北方河流生態修復模式研究

賈艾晨，王旭旭(大連理工大學建設工程學部水利工程學院，遼寧 大連 116024)

我國北方地區由于降水量少、集中等特點，造成河流絕大部分時間僅在狹窄的二級河槽內流淌，而大片的河灘則處于干涸狀態。這些地區人口眾多，城市密集，清潔的水源大都被攔蓄利用，城市排水成了這些河流的重要補給水源，因而也就不可避免地帶來了水質污染問題[1]。因此，利用這些河道寬闊平坦的河灘構建生態修復措施，可以在節約河道沿岸農田及防護林用地的前提下凈化污染河流水質。

近自然河流修復、人工濕地、生態浮床等生態修復技術近些年來在河流生態修復實踐中有著不少應用。但河流污染往往類型復雜，既有城市生活污水及工業廢水為主的點源污染；也有來自農村生活、種植業及養殖業為主的面源污染；也存在著人們對自然資源不合理開發利用引起的水土流失、濕地萎縮等生態環境惡化的問題。單一技術通常無法適應這些特征，需要在功能定位及目標需求的基礎上，設計復合式技術工藝，才能高效穩定地發揮凈化作用和生態功能[2]。本文以大連市復州河蔡房身段生態修復試驗為例，通過對其河灘區的改造，探索包括近自然河流修復、人工濕地、生態浮床在內的多種生態修復技術相結合的生態修復方法，為北方河流生態修復提供易于推廣的新模式。

1 河流生態修復模式

從修復空間角度來看，河流生態修復模式主要有兩種：體內修復和體外修復。體內修復是指對河道本身進行修復，利用河岸、河床、河灘等建立生態修復措施以達到凈化污染的目的。常用技術有生態護坡、生態河床修復、生態浮床等。體外修復是指在河道外修建生態修復措施，并通過水泵將污水引入，凈化后再排入河道。這種修復模式由于依賴水泵，因此一定程度上增加了運營和管理成本。同時體外修復往往需占據大片河岸土地，對河道生態環境也會造成一些影響。

從選用生態修復技術數量上來看，河流生態修復模式分為單一式和復合式。單一式河流生態修復模式是指在分析河流及其污染類型的基礎上，選擇一種最佳適用的生態修復技術對河流進行修復。而復合式河流生態修復模式則是選用兩種或更多的生態修復技術來修復河流。單一式的模式在我國已有不少應用，如張振興等[3]運用近自然河流生態設計理念對長春市錢家溝河流和蓮花山河流進行生態修復；朱琳等[4]運用水平潛流人工濕地技術凈化北票市涼水河水質；高陽俊等[5]運用組合式生態浮床技術治理滇池入湖河流。常見河流生態修復技術及其適用類型見表1。

表1 河流生態修復技術及適用類型Tab.1 River eco-restoration techniques and its applicability

然而河流污染通常類型復雜，單一式的生態修復模式往往無法較好的凈化水質，應根據河流的污染現狀、物理結構和生態系統等特點，制定技術上科學、工程上合理、經濟上可行的復合式生態修復模式[6]。

我國北方河流污染類型復雜、嚴重，河水流量小、水流截面狹窄，但河道漫灘較為開闊，有較大可利用空間[6]。根據上述特點，利用河流河灘建設復合式生態修復系統的生態修復模式應是我國北方地區污染河流修復的適用模式。

2 研究區概況

研究區位于遼寧省大連市，瓦房店境內東風水庫上游復州河蔡房身段(39°43′N，121°59′E)，見圖1。此處為河流的轉彎段，由東西流向轉為南北流向，河道開闊，有多處分叉側流，河灘面積大。研究區河流污染嚴重、類型復雜，由于其上游支流回頭河是流經瓦房店污染較重的河流，因其接納了瓦房店市的生活污水和工業廢水，雖然有龍山污水處理廠進行處理，但受處理能力限制，出廠水質較差。此外，研究區上游流經大片農田及果園，大量流失的化肥和農藥殘留物成為面源污染。同時瓦房店市畜禽養殖規模較大，大部分畜禽糞便直接排入地表水[7]。復雜的污染情況使得研究區水質長期處于劣V類，嚴重影響周邊生態環境及沿岸居民用水。

