人工穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)應(yīng)用于宿遷馬陵河道治理項(xiàng)目的效果分析

(上海汀瀅環(huán)保科技有限公司，上海 201707)

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)河流水質(zhì)的要求也越來越高，水體清澈、魚翔淺底、水清岸綠等成為居民向往的環(huán)境。針對(duì)我國水環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)，2015年國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱“水十條”)，水生態(tài)治理逐步成為河道修復(fù)治理的主流技術(shù)[1-2]。隨著城市黑臭河道的逐步消除，“清水型河道”逐漸生成，但現(xiàn)階段清水型河道存在岸坡硬質(zhì)化，生態(tài)系統(tǒng)缺失、自凈能力弱、水質(zhì)不穩(wěn)定、夏季易現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)、水體透明度不佳等問題，已成為當(dāng)今河道修復(fù)治理的又一研究難點(diǎn)及熱點(diǎn)。本文以宿遷馬陵河為例，介紹該河道利用人工穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的工藝方案，分析工程實(shí)施前后的水質(zhì)變化情況及治理成效，以期為類似河道的治理提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 宿遷馬陵河道項(xiàng)目概況

馬陵河為老城區(qū)雨水外排骨干河道，現(xiàn)狀底寬8.0～35.0m，底高程18.0～15.6m，沿線地面高程22.7～19.5m。對(duì)試點(diǎn)馬陵河宿城區(qū)段(即八一路至西湖路段)進(jìn)行水環(huán)境生態(tài)治理，具體位置見圖1，全長(zhǎng)1.6km，平均河口寬10.0m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，馬陵河宿城區(qū)段河道兩側(cè)均為硬質(zhì)護(hù)岸，無植物生長(zhǎng)；河道內(nèi)僅有少量水生植物，河底有底棲藻類生長(zhǎng)；河道生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重缺失，水體基本喪失自凈能力，為典型的中心城區(qū)硬質(zhì)化河道，現(xiàn)狀圖見圖2。高溫季節(jié)水體發(fā)綠，感官較差，嚴(yán)重時(shí)大面積藍(lán)藻漂??；河道底部存在黑臭淤泥，持續(xù)向上覆水體釋放污染物質(zhì)；第三方水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明(見表1)，馬陵河道水質(zhì)基本處于Ⅳ類水質(zhì)，主要超標(biāo)因子為氨氮。本工程治理目標(biāo)為水質(zhì)穩(wěn)步提升至Ⅲ類水質(zhì)。

圖1 馬陵河治理范圍位置

圖2 馬陵河現(xiàn)狀

采樣時(shí)間采樣位置DO/(mg/L)透明度/cmCOD/(mg/L)NH4-N/(mg/L)TP/(mg/L)2018-05-10(施工前)八一路4.4568160.840.085洪澤湖路5.1875181.020.083西湖路5.6570141.080.083地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)5.00—201.000.200

2 治理方案設(shè)計(jì)

2.1 治理思路

人工穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)堅(jiān)持生態(tài)治理原則，主要針對(duì)城市硬質(zhì)化河道底棲藻類暴發(fā)性上浮、底泥黑臭、生態(tài)系統(tǒng)喪失、物種單一、抗污染負(fù)荷能力弱等問題[3]，核心在于恢復(fù)和提高河道的自凈能力，重點(diǎn)通過人工構(gòu)建健康生物群落，維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡，從而實(shí)現(xiàn)河道水質(zhì)及水景觀良好。

2.2 三大關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn)

本次水質(zhì)提升主要考慮底泥改良和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。本次設(shè)計(jì)因地制宜，充分運(yùn)用三大關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)路線見圖3。

圖3 水環(huán)境治理技術(shù)路線

2.2.1 底泥界面重塑技術(shù)

秉承“泥水共治”理念，在精準(zhǔn)診斷底泥污染分布及程度的基礎(chǔ)上，針對(duì)性開展河流底質(zhì)薄層生態(tài)清淤，大幅降低底泥清理工作量，并輔以投加生物底泥改良材料，改善底質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)泥水共治。改變傳統(tǒng)水環(huán)境治理中盲目清淤、不重視底泥氧化環(huán)境提升的問題，使硬質(zhì)河道退化型惡化底質(zhì)成功修復(fù)為河流污染物“消化池”及水生生物棲息地。

該項(xiàng)目選擇改性材料怡水凈。怡水凈是以厚殼貽貝等生物材料，通過特殊的改性加工工藝制成的復(fù)合貝殼改性生物材料，具有吸附能力強(qiáng)、效果明顯、見效快、成本較低、環(huán)境友好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)河道底泥深度及污染程度，項(xiàng)目設(shè)計(jì)怡水凈投加密度為 300～600g/m2。

