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城市河道水环境生态治理研究

作者: 时间:2018-11-092778 次浏览

信息摘要:

河流在汉典中解释为:地表上有相当大水量且常年或季节性流动的天然水流。由此可见,流通常指的是陆地河流。并且,维持河流长期的流动需要有一定区域内的地表水和地下水补给,而使其能够经常或间歇地沿着狭长地流动。水是人与生物赖以生存的重要资源,人类文明的发展过程息息相关。河流作为水资源载体不仅能够作为饮用水来源,还是水产养殖、农畜生产、水上运输、水力发电、休闲旅游的重要场所。河道作为河流的载体,与河流相互作用,决定河流的生态状况、影响河流的周围环境,由于河道与河流的密不可分的关系,河道的研究包含河流的研究。在城市化进程不断深入的大背景下,世界各国的河流都受到不同程度的干扰,由于受人类活动影响较深,城市河道功能逐渐退化,这也促使国内许多城市开始思考河道治理的问题,通过各类水利手段、工程手段来治理城市河道。从各类河道治理工程来看,投入并不能带来预期的整治效果,这是由于:河道防讯能力是河道整治过程的重要环节,用所占比重最大,从而导致环境与生态修复投入所占比重小。此外,道环境治理技术选取的不恰当也是导致治理效果不理想的原因之一。

河流在汉典中解释为:地表上有相当大水量且常年或季节性流动的天然水流。由此可见,流通常指的是陆地河流。并且,维持河流长期的流动需要有一定区域内的地表水和地下水补给,而使其能够经常或间歇地沿着狭长地流动。水是人与生物赖以生存的重要资源,人类文明的发展过程息息相关。河流作为水资源载体不仅能够作为饮用水来源,还是水产养殖、农畜生产、水上运输、水力发电、休闲旅游的重要场所。河道作为河流的载体,与河流相互作用,决定河流的生态状况、影响河流的周围环境,由于河道与河流的密不可分的关系,河道的研究包含河流的研究。在城市化进程不断深入的大背景下,世界各国的河流都受到不同程度的干扰,由于受人类活动影响较深,城市河道功能逐渐退化,这也促使国内许多城市开始思考河道治理的问题,通过各类水利手段、工程手段来治理城市河道。从各类河道治理工程来看,投入并不能带来预期的整治效果,这是由于:河道防讯能力是河道整治过程的重要环节,用所占比重最大,从而导致环境与生态修复投入所占比重小。此外,道环境治理技术选取的不恰当也是导致治理效果不理想的原因之一。

一、国外研究进展

研究与防治水环境的污染最早开始于上世纪初,城市河道乃至湖泊开展治理,美国的湖耗时17年才治理成功,费1.3亿美元。随着水环境治理技术的成熟,专门技术建设典型示范工程也开始普及,环境治理技术开始向恢复水生生态系统和改善河流的功能的方向发展,治河过程中注重河道的自然性。从而,理河道遵循着保护和恢复自然的理念,恢复河流的滩地,模拟天然河岸,使堤坝自然化。除此之外,河道治理还包括拆除混凝土河道及涵洞,重建深潭和浅滩、恢复被裁直的河段等。在发达国家中,美国是最早开始拆除大规的,以此恢复过去已被掩没的河段,达到恢复和改善河流植被系统和生态系统的目的。澳大利亚、加拿大、新西兰、以色列等国家则采用相应的工程措施来弥补河流系统功能的缺失,可为鱼类及动物提供繁衍生息空间的护岸工程及新型过坝鱼道;为鱼类和鸟类等各类依靠河流生存的物种提供栖息地的人工岛等。水生植物的研究与河流生态修复与治理息息相关。其中,河道水生植物对农业非点源氮和碟的阻隔效果受到许多关注,农业污染控制上产生了巨大作用。经过水环境治理及河道整治研究成果的不断积累,河流生态修复技术逐渐开始普及应用。生态修复技术在英国的泰晤士河、欧洲的莱茵河、美国的密西西比河、曰本的江户川等地方得到了早斯的应用发达国家的河道治理工程起步早,发展较快,他们不断增长的技术水平、与国家实力以及民众需求分不开。发达国家对于环境的治理通常都是走“先污染后治理”的老路,牺牲生态环境发展经济,然后花费巨额投资进行治理。因此,如何预防环境污染是摆在各国尤其是发展中国家面前的问题。如今关于城市污染河流水质净化与生态修复技术的研究与应用已成为全球水环境治理的热点。

