,宽度80~100 m,水深约1.85 m)为例,通过铺设护岸专用基料、设置滴灌系统和播撒花草种子对硬质河岸进行生态重建,通过向水体中施用除磷剂、微生物菌剂及采用生态浮床、水车增氧等措施,降低了水体中的氮磷含量,利用太阳能为整个处理系统供能,实现了硬质河岸和富营养水体的综合治理。项目实施后,通过半年的监测和观察,结果表明:柴桑河水体中总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)和总氮(TN)含量明显降低,TP和NH3-N由劣Ⅴ类提升至地表水Ⅲ类,CODMn由劣Ⅴ类提升至地表水Ⅳ类,TN由劣Ⅴ类提升至地表水Ⅴ类;河道内鱼类、藻类、水草的多样性增加,硬质河岸完全被植被覆盖,植物种类达数十种,自然景观恢复,河流生态自净功能显著增强,有利于使水体保持健康稳定。Abstract: The combination of eutrophic water treatment and the eco-reconstruction of the hard river bank can improve the interaction between water and river bank, and restore the self-purification ability of river ecosystem. Chaisang River, located in Tianfu New District in Meishan, Sichuan Province, was taken as an example of eutrophic water treatment and bank eco-reconstruction. The treatment section is 1.5km long, 80~100m wide, and averagely 1.85m deep, and the river banks were paved with grouted rubbles. Special base material mainly made from rotten sludge was spread on the bank, and drip irrigation pipes were laid, and then plant seeds were sown; the eutrophic water was treated by applying phosphorus removal agent and microbial agent, building ecological floating bed, installing paddlewheel aerator. The whole treatment system is powered by solar photovoltaic cells. After six months of remediation, the contents of total phosphorus (TP), ammonia nitrogen (NH3-N), permanganate index (CODMn) and total nitrogen (TN) decreased significantly, TP and NH3-N changed from water quality standard of inferior class Ⅴ to surface water class Ⅲ, CODMn changed from water quality standard of inferior class Ⅴ to surface water class Ⅳ, and TN changed from water quality standard of inferior class Ⅴ to surface water class Ⅴ; the diversity of fish, algae and aquatic plants in the river obviously increased; the natural landscape was restored on the hard banks, and the established vegetation contained dozens of plant species. The river ecological self-purification function was significantly enhanced, which is helpful for keeping the water body stably healthy.
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表 1 柴桑河水质状况(2020年1—4月)
Table 1. The water quality of Chaisang River (January to April 2020)
水质及标准 TP/
(mg·L−1)TN/
(mg·L−1)NH3-N/
(mg·L−1)CODMn/
(mg·L−1)GB 3838-2002
V类水标准≤0.4 — ≤2.0 ≤15 柴桑河水质 0.16~9.35 10.9~27.6 2.02~25.8 7.3~36 表 2 排污口处连续监测数据
Table 2. Continuous monitoring data at the sewage outlet
采样日期 pH DO/(mg·L−1) CODMn/(mg·L−1) TP/(mg·L−1) TN/(mg·L−1) 2020-12 7.93 8.8 8.30 0.057 2.472 2021-01 7.90 6.8 11.80 1.493 21.952 2021-03 8.29 11.3 3.49 0.141 1.712 2021-04 8.05 8.8 6.99 1.033 9.324 2021-05 7.73 6.1 6.00 0.213 2.518 2021-06 7.83 6.1 6.05 0.236 1.860 -
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