卵礫石生態河床對河流水質凈化和生態修復的效果

侯 俊，王 超，王沛芳，錢 進

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料和纖維等)具有較大比表面積，生物容易在其表面聚集生長而形成生物膜，可以吸附降解水體污染物質，因此可以將這些材料布置在河床中，創造適宜生物膜生長的介質來強化水體的自凈能力［1-2］。例如，在河床底部鋪設卵礫石，可使水與生物膜的接觸面積增大數十倍甚至上百倍，水中污染物在卵礫石間流動過程中與其表面附著的生物膜接觸并被吸附，進而作為生源營養物質被生物膜吸收、分解和轉化，從而使水質得到改善［3］。

卵礫石接觸氧化技術是國內外常用的河流水體水質凈化技術，如日本坂川古崎凈化場、日本野川凈化場和韓國良才川凈化場等，都是采用該技術對河流進行水質凈化和生態修復的典型工程［4］，然而國內外大多將卵礫石接觸氧化技術運用于河流的異位水質凈化中，較少研究卵礫石河床的構建對河流生態系統的修復效果［5］。本研究選擇宜興市大浦鎮的林莊港作為試驗河道，構建卵礫石生態河床并對其原位水質凈化和生態修復的效果和機理進行分析，為河流水質改善與生態修復提供經驗借鑒。

1 研究區域與研究方法

1.1 地理位置與河道概況

試驗河道林莊港位于太湖西岸宜興市東部的平原圩區，區域內水網密布，共有大小河道40 多條，屬滆太水系。林莊港東起林莊港閘，西至溪西河口，長1818 m，寬4～10 m，深0.7～1.5 m，流速0～20 cm/s。林莊港水體氨氮、總磷濃度超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類水標準值，溶解氧濃度和透明度很低，自凈能力很弱。和其他入湖河道一樣，其水質的好壞直接影響到太湖的水質狀況［6］。

在林莊港選取卵礫石生態河床河段和自然河床河段各200 m 作為試驗河段進行對比研究。卵礫石生態河床以卵礫石鋪墊河床底部，寬6 m，厚約0.5 m;選用土著物種金魚藻進行修復，修復河長335 m，種植密度15 株/m2，種植面積3800 m2。自然河床為淤泥河床底質，無水生植物，寬8 m。試驗河段內無排污口、入河支流口及引水口。

1.2 樣品采集與分析化驗

a.水質指標監測。水質采樣取試驗河段的上游、中游和下游3個斷面，每個斷面設一個采樣點，位于河中心水面下0.5 m 處。卵礫石生態河床建設后的6—12月，每月連續進行3 天監測，每天采樣時間為8:00，12:00和16:00，分析水樣中的高錳酸鹽、氨氮和總磷等指標，以截留率表示試驗河段對水體的凈化效果(截留率為上下游污染物質濃度之差與上游污染物質濃度的比值)。

b.大型底棲無脊椎動物檢測。卵礫石生態河床河段和自然河床河段各設一個采樣斷面，于卵礫石生態河床建設后次年的8月和11月采集兩次大型底棲無脊椎動物的樣品。采用人工基質采樣器(為直徑18 cm、高20 cm的圓柱形鐵籠，籠底鋪一層40 目尼龍篩絹，裝7～9 cm 礫石)，在河道中放置14d后取出，泥樣經孔徑為40 目分樣篩篩去污泥濁水，剩余物帶回實驗室完成樣本清檢、固定、鑒定、計數及換算等工作。

c.微生物菌類檢測。以水體、河床底質、護岸材料以及水生植物等附著介質為采樣對象，于卵礫石生態河床建設后次年的6—10月，采取各河段的不同附著介質，裝入經過滅菌處理的玻璃瓶中，并加入適量該采樣點水樣，帶回實驗室立即對附著的細菌總數、亞硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌采用最大可能數法(MPN 法)進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗河段內生源要素變化規律

2.1.1 氨氮的變化規律

如圖1 所示，在自然河床河段，氨氮的截留率一般為0～8%(9月截留率為負值，主要是因為農民在該河段的下游斷面附近清洗過裝氮肥的塑料袋)，其截留主要是氨氮由水體向底泥擴散，底泥中的微生物通過硝化作用將其轉化為硝氮［7］。卵礫石生態河床河段對氨氮表現出較高的截留效果，除6月外，其他時期達到13%～37%，可見卵礫石表面生物膜和金魚藻的存在很大程度上增加了對氨氮的截留，同時，金魚藻的光合作用創造了利于硝化作用的好氧環境，冬季金魚藻腐爛時河段仍保持較高的氨氮截留率，說明此時微生物仍在活動，也說明卵礫石表面生物膜吸附和硝化作用是去除氨氮的主要原因。

