基于生态视角的城市河道治理与修复研究.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:马星博(),男,研究方向为水环境.通讯作者:谢安国(),男,硕士,副高级工程师,研究方向农业水土.基基于于生生态态视视角角的的城城市市河河道道治治理理与与修修复复研研究究马星博,胡婷婷,齐迎爽,王 腾,谢安国(北京市昌平区生态环境服务中心,北京 ;北京市昌平区水土保持工作站,北京 ;北京市昌平区河湖生态环境服务中心,北京 ;北京市昌平区未来科学城水务服务中心,北京 )摘要:以国内某城市内河生态治理与修复为研究对象,对其开展河道水质及污染原因调查,确定了造成河道生态破坏的污染因素,主要问题为生活污水违规排放、上游来水水质差以及沿河洗涤.为此,提出的治理措施为:河道清淤、修复受损的护坡、控制污染源、恢复河道生态自清洁功能、改善水质及透明度.对比治理前后的数据,河道水体C O D、T P、B O D、NH N项指标的最小降幅为 ,最大降幅为 ,该河道的生态功能得以恢复.关键词:生态视角;城市河道治理;修复中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()R e s e a r c ho nU r b a nR i v e rM a n a g e m e n t a n dR e s t o r a t i o nF r o ma nE c o l o g i c a lP e r s p e c t i v eM aX i n g b o,H uT i n g t i n g,Q iY i n g s h u a n g,W a n gT e n g,X i eA n g u o(C h a n g p i n gD i s t r i c tE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tS e r v i c eC e n t e ro fB e i j i n g,C h a n g p i n g,B e i j i n g ,C h i n a;C h a n g p i n gD i s t r i c tW a t e ra n dS o i lC o n s e r v a t i o nW o r k s t a t i o ni nB e i j i n g,C h a n g p i n g,B e i j i n g ,C h i n a;C h a n g p i n gD i s t r i c tH e h uE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tS e r v i c eC e n t e ro fB e i j i n g,C h a n g p i n g,B e i j i n g ,C h i n a;C h a n g p i n gD i s t r i c tF u t u r eS c i e n c eC i t yW a t e rS e r v i c eC e n t e r i nB e i j i n g,C h a n g p i n g,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h ep u r p o s eo f e c o l o g i c a l t r e a t m e n ta n dr e s t o r a t i o no f i n l a n dr i v e r s i nad o m e s t i cc i t y,t h ew a t e rq u a l i t ya n dp o l l u t i o nc a u s e so f t h e r i v e rw e r e i n v e s t i g a t e d,a n d t h ep o l l u t i o n f a c t o r s t h a t c a u s e d t h ee c o l o g i c a l d e s t r u c t i o no f t h e r i v e rw e r ed e t e r m i n e d T h em a i np r o b l e m sw e r e i l l e g a l d i s c h a r g eo f d o m e s t i cs e w a g e,p o o rw a t e rq u a l i t yo fu p s t r e a mi n f l o wa n dw a s h i n ga l o n gt h e r i v e r T r e a t m e n tm e a s u r e s i n c l u d ed r e d g i n gt h er i v e r,r e p a i r i n gt h ed a m a g e ds l