圖1 試驗場地Fig.1 Test site

表2 2016年9-11月研究區水質情況 mg/LTab.2 Water quality of research area from Sep 2016 to Nov 2016

3 試驗場地及建設方法

研究區內河谷開闊，兩岸堤防內有大片防護林，復州河在此分散為四處汊流，河漫灘平坦、面積大，有較大利用空間，較為適合選用體內修復模式。同時研究區內河流污染嚴重、污染類型復雜，單一式河流生態修復模式并不能較好的改善河流污染狀況。因此根據對研究區河流的污染情況調查，針對研究區內河流有機污染、氮磷污染嚴重，長期面源污染輸入及不合理的河道挖沙引起的生態破壞的現狀，并參考研究區河流形態，選用近自然河流修復、人工濕地、生態浮床三項生態修復技術構建復合式生態修復技術方案。綜上選擇復合式體內生態修復模式作為試驗場地建設依據，并依此提出兩個試驗場地方案(見圖1)。

方案一：方案一的擬改造區域位于復州河道的右側汊流及相連河灘，全程長約450 m，河道坡降為0.18%，占地面積約5 500 m2，由于正處于枯水期，該汊流已經斷流。

方案二：方案二的擬改造區域位于復州河道的左側汊流及相連河灘，全程長約200 m，河道坡降0.65%，占地面積約5 500 m2，目前該汊流河道通暢，流速較快。

由于方案一的場地較方案二更遠離主河槽，因此降低了豐水期受沖刷的風險。此外，方案一的擬改造區域更為狹長，有利于生態河道的建設。而方案一由于河道坡降較低可能導致進水流量的問題可以通過在出口處疏挖等措施進行解決。綜上選擇方案一作為試驗地點，試驗方案流程圖見圖2。平面布局來看整個試驗場地分為3個區域：生態河道、人工濕地、生態池，三部分設施共同組成復合式生態修復系統。

3.1 生態河道

生態河道以原始河灘上干涸的汊流為改造基礎，對其采用近自然的設計理念進行生態修復，包括蜿蜒性構建、復式斷面構建、深潭淺灘構建及河岸植被帶恢復。修復后的生態河道總長約為200 m，寬約10 m，河道坡降約為0.14%。入口處設置攔污柵，阻擋固體垃圾進入河道，河道末端構建溢流堰及水閘，控制進入人工濕地的流量。

圖2 方案流程圖Fig.2 Flow chart of program

3.1.1蜿蜒性構建

與直線型河道相比，蜿蜒的河道可以有效降低河道坡降，從而減小河流流速及輸移泥沙的能力。同時對棲息地的質量和數量的改善也有一定幫助[8]。本方案的生態河道的蜿蜒性構建，保留原始河道的蜿蜒形態，僅對其進行必要的拓寬和加深，而原始河道中的直線型部分則進行蜿蜒性修復(見圖3)，以恢復河流的自然風貌。直線型河道進行蜿蜒性修復可由經驗公式推求[8]：

R=KRB

(1)

Lm=KLB

(2)

Tm=KTB

(3)

L=KB

(4)

式中：R為彎曲半徑；Lm為彎曲波長；Tm為彎曲幅度；L為過渡段長度；B為河道寬度；KR、KL、KT、K為經驗系數，一般KR=2～3，KL=10～14，KT=4～5，K=1～5。

圖3 河道蜿蜒模式推求簡圖Fig.3 Meandering river calculation diagram

3.1.2復式斷面構建

在滿足河道防洪功能的前提下，采用復式斷面替代傳統生態親和性較差的矩形和梯形斷面，因地制宜的設置邊坡和平臺，可以有效的為水生動植物提供更多類型的棲息地，本方案復式斷面見圖4。