二、国内河道环境治理的研究进展

中国人与河道的关系密切,是世界上最早建造水利设施进行河道治理的国家之一。中国早期的河道治理注重河道的安全性,主要考虑河道的防洪蓄水能力,用竹子、柳条等编织成的篮子装上石块来稳固河岸随着我国社会和经济的发展,河道治理形式开始多元化,不单单局限于只重视防洪抗旱单一功能的水利建设上,更是更看重河道所蕴含的地域文化及自然景观,河道管理者以“亲近自然”的姿态治理河道,使之满足人们更多方面的要求。城市河道治理理念的不断变化,使得河流生态环境对河流的作用也受到了更多的重视。董哲仁提出“生态水工学”的概念。该概念总结了河流生态治理工程的发展与趋势,为水利工程对河流生态系统具有破坏作用,要通过生态评价和水工建筑物改造,水利设施适应河流生态系统。杨文和提出生态治河的新理念,为所有的河道治理应该遵循自然,顺应自然,不破坏河道自然性的基础上改造河道。杨芸在现有的基础上,对生态型河流治理法进行研究,提出兼顾河流生态环境的河道治理工程,不仅治理效果明显,而且河道恢复速度更快。王超对生态河道治理后互岸构建等手段进行系统总结。此外,京凉水河、上海苏州河、南京秦淮河等城市河道生态治理工程取得明显的效果。

在中国,传统的河道治理是基于河道的疏浚,打榜河道底泥,清除河底垃圾,达到净化水质的效果。污染较为严重的河流,河道底泥中可能沉积着大量的有机污染物,河泥成份根据河道位置的不同发生变化,是污染水体的重要内污染源之一。鉴于河道底泥污染治理的重要性,雅囡、阮晓红等“基于苏州市釆用底泥疏涣措施对古城区南园河开展治理,对底泥中营养物氮、碟的释放规律进行研究。研究表明,外源氮、碟污染得到有效控制时,河泥疏浚措施可以有效减少内源氮、碟负荷。河道治理的另一重要手段是微生物分别治理技术,通过微生物刻的投放,消除对人体有严重危害的菌种,水质达到饮用标准。宋雅静、谢悦波、黄小丹等在瑞安市丰湖河治理上,投掷本源微生物菌剂治理,产生较好的效果。河水颜色由深转淡,味消除明显,生物菌刻即使在冬季低温条件下,可以应用于河道水质修复。李正魁等利用高效固定化氣循环细菌技术对镇江金山湖富营养化水体进行治理。通过治理,使得金山湖水体内的氧化细菌、亚硝化细菌、補化细菌、反确化细菌数量得到显著增加。生物滤池是微生物治理技术的又一重要措施,主要结合不同植物或材料载体,使用高效复合菌进行治理。瞿艳芝、刘操等通过改进曝气生物滤池的载体,形成固定化曝气生物滤池,利用技术对城市污染河道开展净化实验,净化效果显著。

三、河道环境生态修复技术现状

现在河道环境治理更多地是利用物理、化学、生物和生态的方法减少水环境中有害物质的浓度,或者使其完全无害化,从而尽量使其恢复到原始状态。因此,从技术角度而言,环境修复的技术手段主要有物理方法、化学方法和生物(生态)方法三种。

