不同生態(tài)修復(fù)措施對河道水質(zhì)凈化效果的影響試驗(yàn)研究

(樂陵市水務(wù)局，山東 樂陵 253600)

在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中，水污染問題越來越突出，再加上我國人均水資源本身就較世界水平低很多，因此，為保護(hù)水資源，開展河道生態(tài)治理對社會(huì)生產(chǎn)、用水安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

多年來，國家將主要精力致力于城鎮(zhèn)化進(jìn)程，往往只注重對城鎮(zhèn)河道的生態(tài)修復(fù)治理，忽略了農(nóng)村這另一重點(diǎn)區(qū)域。農(nóng)村地區(qū)河流具有水量豐富、礦物豐富和生物多樣性等特征，是生態(tài)環(huán)境的主要承載體之一，且承擔(dān)著防洪、灌溉及排澇抗旱等任務(wù)；由于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)較落后，管理相對不完善，處理水污染的技術(shù)較為單一，因此造成了農(nóng)村河道的水污染問題越來越嚴(yán)重，若在農(nóng)村河流采取生態(tài)修復(fù)措施，必然會(huì)帶來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的綜合效益。蔡金麗[1]、王鑫[2]分別對汾河和大凌河的生態(tài)治理技術(shù)進(jìn)行了探討分析，對流域當(dāng)?shù)氐乃廴局卫韱栴}起到了推動(dòng)作用。孫一丹[3]等開展了高原地區(qū)河道生態(tài)治理模式的研究，提出了原生態(tài)型、工程生態(tài)型、生物修復(fù)型3種河道生態(tài)治理模式及不同模式適用條件。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，針對漳衛(wèi)新河樂陵段(主要為農(nóng)村地區(qū))進(jìn)行了生態(tài)河道、人工濕地以及生態(tài)池3種修復(fù)措施對水質(zhì)的凈化效果進(jìn)行對比研究，以期為農(nóng)村地區(qū)類似河流的生態(tài)修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

漳衛(wèi)新河起源于武城四女寺，全長257km。其中樂陵段全長34.4km，由大孫鄉(xiāng)簸箕武家村入境，于朱集鎮(zhèn)郭家村出境，境內(nèi)控制流域面積約為200km2。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量527.1mm，年平均氣溫為12.4℃，人均水資源占有量為247m3，僅為全國平均水平的10%。漳衛(wèi)新河歷史上總共歷經(jīng)了3次較為嚴(yán)重的水污染事故，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了重大影響，污染主要來源于上游的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥等，由于污染源較多、地方政策實(shí)施不及時(shí)、 治污措施不完善等原因，漳衛(wèi)新河的污染一直是“治而未愈”。

2 生態(tài)修復(fù)措施實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

a.生態(tài)河道修復(fù)：盡量保持原河道自然屬性，采取對河道疏浚、清淤、以及護(hù)坡等修復(fù)手段達(dá)到河流的自我凈化功能，同時(shí)提高流域的生態(tài)多樣性，保持沿岸的生態(tài)平衡。本研究主要包括河道的線型選擇(蜿蜒型)、斷面設(shè)計(jì)(梯形斷面)以及岸坡治理(補(bǔ)種蘆葦?shù)戎参?等工作；試驗(yàn)生態(tài)河道全長300m，彎曲度1.2，塊石粒徑0.5m，河道護(hù)岸邊坡坡度為1∶2，堆頂寬度0.5m，修復(fù)工程設(shè)計(jì)如圖1(a)所示。

b.人工濕地修復(fù)：模擬自然濕地相關(guān)功能，由水、動(dòng)植物、微生物、基質(zhì)等載體組成，利用生物、物理、化學(xué)等各種措施達(dá)到水質(zhì)自我凈化。本研究主要包括：表面流人工濕地(坡降0.5%，厚植被土及厚粗砂基質(zhì)30cm)和潛流人工濕地(坡降1%，人工碎石礫石基質(zhì))，植物類型選擇蘆葦和黃菖蒲，濕地面積為960m2，如圖1(b)所示。

c.生態(tài)池修復(fù)：在水上投放生態(tài)浮床、利用“微生物+植物系統(tǒng)”的稀釋、沉淀、生物等作用，達(dá)到水質(zhì)的凈化目的。浮床為塑料材質(zhì)，面積為400m2，生態(tài)池總面積約為1200m2，試驗(yàn)水深1.5m，植物選用美人蕉、蘆葦?shù)?，間距為0.5m，如圖1(c)所示。

圖1 生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 凈化效果對比分析

選擇COD、TN以及TP 3個(gè)作為對比分析的主要指標(biāo)，選取同一時(shí)間段內(nèi)不同生態(tài)措施修復(fù)前后指標(biāo)的對比分析情況如圖2所示。從圖中可看出。

a. COD在夏季時(shí)的濃度較高，春季和冬季的濃度最低；生態(tài)河道對COD的凈化去除率最高表現(xiàn)在11月，達(dá)到33%，最低表現(xiàn)在6—9月，即汛期，這是因?yàn)檠雌诹髁吭龃?，沖刷岸坡及擾動(dòng)河底淤泥，釋放其中的污染雜質(zhì)，因此去除率相對最低；人工濕地對COD的最大凈化去除率出現(xiàn)在9月，并從5月開始逐漸升高，這是因?yàn)榇硕螘r(shí)間植物生長茂盛，促進(jìn)了濕地附近的微生物新陳代謝，加速了污染物質(zhì)的分解，因而去除率逐漸升高；生態(tài)池對COD的最大凈化去除率在12月，最小值在9月，且波動(dòng)幅度很大；總體而言，人工濕地對COD的凈化去除效果最佳，生態(tài)池由于極不穩(wěn)定，故排次之，生態(tài)河道的凈化去除效果最差。