圖4 復式斷面圖Fig.4 Compound cross section diagram

3.1.3深潭淺灘構建

自然河流的縱斷面呈現出深潭淺灘交錯的格局，深潭淺灘能形成急流、緩流等多種水流形態，有利于增加水體中溶解氧含量，以形成多樣化的河流生境[9]。本方案采用人工堆放拋石，借助水流沖刷以恢復深潭淺灘結構。深潭淺灘的數量根據河道的蜿蜒性確定，每個彎曲段設置一對深潭淺灘。

3.1.4河岸植被帶恢復

河岸植被帶恢復在生態河道的建設中應用普遍。河岸植被可以影響河流的流速、河岸抗沖刷強度、泥沙沉積等。同時，合理分布的河岸植被還有助于減輕面源污染，提供景觀休閑場所和多種生態服務功能[9]。試驗區域河岸柳樹成蔭，河心灘地原有野生草本植物茂盛，包括水蓼、狗尾草、莎草、蓖麻、蒼耳、蒲公英、水蔥、蘆葦、香蒲等。考慮到整修河道時有大量草籽及植物根部附于土壤中，因此僅補種些蘆葦在河岸兩側。

3.2 人工濕地

3.2.1沉砂池

為滿足人工濕地進水水質要求及減輕濕地污染負荷，應根據進水水質狀況，在人工濕地前合理設置格柵、沉砂、初沉、穩定塘、厭氧、好氧等預處理工藝。考慮到研究區河面漂浮物較多的現狀，在生態河道首末端設置格柵，人工濕地前設置簡易沉砂池。沉砂池面積為110 m2，容積為46.2 m3，當進水流量為2 000 m3/d時，污水停留時間約為0.6 h。

3.2.2人工濕地

人工濕地區由4列并聯運行的共12塊人工濕地組成，總面積約為1 000 m2。每列人工濕地由表面流人工濕地、水平流人工濕地、垂直流人工濕地以不同順序串聯而成，排列方式見圖2。3種類型的人工濕地池體尺寸均為長15 m，寬5 m，深0.8 m。外墻材料為漿砌石，內部隔墻為水泥磚，池體四周均用土工膜進行防滲處理。每個池體前后均設有管孔進出水，縱向各級人工濕地間有調節池，進行水位調控。第一、二、四列各類型相同的人工濕地的填料、植物、設計均相同，僅排列方式有差異。第二列及第三列的類型相同的人工濕地排列方式相同，但垂直流人工濕地的填料不同，水平流人工濕地的植物不同，表面流人工濕地的設計有差異，第二列表面流人工濕地有沉水區，而第三列沒有。這樣的排列方式便于后期分析不同填料、植物、設計、濃度及排列方式對人工濕地凈化效果的影響。

3.3 生態池

生態池是一種利用細菌、藻類、水生植物等協同作用處理污水的自然生物處理技術，亦可用于污染河流的治理。用于河流治理的生態池可以利用河邊的洼地構建。試驗區河灘上原有挖沙留下的洼地可作為生態池的改造基礎，經修整后的生態池面積約為1 200 m2，深約1.3 m。由于生態池的容積較大，因此擁有豐富的生態多樣性與生物多樣性。而結合生態浮床可以有效增強生態池的自凈能力與自我修復能力，使污染物得到充分的分解與凈化。而浮床在水體表面的覆蓋率不同，也會導致其對水體中營養物質去除率不一樣。覆蓋率以30%為分界點，當覆蓋率小于30%時，營養物質去除率隨覆蓋率增加顯著；而當覆蓋率超過30%時，覆蓋率增加對提高去除率的貢獻則十分有限[10]。因此本方案生態池中的浮床覆蓋率選定為30%，敷設面積為360 m2。