2.2.2 生態(tài)導(dǎo)流促生技術(shù)

運(yùn)用水力生態(tài)導(dǎo)流手段，利用現(xiàn)有兩道鋼壩門，根據(jù)植物生長(zhǎng)需要進(jìn)行生態(tài)調(diào)控，形成梯級(jí)凈化格局，跌水復(fù)氧，大大提高水質(zhì)凈化效果。使河道水體流態(tài)多樣化、復(fù)雜化，輔助水質(zhì)改善，并為各類水生動(dòng)植物繁殖、生長(zhǎng)、棲息創(chuàng)造良好環(huán)境。

馬陵河在馬陵路與西湖路上游處各有1座鋼壩門，利用兩座鋼壩門形成梯級(jí)生物凈化格局，對(duì)河道水位、流速進(jìn)行人工干預(yù)，增加溶解氧，有利于水生植物的生長(zhǎng)。另外，梯級(jí)布局可促進(jìn)水體中懸浮顆粒物的沉淀，有效提高透明度，提升感官效果。梯級(jí)布局的設(shè)置是水力生態(tài)導(dǎo)流的一種形式，配合生物修復(fù)中的曝氣增氧設(shè)備的使用，使河道水體流態(tài)多樣化、復(fù)雜化，輔助水質(zhì)改善。

2.2.3 生物競(jìng)爭(zhēng)抑藻技術(shù)

以構(gòu)建沉水植物為主，選用矮型苦草、馬來眼子菜、狐尾藻及金魚藻等品種(適宜本土生長(zhǎng)，去除污染物及抑藻效果較好)[4]，沉水植物種植覆蓋率達(dá)到60%，輔以挺水植物、浮水植物及水生動(dòng)物人工構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，通過生態(tài)系統(tǒng)人工調(diào)控及優(yōu)化，浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物及魚類種群得到合理恢復(fù)，形成完善而穩(wěn)定的河流水生態(tài)系統(tǒng)，抑制底棲藻類暴發(fā)，使得城市硬質(zhì)化河道形成較強(qiáng)自凈能力，水體清澈，景觀優(yōu)美宜人[5]。與傳統(tǒng)抑藻技術(shù)相比，該技術(shù)具有抑藻效果好、生態(tài)建群快、水質(zhì)及水景觀改善效果迅速、良好水質(zhì)維持時(shí)間長(zhǎng)、污染吸收能力強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

該項(xiàng)目共種植沉水植物10000m2，安裝復(fù)合生態(tài)浮床540m2，種植浮水植物100m2，投放底棲生物200kg，并安裝2臺(tái)噴泉曝氣機(jī)輔助增氧，以逐漸恢復(fù)河道內(nèi)生態(tài)鏈的完整性。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)效果分析

在馬陵河及上下游共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)城北路，治理段監(jiān)測(cè)點(diǎn)八一路、洪澤湖路及西湖路，下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)鐘吾路。點(diǎn)位分布見圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

在項(xiàng)目施工前(2018年5月)和施工完成水質(zhì)穩(wěn)定(2018年9月)后6個(gè)月分別進(jìn)行了采樣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溶解氧、透明度、化學(xué)需氧量、氨氮及總磷五大常規(guī)指標(biāo)。

3.1.1 水質(zhì)橫向?qū)Ρ?/p>

通過對(duì)上游段、治理段及下游段近6個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，其各監(jiān)測(cè)點(diǎn)各指標(biāo)含量變化見圖5～圖9，由圖5可以看出，治理段各指標(biāo)均優(yōu)于上下段指標(biāo)，其中溶解氧含量較上游段平均提升18%，主要是相對(duì)于挺水、浮水植物，沉水植物光合作用產(chǎn)生的氧氣全部釋放到水中，其增氧能力較強(qiáng)。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧含量變化

由圖6可以看出，治理段水體透明度相對(duì)較高，基本處于150cm左右(2019年1月雨期較多，透明度略低)，相對(duì)上游平均提升45.3%。表明沉水植物能夠截留水中顆粒物，易于顆粒物的沉積，從而改善水體透明度。

由圖7～圖9可以看出，治理段化學(xué)需氧量、氨氮及總磷指標(biāo)均明顯低于上下游段。其中中段(洪澤湖路)相對(duì)于上游，氨氮平均相對(duì)降低47.9%，總磷平均相對(duì)降低71.6%，其中氨氮、總磷指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明治理段營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及污染物質(zhì)的降解能力較強(qiáng)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)透明度變化