圖1 試驗河段氨氮變化規律

2.1.2 總磷的變化規律

如圖2 所示，自然河床河段大部分時期總磷的截留率為0～6%，說明自然河道對磷有一定的自凈能力，主要是靠不溶性磷的沉淀和底泥對磷的吸附完成的［8］。卵礫石生態河床河段在6—8月對總磷保持了較高的截留效果，截留率為10%～25%。卵礫石表面的生物膜對水體中的磷具有重要的截留作用，而且這段時期金魚藻生長旺盛，一方面大量吸收水體中其生長所需的可溶性磷酸鹽，另一方面在水中形成了一道屏障，大量攔截吸附水中不溶性磷并促使其沉積下來。11—12月對磷的截留率為負值，是因為藻類和大型水生植物的衰亡腐爛會釋放出部分磷，導致總磷濃度沿程升高。

圖2 試驗河段總磷變化規律

2.2 河道內水生生物生長狀況

2.2.1 大型水生植物

林莊港水域中沉水植物有水盾草、苦草、菹草、輪葉黑藻、金魚藻、眼子菜和狐尾藻等;浮水植物有槐葉萍、浮萍和水花生等;挺水植物有蘆葦、茭草和水芹菜等。卵礫石生態河床河段的大型水生植物主要種類為金魚藻，其覆蓋率達到65%以上，而自然河床河段無水生植物生長。金魚藻一般春季開始生長，夏末生長最旺，冬季衰亡以營養繁殖體形式散布水底。卵礫石生態河床河段沿岸還分布少量的水花生和茭草，其生長規律大致與金魚藻相似。

2.2.2 大型底棲無脊椎動物

各河段的大型底棲無脊椎動物分布和統計情況如表1和表2 所示，卵礫石生態河床河段的大型底棲無脊椎動物敏感物種數、分類單元數和生物數量密度均大于自然河床河段的［9］。

由于研究河段為同一條河流的連續河段，在影響底棲動物生長的多個因素中，流速和水深沿河道變化較小，水體質量也比較接近，因此各河段底棲動物差異性分析中可以忽略這些因素，認為底棲動物生長狀況的差異主要是由于不同的底棲環境(由河床底質和水生植被所構成)所引起的［11］。卵礫石生態河床河段底質為卵礫石和金魚藻，而自然河床河段則是淤泥。在由卵礫石和金魚藻構成的底棲環境中，大型底棲無脊椎動物的種類豐富，這是因為卵礫石底質穩定，而且其表面有利于附著型底棲生物的生長，如仙女蟲、蛭類、渦蟲和螺類等;河底沉水植物金魚藻為小型螺類提供了繁殖和生長的場所，也是水生昆蟲、幼蟲和仙女蟲類的喜好聚集地區。淤泥底棲環境中大型底棲無脊椎動物的數量密度和種類均較小，這說明創造多樣性的底棲環境對大型底棲無脊椎動物生長分布有重要影響。

表1 試驗河段大型底棲無脊椎動物分布情況

表2 試驗河段大型底棲無脊椎動物統計

2.2.3 附著微生物

試驗河道內的pH 值為7.1～7.8，適合絕大部分氮循環細菌的生長;溶解氧為2.20～4.86 mg/L，提供了好氧的環境供細菌生長;取樣期間水溫基本為20～35℃，也基本保證了細菌的正常生長［12］。試驗河段介質表面附著細菌情況見表3。水體中由于缺少營養物質，氮循環細菌的數量較少;而河床底泥中富含營養物質，故細菌數量明顯較高;卵礫石、護岸材料和水生植物表面均存在一定厚度的生物膜，附著生長了一定數量的細菌。可以看出，河道中的介質(包括自然的和人工的)為微生物的繁殖生長提供了良好的附著環境，介質上附著的有機物質成為微生物的重要營養來源，微生物逐漸在介質表面聚集生長以致形成生物膜，河水中的有機和無機雜質進而被生物膜吸附，通過微生物的生理作用得以去除。

表3 試驗河段介質表面附著細菌統計 萬個/cm2

從表3可以發現，各附著介質表面細菌數量從多到少依次為卵礫石、沉水植物、挺水植物、浮水植物、生態混凝土、木樁和石籠。卵礫石覆蓋于河床底部，比表面積很大，大量有機碎屑沉積于其表面，因而具有較大的細菌數量;水生植物特別是沉水植物金魚藻具有巨大的比表面積，容易吸附大量有機物質［13］，而且通過光合作用能提供細菌生長所需的好氧環境，所以也非常適宜細菌生長。

3 結 論

a.砂礫石生態河床河段對污染物質的截留效果明顯好于自然河床河段的，對氨氮和總磷的截留率可分別達到37%和25%，表明卵礫石生態河床的構建可顯著提高河道的自凈能力。

b.卵礫石生態河床河段中的水生植物呈現出多樣化的群落特征，水生植被生長密度和覆蓋率均達到良好的水平。

c.卵礫石生態河床河段中的大型底棲無脊椎動物在敏感物種數、分類單元數和生物數量密度等方面均優于自然河床河段的，其卵礫石與沉水植物相結合的河床為底棲動物生長創造了適宜的生境條件。

d.各種附著介質表面的細菌數量從多到少依次為卵礫石、沉水植物、挺水植物、浮水植物、生態混凝土、木樁和石籠，表明卵礫石生態河床河段為附著生物提供了良好的附著介質，上述規律也為生態工程的材料選擇提供了一定的參考依據。

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