4 初期運行效果

4.1 現場運行情況

復合式生態修復系統于2015年9月9日建成后進行調試運行，由于季節因素，生態浮床及人工濕地的植物尚未完全種植，現場情況見圖5。通過生態河道進入人工濕地的河水流量為2 000 m3/d，多余河水從溢流堰排入主河槽，每列人工濕地日處理流量500 m3/d。四列人工濕地分別凈化后的河水經過三角堰流入生態池，后經溢流堰排入主河槽。從9月9日調試運行至10月28日，系統共運行50 d，現場運行狀況良好，經過幾次大雨的考驗，證明利用河灘地建設的復合式生態修復系統不會對河道行洪產生影響。

圖5 試驗場地現場情況Fig.5 Current situation of test site

4.2 初期數據分析

自調試運行起，對系統各關鍵節點水質進行跟蹤監測，分別于9月15日，9月21日，9月28日，10月12日，10月28日進行了5次采樣并檢測。選擇生態河道入口及生態池出口兩個采樣點分析系統初期整體運行效果。分析指標為SS、COD、TN、TP等，各指標檢測方法均按照國家標準，分析結果見圖6。

圖6 水質分析結果Fig.6 Results of water quality analysis

從最后一次數據來看，對各項指標均有一定的凈化作用，其中SS和COD的凈化作用較強(SS的凈化率為78.1%，COD凈化率為61.0%)，而TN和TP的凈化率一般(TN凈化率為20.4%，TP凈化率為16.2%)。而TN的前三次凈化效果不佳，可能是由于進水流量過大，導致污水停留時間過短反硝化作用不完全導致的，因此在第三次取樣后，將進水流量由3 000 m3/d調整為2 000 m3/d后，可見TN的凈化率有所提高。

5 結 語

(1)本研究提出的生態修復模式利用北方河道擁有寬敞的河漫灘的特點，規避了常規生態措施占用農田或防護林用地的情況，共節約土地5 500 m2。

(2)復合式生態修復系統建成后運行穩定，日處理污染河水2 000 m3，雨季的運行狀況證明，經過恰當選址的河漫灘建設復合式生態修復系統不會對河道行洪產生影響。

(3)通過對系統初期運行效果分析，對污染河流的SS、COD、TN、TP等指標均有一定凈化效果。

□

[1] 郭 蕭，葉許春，俞士敏，等．賈魯河梯級河灘濕地冬季植被構建及凈化效果研究[J]．環境科學學報，2011，31(7)：1 464-1 469．

[2] 劉福興，宋祥甫，鄒國燕，等．農村面源污染治理的4R理論與工程實踐——水環境生態修復技術[J]．農業環境科學學報，2013，32(11)：2 105-2 111．

[3] 張振興．北方中小河流生態修復方法及案例研究[D]．長春：東北師范大學，2012．

[4] 朱 林．寒冷地區水平潛流人工濕地的優化設計[D]．遼寧大連：大連理工大學，2013．

[5] 高陽俊，趙 振，孫從軍．組合生態浮床在滇池入湖河流治理中的應用[J]．中國給水排水，2009，25(15)：46-48．

[6] 胡洪營，何 苗，朱銘捷．污染河流水質凈化與生態修復技術及其集成化策略[J]．給水排水，2005，31(4)：1-9．

[7] 趙 楊，張 令．瓦房店市水環境質量存在的問題分析及對策研究[J]．環境科學與管理，2013，38(9)：61-63．

[8] 赫曉磊．山丘區生態河道設計方法研究[D]．江蘇揚州：揚州大學，2008．

[9] 劉大鵬．基于近自然設計的河流生態修復技術研究——以長春市飲用水源地入庫河道為例[D]．長春：東北師范大學，2010．

[10] 張 勁，黃 薇，桑連海．浮床植物水質凈化能力及其影響因素研究[J]．長江科學院院報，2011，28(12)：39-42．