物理方法

物理方法主要通过外移内源污染物或降低污染浓度来达到改善水质的目的,常用的有清於工程、调水工程等。

①底泥疏浚。外移内源污染物是底泥疏浚技术主要所含内容,包括工程、环保和生态三方面。其中工程疏浚技术是技术最成熟和采用率最高的,环保与生态疏浚技术则是可行性最高的新手段,但受工程条件、规模等限制,能在局部实施,效果与成本一般成正比,应用具有一定局限性。疏浚底泥可以将原来污染物附着的底泥清除,减少河道水体中污染物的沉积,从而使河流污染物对河流生态系统造成的危害减小。底泥疏竣是一种广泛应用的河道水治理措施,仅仅在国内,国外许多国家也还在釆取这种较早期的清理技术。河流底泥疏波缺点之一是耗资巨大,耗大量人力、物力。因此,如果有条件,可以在疏浚措施实施之前,对治理河道可以进行科学的研判。

②环境引水。通过环境引水工程稀释河道中原有污染物的浓度,使河道水质达到相应标准,因此又称换水稀释。环境调水原理简单,但是真正实施起来需要统筹周边水系及环境影响,需要进行可行性分析。另一方面,环境调水在减少本河道污染的同时,但将污染物通过引水带至下一区域中去,加重下一区域的河道污染,因此釆用此方法还需做好理论推算工作。

③人工增氧。溶解于水中的分子态氧称为溶解氧,对于研究河道自净能力来说,是一个较为重要的指标河流或者水体有机物含量超高,导致了微生物分解有机物的速度增加,水体中的氧含量消耗速度加快,甚至迅速耗尽。从而河流处于“缺氧”状态,水体厌氧型微生物大量繁殖,最终引发水质污染。利用人工增氧技术,可以弥补水体中的氧气消耗过快,使得水体溶解氧含量得到恢复,达到水体自净能力的提升。

人工增氧不完全适用于所有受污染的河流,要根据曝气充氧目标河段水环境情况、河流水利条件等,进行增氧。目前,增氧主要采用曝气增氧,通过布设曝气机、微纳米气泡发生机等设备来提高河道水体含氧量,此外,根据布设设备是否灵活移动,分为固定曝气增氧和移动爆气增氧。

化学方法

化学方法是利用化学反应加速污染物与水体分离来实现水质改善的方法。化学方法见效很快,常被人们用来应付突发的水体污染情况,如饮用水受到污染。化学物质本身是一种污染来源,因此施用化学药剂对水生态系统也存在二次污染的风险。在河道治理及生态修复过程中,化学方法适合作为应急措施,并不经常使用。

①絮凝沉淀。絮凝沉淀技术是较为常用的化学方法,通过向城市受污染的水体投入铁盐、钙盐等药剂,通过药剂与河道底泥中的营养物质产生化学反应,形成难容类沉淀。沉淀至河床中。

②化学除藻。富营养化污染在城市中广泛存在,对景观水体产生极大的伤害。造成的原因是:氮、磷等营养物质大量进入缓流水体,这些营养物质为藻类及其它浮游生物迅速繁殖提供了良好的基础。而藻类对水体溶解氧的消耗,使得鱼类及其它生物缺氧死亡。河道底泥中的微生物通过分解死亡动植物获得养分,不断增加水中氧气的消耗量,又加速了水体的富营养化过程。利用除藻剂对水体中的藻类植物进行杀除,减少藻类植物对溶解氧的消耗,达到消除富营养化污染的目的是目前常用的治理富营养化污染的措施。

③重金属化学固定。通过化学试剂、物理方法等手段,改变河道水环境ph数值,当河道水质呈碱性环境时,河道底泥中的重金属元素会与水中的经基反应形成氩氧化物,最终沉淀在河床中,而降低重金属元素的污染。重金属治理通常与河道疏浚相结合,通过化学方法固定在河流底部的重金属污染物,在打捞船的帮助下搬出水体,从源头上减少了重金属重新释放的可能性。随着技术的发展,从河道底泥中提取重金属重新利用已经慢慢普及,不仅能够较好完成河道治理,还能促进废物循环利用。