圖2 凈化效果分析

b. TN在12月的濃度值最大，在汛期時(shí)最低；生態(tài)河道對TN的凈化去除效果最佳表現(xiàn)在7月，去除率為12.3%，整體波動(dòng)幅度不大，但去除率也較??；人工濕地對TN 的凈化去除率最佳表現(xiàn)在8月，達(dá)到57%，最小值為12月，人工濕地對TN的去除率的變動(dòng)幅度很大；生態(tài)池對TN的最大去除率在3月，最低去除率在8—11月，這個(gè)期間基本為負(fù)值；整體而言，生態(tài)濕地對TN的去除效果最好，生態(tài)池表現(xiàn)次之，生態(tài)河道最差。

c. TP在3月份的濃度值最大，最小值在8月；生態(tài)河道對TP的去除率在9月前均較小，甚至為負(fù)值，這是因?yàn)楹拥懒魉俅?，對河道淤泥擾動(dòng)大，因而去除率低；人工濕地去除效果最好的月份為11月，達(dá)到50%，5—7月的去除率較低，8月后較大，這與含氧量增多有關(guān)；生態(tài)池在8月前對TP的去除率較好，也比較穩(wěn)定，之后出現(xiàn)較大幅度，沒有明顯的季節(jié)性變化，表明植物生長對去除率的影響不大；整體而言：生態(tài)河道對TP 的去除效果最差，生態(tài)池對TP的去除效果最佳，人工濕地次之。

3.2 影響因素分析

生態(tài)修復(fù)措施的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對其自身發(fā)揮功能效果具有重要影響，合理的生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)，才能達(dá)到預(yù)期的凈化效果，否則有可能會(huì)適得其反，成為新的污染源。因此，需要尋找不同水力設(shè)計(jì)因素與去除凈化效果的關(guān)系，本文研究的水力因素包括水利負(fù)荷和污染負(fù)荷，研究分析對象是生態(tài)河道、生態(tài)池以及人工濕地綜合系統(tǒng)，單一的人工濕地措施和單一的生態(tài)池措施。

計(jì)算水力負(fù)荷，即單位時(shí)間單位面積凈化水量：

HL=Q/S

(1)

式中HL——水力負(fù)荷，m3/(m2·d)；

Q——流量大小，m3/d；

S——生態(tài)修復(fù)措施場地面積，m2。

本文所選用的水力負(fù)荷，隨試驗(yàn)場地不同時(shí)間段變化，介于0.03～0.38m3/(m2·d)之間。

那么各污染物質(zhì)的去除率μ與HL之間的關(guān)系見式(2):

μ(α)=a·HL+b

(2)

式中μ(α)——某項(xiàng)污染物的去除率，%；

a、b——與水力負(fù)荷相關(guān)常數(shù)。

單位面積承受的污染總量見式(3)：

M(α)=Q·C0/S

(3)

式中M(α)——污染負(fù)荷， g/(m2·d)；

C0——污染物濃度，mg/L。

同理：可以找到在出水口處污染物濃度與污染負(fù)荷的關(guān)系，見式(4)：

ρ(α)=cM(α)+d

(4)

式中ρ(α)——出口處污染物濃度，mg/L；

c、d——與污染負(fù)荷相關(guān)的常數(shù)。

本文所選取的污染負(fù)荷分別為：COD為0～80g/(m2·d)、TN為0～20g/(m2·d)、TP為0～15g/(m2·d)。

采用上述分析式(1)～(4)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到了各自的相關(guān)關(guān)系，見下表。從表中可以看到：?綜合修復(fù)系統(tǒng)對COD及TP的去除率與水力負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，而對TN的去除率則與水力負(fù)荷相關(guān)性不大，相關(guān)性系數(shù)R^2僅為0.0103；綜合修復(fù)系統(tǒng)出水口處的COD及TP濃度與污染負(fù)荷呈正相關(guān)，TN濃度與污染負(fù)荷相關(guān)性不大，R^2僅為0.0699；?人工濕地對COD、TN以及TP的去除率與水力負(fù)荷相關(guān)性均較弱，出水口處的COD和TP濃度與污染負(fù)荷呈較為明顯的正相關(guān)，TN濃度則與污染負(fù)荷相關(guān)性不大；?在生態(tài)池修復(fù)中，對COD、TN以及TP的去除率與水力負(fù)荷的關(guān)系不明顯，相關(guān)性小于0.1，而生態(tài)池出口的污染物濃度與污染負(fù)荷的關(guān)系與綜合系統(tǒng)和人工濕地表現(xiàn)一致。

影響因素相關(guān)性分析

以上分析可得到：系統(tǒng)對COD及TP的去除率與水力負(fù)荷間相關(guān)性較強(qiáng)，呈負(fù)相關(guān)；而人工濕地和生態(tài)池對水力負(fù)荷的抵抗能力較強(qiáng)，去除率與水力負(fù)荷的關(guān)系不明顯；進(jìn)水口處的污染負(fù)荷越大，出口處的污染物濃度越大，但對TN濃度影響不大。

4 結(jié) 論

a.人工濕地則對COD和TN的去除效果最佳，生態(tài)池去除TP效果最好，生態(tài)河道修復(fù)措施對COD、TN和TP的去除凈化效果最弱。

b.水力因素對不同污染物質(zhì)的去除凈化效果有直接影響，生態(tài)池及人工濕地對水力負(fù)荷變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)，去除率與水力負(fù)荷的相關(guān)性不大。

c.不管采用哪種修復(fù)方式，COD、TP進(jìn)口處的污染負(fù)荷越大，出口處的污染濃度越大，而TN的污染負(fù)荷與污染濃度關(guān)系不大。