o p ep r o t e c t i o n,c o n t r o l l i n gp o l l u t i o ns o u r c e s,r e s t o r i n gt h ee c o l o g i c a l s e l f c l e a n i n gf u n c t i o no f t h er i v e ra n di m p r o v i n gw a t e rq u a l i t ya n dt r a n s p a r e n c y B yc o m p a r i n gt h ed a t ab e f o r ea n da f t e r t r e a t m e n t,t h em i n i m u ma n dm a x i m u md e c r e a s e so fC O D,T P,B O Da n dNH Nw e r e a n d ,a n dt h ee c o l o g i c a l f u n c t i o no f t h er i v e rw a s r e s t o r e d K e yw o r d s:e c o l o g i c a l p e r s p e c t i v e;u r b a nr i v e rm a n a g e m e n t;r e p a i r 引言河道出现水质劣化、水体黑臭的主要原因是生态功能受到破坏,微生物以及水生植物难以实现水体自清洁.河道生态治理重在通过恢复其生态功能实现污染控制.此次研究过程采用多元化路径,一方面治理河道受污染的水体,另一方面着重改善其生态系统,激发微生物的降解能力,同时借助水生植物吸收超标的营养元素,预计经过治理的河道可产生持续的自我净化功能.马星博,等:基于生态视角的城市河道治理与修复研究环境与安全 城市河道水质及污染调查 河道基本情况某城市内河全长约 k m,上下游与其他河流连通.河道宽度 m,平均深度约 m,流向为由南至北.河道周边大多为城市聚居区,分布有住宅小区、餐饮店、理发店、咖啡屋、健身馆、足浴店等,整体人口密度较大,生活污水排放控制存在一定难度.该河道主要采用翻水冲污的方式改善水质,生态补水期间的日翻水时长为 h,对应翻水量为 万m.河道水质及污染调查 水质判断方法水质评价采用综合水质标识指数C,水质等级与C的取值形成对应关系,如表所示.C的计算方法如下.CPPMA X()PnniPi()PiKiii k下i k上i k下()式()式()中,将n个单项指标的水质标识指数平均值记为P,n个单项指标水质标识指数中的最大值记为PMA X.Pi为单项指标的水质标识指数,Ki为第i项水质指标的水质类别,i为第i项指标的实测质量浓度,将第i项水质指标在第ki类水 区 间 质 量 浓 度 的 下 限 和 上 限 分 别 记 为i k上、i k下.表水质等级判断标准水质等级级级级级级劣级C的取值,(,(,(,(,(,水质调查结果按照 地表水环境质量标准(G B )对水体进行取样化验,重点检测p H值、氨氮(NHN)、化学需氧量(C O D)、粪大肠菌群、石油类、五日生化需氧量(B O D)、总氮(T N)、总磷(T P)等指标.结果显示月份的平均水质仅为劣V类,超过规定限值的指标为NH N、C O D、总氮、B O D,部分水质监测数据和标准限值如表所示.表河道水质监测数据示例序号监测点监测项目p H值C O D/(m g/L)B O D/(m g/L)NH N/(m g/L)T P/(m g/L)T N/(m g/L)监测断面 监测断面 监测断面 监测断面 监测断面 地表V类水限值 基于生态视角的城市河道治理与修复 生态河道工程 河道疏浚该河道兼顾货轮通行、雨季防洪、美化城市等功能,但部分断面淤积较为严重,故对其实施河道疏浚施工,施工活动分为两步.固体垃圾打捞投入专业的河道垃圾打捞船,配合人工打捞,对相关区域内的绿萍、塑料瓶、塑料袋、浮木以及其他各种水面固体垃圾进行彻底打捞,在此基础上开展河道清淤.环保清淤环保清淤法对保持水体清洁、避免清淤过程中的二次污染具有良好的效果,施工装备为密闭式旋转斗轮挖泥系统,以压缩空气或者静水压力为动力,将过多的河道底泥清理至浮床.作业时将浮床固定在河岸边,再利用挖泥系统实施精准清淤,将淤积深度超过 m的部位作为重点处理对象.根据清淤施工结果,清淤量为 m.生态护岸河道上游部分岸坡出现了结构物开裂、脱落的情况,导致一定程度的水土流失,故采用生态护岸的方式对其进行修复.常用的施工方法为设置混 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期凝土砌块、植被加筋护岸、生态混凝土护岸.综合考虑作业区域的地势、环境及施工成本,选用土工网复合植被护岸的施工技术,实施要点如下.将高强度的土工塑料网铺设在土质边坡上,并使用U形钉进行加固,此基础上种植草皮.植被在高强土工网的作用下呈均匀分布,形成植被、土工网、土体的紧密结合.加筋草皮具有很强的附着力,可抵抗m/s的坡面水流冲刷作用,有效抵抗时长为 h.