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)化學(xué)需氧量含量變化

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮含量變化

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)總磷含量變化

3.1.2 水質(zhì)縱向?qū)Ρ?/p>

選取治理段中游監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪澤湖路為研究對(duì)象，對(duì)比治理前后水質(zhì)變化情況(見圖10、圖11)，可以看出：2019年2月與2018年5月(治理前)相比溶解氧含量提升37.3%；透明度相對(duì)提升48%；氨氮含量相對(duì)削減72.5%；總磷含量相對(duì)削減73.49%；化學(xué)需氧量含量變化幅度不大，相對(duì)削減16.7%；可見穩(wěn)定生態(tài)構(gòu)建技術(shù)對(duì)氨氮、總磷營養(yǎng)物質(zhì)去除效果最佳。

圖10 洪澤湖點(diǎn)溶解氧及透明度變化情況

圖11 洪澤湖點(diǎn)氨氮、總磷及COD變化情況

3.2 感官效果

3.2.1 底泥改良效果

項(xiàng)目實(shí)施前底泥黑臭，存在內(nèi)源污染，對(duì)河道水質(zhì)影響較大，對(duì)其進(jìn)行泥水界面重塑后，底泥呈現(xiàn)出正常的黃色，無異味，見圖12。

3.2.2 河道整體感官

選取馬陵河河道兩個(gè)斷面進(jìn)行治理前后實(shí)景效果對(duì)比，明顯發(fā)現(xiàn)治理后的馬陵河水體清澈見底，水下植

圖12 底泥改良前后對(duì)比

被長(zhǎng)勢(shì)良好，河面挺水植物和浮水植物增加河道生態(tài)性和觀賞性，整體感官良好，初步形成清水型河道效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，見圖13。

3.3 生物多樣性分析

為了評(píng)估工程效果，2018年11月對(duì)馬陵河治理段進(jìn)行了系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)調(diào)查。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)治理段植物共計(jì)19種，其中高等維管束植物18種，分屬于15科18屬；藻類1種。沉水植物密度高，河底植被覆蓋率超過90%；挺水植物和濕生植物主要分布在河道兩岸，相對(duì)蓋度高。

a.沉水植物7種，苦草、伊樂藻、輪葉黑藻、狐尾藻、菹草、金魚藻及大茨藻，占物種總數(shù)的37%。

b.浮水植物2種，睡蓮及水綿，占物種總數(shù)的11%。

c.挺水植物7種，香蒲、蘆葦、再力花、銅錢草、鳶尾、水蔥及梭魚草，占物種總數(shù)的37%。

d.濕生植物3種，鱧腸、卷耳、鵝腸菜，占物種總數(shù)的15%。

對(duì)馬陵河治理段治理前后物種豐富度進(jìn)行對(duì)比，見圖14，不論是水生植物還是水生動(dòng)物，治理后物種豐富度都明顯增加，抗沖擊能力大大增強(qiáng)。治理段已經(jīng)

圖13 治理前后對(duì)比

由以浮游藻類、底棲藻類為主的濁水態(tài)藻型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿了参餅橹鞯那逅畱B(tài)草型生態(tài)系統(tǒng)。

圖14 治理段物種豐富度指數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

a.宿遷馬陵河為較典型的清水型河道，通過人工生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)對(duì)其進(jìn)行治理，水質(zhì)基本穩(wěn)定在地表水Ⅱ類水質(zhì)，透明度提升至近1.5m。

b.堅(jiān)持生態(tài)治理原則，應(yīng)用泥水界面重塑、生態(tài)導(dǎo)流促生、生物競(jìng)爭(zhēng)抑藻等關(guān)鍵技術(shù)，人工構(gòu)建穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)，治理段較上下游段各指標(biāo)均有改善，治理段相對(duì)上游段溶解氧平均提升18%，透明度平均提升45.3%；氨氮、總磷分別降低47.9%、71.6%。另外治理后，氨氮及總磷指標(biāo)提升至地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量變化幅度不大，基本穩(wěn)定在地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

c.該治理項(xiàng)目實(shí)施后，底泥感官及景觀效果均有明顯改善；生物多樣性大幅度提高，治理段已經(jīng)由以浮游藻類、底棲藻類為主的濁水態(tài)藻型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿了参餅橹鞯那逅畱B(tài)草型生態(tài)系統(tǒng)。

d.河道的水生態(tài)治理項(xiàng)目環(huán)境條件較為復(fù)雜，岸線、排口、水生植物養(yǎng)護(hù)及設(shè)備維修等都需要專業(yè)的維護(hù)及后期科學(xué)的管理，才能保障河道能夠真正達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)及水質(zhì)穩(wěn)定。