生物方法

生物方法是利用水生植物、微生物在生长繁殖过程中物质能量交换来消耗污染物。从生态学角度看,生物修复其实是一个人工强化的生态演替过程。目前,生态修复技术因具有生态协调、不易产生二次污染等优点被广泛应用于国内外城市河道水环境治理中,效果显著切副作用小。就具体的技术发展趋势来看,生物方法是水环境修复最有潜力的技术措施之一。按照水体污染程度、污染物类型和生态治理目标、使用者可以搭配不同的生态修复手段,对目的水域作系统周密的论证,然后制定实施方案。

①微生物强化技术。微生物治理河流污染是一把“双刃剑”,河道污染是由于微生物群落缺乏时,通过投加微生物药刑可以有效促进水质改善,但也存在溶解氧消耗过多的风险,需要综合考虑该技术的影响。微生物强化技术可以说“喜忧参半”,由于每条河道都有其特点,因此需要针对河道实际情况来培育相对应的微生物群落,培育时间较长,同时,生物群落受河道水环境影响较大,对周边环境要求较高,但是,如何能够找到相对应的微生物群落,同时河道水环境又相对稳定,那么选用微生物处理水质,不失为一种良方,毕竟微生物处理水质其处理效果明显,不存在生态安全隐患,费用低廉。

②水生植物净化技术。所谓水生植物净化技术其主要方式便是通过在水体中种植各类水生植物,包括:沉水植物、挺水植物等,来建立水生植物范围内的小生态系统,通过改水生植物生态系统改善河道水环境质量。其主要原理是通过水生植物生长吸收水中底泥内的大量营养物质,种植于水体中能够有效降解有机污染物质。另一方面,植水生植物,使得水生生态系统物种类型和有氧、缺氧环境得到保障,适宜各类微生物群落生存,促进微生物发挥净化水质的作用水。

生植物净化水体从三方面进行去污:依靠水生植物发达的根系对污染物中颗粒态氮碟的截留、吸附、促进沉降;直接吸收水体中的各类营养物质,通过人工将水生植物直接带出水域;微生物通过依赖水生植物所创造的好氧厌氧环境,污水中的有机态污染物降解或转化成溶解性小分子物质,植物体吸收利用,通过确化反销化过程去除。生态浮床净化技术是水生植物净化的深化措施,主要运用高分子无土基床来培育水生植物,利用生物群落共生协同作用改善水域生态环境。生态浮床通过减少水于表面阳关照射面积,来抑制藻类的光合作用,同时促使浮游植物沉淀,控制水华的发生,而且生态浮床能够装饰成为河道景观。

③人工湿地净化技术。人工湿地净化技术是一种利用天然湿地净化功能的污水处理生态工程措施,城市污染河流治理和生态修复工程得到越来越多的应用。人工湿地是一个综合性的生态系统,主要由基质材料、湿地植物、附着微生物及原生动物三个部分组成。

④生物膜净化技术。所谓生物膜,主由可供微生物附着的基底组成,底材料可以有天然的,可以由人工合成的。当微生物通过一定的渠道附着在基底上时,上述基底表面会形成一层微生物膜,从而通过微生物来净化水质、生物膜技术净水机理是:当有机污染物通过河道水流附着到基底表面,底外层的好氧型微生物吸收并降解有机污染物,降解以后的代谢废物会随着流动的水体冲掉,以达到持续污水净化的目的。

⑤稳定塘净化技术。稳定塘主要通过自然生长的各类群落来净化处理污水,并形成一整套稳定塘生态系统,充分利用生态系统处理有机废物的能力,处理污水。稳定塘根据塘内微生物群落的不同分为好氧塘、兼氧塘和厌氧塘,其运行成本、建设费用均较为低廉,占地面积大。

⑥多自然型河流构建技术。该技术主要通过对河流构建能够自我修复的生态群落,形成良好生态环境多自然型河流主要对河床、河滩等区域进行构建,人工布设各类物种栖息群落,建河流良性循环的生态系统。在城市中进行多自然型河流构建技术,需要根据河流实际情况来构建河道。

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