水体污染治理及水质提升 污染源治理该河道的污染源头分为三类,第一类是上游湖泊水系周边的工业污水偷漏排,第二类是河道周边经营性场所及住宅直排、泄漏的生活污水,第三类是附近居民沿河洗涤.为了有效遏制污水偷排、泄漏问题,在河道沿线设置水文流量及水质在线监测系统,其功能为探测雨量、风速、风向、水质、水量、水流速度、水位等,并且支持视频图像拍摄功能.系统将监测到的数据以 G或 G通信信道上传至监测中心的后台,由此获得实时的水质信息.同时配合市政供水部门、污水管网系统的大数据,形成综合性的污水监控体系.另外,对于已经发现的河道污水暗管,由环境保护部门督促整改或取缔,并对涉事企业和个体经营场所进行处理.为了杜绝河道暗管问题,引进专用的水质无人监测船,其监测内 容 包 括 水 体 电 导 率(E C)、p H值、溶 解 氧(D O)、水体表层温度、NH N等,监测船可实现遥控、定点采样,能够快速生成样本分析结果,协助管理人员发现河道中的污水暗管.基于生态恢复的水体污染治理措施 污染物治理及生态修复方案水质检测结果显示C O D和B O D均超过劣类,说明有机污染物浓度较高.同时,T N和NHN也处于超标状态.生态治理要求恢复河流的自净化能力,通过水中微生物的作用降解有机物及NH N.治理措施综合运用增氧曝气、植入天然水草以及仿生水草,通过增氧曝气促进好氧微生物繁殖、加速河道有机物降解.天然水草用于吸收水体中的氮磷元素,降低T N和T P.仿生水草可用于拦截、吸附、固定有机污染物,为微生物降解创造有利的条件.施工时将仿生水草布置在水下,覆盖面积约为 m,天然水草布置在水面上,覆盖面积约为 m,整体呈交替布置,增氧曝气采用微纳米气泡发生器,共布置 套.增氧曝气技术增氧曝气可使用多种增氧机,按照工作原理分为推流式、喷水式、射流式、叶轮式等.在作业前对比了种设备,分别为微纳米气泡发生器、微孔曝气器以及叶轮式增氧机.通过全方位的性能对比,发现微纳米气泡发生器更具优势.微纳米气泡在水中的直径可收缩至m以下,受到压力的作用,此类气泡破裂后可形成大量的负氧离子,能够对有机污染物产生强氧化作用.普通曝气机产生的气泡过大,容易出现气泡破裂、氧气快速流失的问题,因而对有机物降解的促进作用相对较弱.微纳米气泡能够长时间停留在水体中,其表面所携带的电荷可吸附水体中的悬浮物质,同时借助电位差杀死水中的蓝藻.在该河道生态治理中,采用MB O 型微纳米气泡发生器,最大工作水深为m,充氧能力为 k g/h,功率为 kW.合理控制曝气量有助于氨氮和微生物降解,具体的曝气量需要通过精确的计算来确定.根据相关理论,计算内容涵盖生化需氧量、氨氮需氧量、总耗氧量等理论值,计算方法如下.O L(eKt)(CsC)(eKt)Cm V()式()用于计算生化需氧量,其中O、V、t、C分别为水体需氧量、水体体积、充氧时间、溶解氧浓度.水体的初始B O D浓度记为L,与之对应的生化反应速率常数记为K,水体中的饱和氧溶解量记为Cs,K为水体的复氧速率常数.Cm为好氧微生物维持生命活力的最低溶解氧浓度.将氨氮需氧量记为N,其在河水中的实际浓度值和目标浓度值分别记为C、C,则N的计算方法为:NV(CC)()式()中,表示微生物分解氨氮时的耗氧比例.g氨氮完全氧化成硝酸盐需要消耗 g氧气,将耗氧理论值记为R,其计算方法为:RU C B O DUNB O D河水复氧()UNB O D (CNH N)(eknt)()U C B O DCB O D(ek t)()式()式()中,U C B O D、UNB O D分别为最终生化需氧量、最终氨氮耗氧量,CNH N表示氨氮浓度,CB O D表示河水中的B O D浓度.将一级反应速率常数记为k,硝化速率常数记为kn,t为处理时马星博,等:基于生态视角的城市河道治理与修复研究环境与安全间.河水复氧量与水中的溶解氧含量相关,具体可参考水温与溶解氧的对应数值,如表.表溶解氧与温度对照关系水温/溶解氧/(m g/L)自然水草选型在自然水草的选型中需要考虑其氮磷吸附能力、耐污染性、对酸碱度的适应性、植株高度、耐寒性等.水草除了吸收氮磷外,还能吸附河水表面的有机悬浮物,促进微生物分解作用.在河岸边可栽种黄菖蒲、水芹,美人蕉、大薸能在水体中生长,可部署在河道中(表).表常用河道生态治理挺水植物的特性对比植物品种T N吸收能力/g/(k ga)T P吸收能力/g/(k ga)适宜生长温度/成株高度/c m黄菖蒲 水芹 再力花 美人蕉 梭鱼草 大薸 (浮生植物)水质提升水质提升工程的主要目的是提高水体透明度、降低浑浊度,针对该河道的水体净化分别采用胶体净水和絮凝沉淀技术,原理如下.胶体净水胶体粒子的直径通常在为 n m,较大的表面积形成了较强的吸附力.河水中存在大量悬浮颗粒物和有机质,胶体粒子能与这些悬浮物结合,其重量随体积的增加而不断增大,最终在重力的作用下沉淀在河底,达到减少河水悬浮物、净化水体的目标.在选择胶体材料时必须评估其对河流水体、水生植物、水生动物以及微生物的危害性,要求净化水体的胶体材料不得存在明显的毒副作用,不可造成河水、底泥的二次污染,不得导致鱼类致 病 或 者 死 亡.在 胶 体 净 化 中 可 使 用KA l(S O)HO(十 二 水 硫 酸 铝 钾)、F e C l HO(六水三氯化铁).沉淀絮凝絮凝剂在污水处理中使用广泛,亦可用于河水的净化处理,其作用原理为凝聚.絮凝剂入水后可形成带有正电荷或者负电荷的微小基团,进而对水中的悬浮颗粒物、有机质等产生吸附作用,形成絮状的沉淀物.基于絮凝剂的凝聚过程具有多种内在作用机制,包括吸附架桥作用、压缩双电子层、吸附电性中和等.以第三种作用机制为例,假设絮凝剂基团表面带有正电,因而可吸附河水中的负离子以及带有负电荷的胶体物质.当正负电荷互相中和后,与其他带有正负电粒子的吸附作用减弱,此时重力对粒子的运动起主导作用,因而更容易沉淀.常用的絮凝剂为A L(OH)nC lnm(聚合氯化铝,又称为P A C)、(CHNO)n(聚丙烯酰胺,又称为P AM).河道生态治理与修复的效果 水质检测结果 检测项目的时序变化河道生态治理工程结束之后,将表中的个断面作为采样点,检测河道水质变化情况.工程结束时间为 年月,从月日起开始采样,采样间隔为 d,采样指标为p H值、T P、C O D、NHN以及B O D,表为河道断面的检测数据.对比月 日的初始数据和 月 日的终值,C O D、B O D、NH N、T P项指标全面下降.表生态治理后河道断面的水质检测数据检测时间p H值C O D/(m g/L)B O D/(m g/L)NH N/(m g/L)T P/(m g/L)初始值 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期 检测项目横向对比以各项检测指标为数据分析的维度,横向对比水质变化情况.个断面在 年月 日的C O D平均值为 m g/L,B O D平均值为 m g/L,NH N平均值为 m g/L,m g/L,T P平均值为 m g/L,p H平均值为 .个断 面在 年 月 日 的C O D、B O D、NH N、T P、p H平均值分别为 、m g/L.前项指标对应的降幅分别为 、,降 幅 均 超 过 了.p H值均值从 上升为 ,为中性,因而在生态治理前后,河水基本保持中性,满足生态要求.水体净化效果该河道在水体净化处理中,综合运用胶体净水和 絮 凝 沉 淀 两 种 技 术.胶 体 净 水 采 用KA l(S O)HO,絮 凝 作 用 使 用P AM絮 凝剂.净化之前,水体呈浑浊状态,能见度非常低,存在一定程度的臭味.净化之后,水体澄澈,河道清晰可见,水体异味也完全消除.平均浊度从通航期的 n t u下降为 n t u.结论与讨论维持河道的生态系统,借助水草、微生物控制有机污染物、NH N、T P、T N,能够实现水体的良性循环.对于受污染的河道,可采用生态治理与修复技术,以污染源控制为基本前提,通过种植天然水草、部署人工水草,对河水中的有机污染物进行吸附和固定,再利用增氧曝气技术强化微生物的氧化分解作用.完成河道改造后应建立长效的水质监控体系,重点监测T P、T N、C O D、p H值、B O D以及NH N等常见污染指标的变化.研究过程在治理后的水质检测中仅获取了部分指标数据,而 地表水环境质量标准 中规定的指标多达数十种,因此还需进一步扩大水质检测的指标范围.另外,部分工程方法的成本较高,需要根据实际情况制定更为经济的生态修复策略.参考文献:刘静民探析城市河 道生态治理及 修复措施J清洗世界,():张晓红城市河道治理存在的问题与城市环境修复策略J黑龙江水利科技,():邓粤,帅建英,刘盛君,等城市小流域综合治理方法研究与实践 以成都市九道堰河流域为例J中国水利,():徐云龙,莫建刚,曹盘红水下森林在城市河道修复中的价值探索 以苏州消夏湾生态安全缓冲区为例J农业与 技术,():林晨,刘向阳,邓卓智海绵城市理念在城市河道治理中的应用J水利发展研究,():高秀哲,付翠彦生态文明视角下的城市郊区河道水环境综合治理模式J环境工程,()赵文钢生态工程技术在城市河道治理中的应用 以马料河水环境生态治理工程为例J低碳世界,():田波城市河道治理及长效管理关键技术研究与示范J上海建设科技,()尚真宇黑水河河道水环境生态治理措施分析J水利技术监督,():刘骥良,季世琛,鲍永刚,等城市污染河道水环境生态治理效应分析 以北京市丰台区葆李沟为例J环境保护科学,():许卫卫,贾立章基于海绵城市理念下的城区河道治理提升措施研究J绿色科技,():孙丹丹河道水环境治理生物修复技术研究J绿色科技,():,严倩倩应用生态修复技术治理黑臭河道研究 以武汉市某河道为例J绿色科技,():倪璋懿,郑志卿,杜忠文保定市护城河河流及水质C O D变化研究J绿色科技,():秦洁小城镇水体污染的现状成因与治理对策J绿色科技,():李小兵,江山红生态水利在河道治理工程中的应用探析J绿色科技,():,吕海元,高文耀祁连山东段废弃渣台生态治理修复不同技术试验研究J绿色科技,():王铎宁夏红一煤矿生态治理措施与环境影响评价J绿色科技,():赵仁波遵义市矿山采空区复绿生态治理模式初探J绿色科技,():章文刚祁连山自然保护区生态治理现状问题与对策J绿色科技,():