不同生態修復措施對河道水質凈化效果的影響試驗研究

(樂陵市水務局，山東 樂陵 253600)

在我國經濟快速發展過程中，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，為保護水資源，開展河道生態治理對社會生產、用水安全和經濟可持續發展具有重要意義。

多年來，國家將主要精力致力于城鎮化進程，往往只注重對城鎮河道的生態修復治理，忽略了農村這另一重點區域。農村地區河流具有水量豐富、礦物豐富和生物多樣性等特征，是生態環境的主要承載體之一，且承擔著防洪、灌溉及排澇抗旱等任務；由于農村地區經濟較落后，管理相對不完善，處理水污染的技術較為單一，因此造成了農村河道的水污染問題越來越嚴重，若在農村河流采取生態修復措施，必然會帶來社會、經濟和生態的綜合效益。蔡金麗[1]、王鑫[2]分別對汾河和大凌河的生態治理技術進行了探討分析，對流域當地的水污染治理問題起到了推動作用。孫一丹[3]等開展了高原地區河道生態治理模式的研究，提出了原生態型、工程生態型、生物修復型3種河道生態治理模式及不同模式適用條件。

本文在前人的研究基礎上，針對漳衛新河樂陵段(主要為農村地區)進行了生態河道、人工濕地以及生態池3種修復措施對水質的凈化效果進行對比研究，以期為農村地區類似河流的生態修復提供理論和技術支撐。

1 研究區概況

漳衛新河起源于武城四女寺，全長257km。其中樂陵段全長34.4km，由大孫鄉簸箕武家村入境，于朱集鎮郭家村出境，境內控制流域面積約為200km2。該地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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%。漳衛新河歷史上總共歷經了3次較為嚴重的水污染事故，給當地的生產生活帶來了重大影響，污染主要來源于上游的工業廢水、農業化肥等，由于污染源較多、地方政策實施不及時、 治污措施不完善等原因，漳衛新河的污染一直是“治而未愈”。

2 生態修復措施實驗設計

a.生態河道修復：盡量保持原河道自然屬性，采取對河道疏浚、清淤、以及護坡等修復手段達到河流的自我凈化功能，同時提高流域的生態多樣性，保持沿岸的生態平衡。本研究主要包括河道的線型選擇(蜿蜒型)、斷面設計(梯形斷面)以及岸坡治理(補種蘆葦等植物)等工作；試驗生態河道全長300m，彎曲度1.2，塊石粒徑0.5m，河道護岸邊坡坡度為1∶2，堆頂寬度0.5m，修復工程設計如圖1(a)所示。

b.人工濕地修復：模擬自然濕地相關功能，由水、動植物、微生物、基質等載體組成，利用生物、物理、化學等各種措施達到水質自我凈化。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30cm)和潛流人工濕地(坡降1%，人工碎石礫石基質)，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.生態池修復：在水上投放生態浮床、利用“微生物+植物系統”的稀釋、沉淀、生物等作用，達到水質的凈化目的。浮床為塑料材質，面積為400m2，生態池總面積約為1200m2，試驗水深1.5m，植物選用美人蕉、蘆葦等，間距為0.5m，如圖1(c)所示。

圖1 生態修復試驗工程設計

3 監測結果分析

3.1 凈化效果對比分析

選擇COD、TN以及TP 3個作為對比分析的主要指標，選取同一時間段內不同生態措施修復前后指標的對比分析情況如圖2所示。從圖中可看出。

a. COD在夏季時的濃度較高，春季和冬季的濃度最低；生態河道對COD的凈化去除率最高表現在11月，達到33%，最低表現在6—9月，即汛期，這是因為汛期流量增大，沖刷岸坡及擾動河底淤泥，釋放其中的污染雜質，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在9月，并從5月開始逐漸升高，這是因為此段時間植物生長茂盛，促進了濕地附近的微生物新陳代謝，加速了污染物質的分解，因而去除率逐漸升高；生態池對COD的最大凈化去除率在12月，最小值在9月，且波動幅度很大；總體而言，人工濕地對COD的凈化去除效果最佳，生態池由于極不穩定，故排次之，生態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，在汛期時最低；生態河道對TN的凈化去除效果最佳表現在7月，去除率為12.3%，整體波動幅度不大，但去除率也較??；人工濕地對TN 的凈化去除率最佳表現在8月，達到57%，最小值為12月，人工濕地對TN的去除率的變動幅度很大；生態池對TN的最大去除率在3月，最低去除率在8—11月，這個期間基本為負值；整體而言，生態濕地對TN的去除效果最好，生態池表現次之，生態河道最差。

c. TP在3月份的濃度值最大，最小值在8月；生態河道對TP的去除率在9月前均較小，甚至為負值，這是因為河道流速大，對河道淤泥擾動大，因而去除率低；人工濕地去除效果最好的月份為11月，達到50%，5—7月的去除率較低，8月后較大，這與含氧量增多有關；生態池在8月前對TP的去除率較好，也比較穩定，之后出現較大幅度，沒有明顯的季節性變化，表明植物生長對去除率的影響不大；整體而言：生態河道對TP 的去除效果最差，生態池對TP的去除效果最佳，人工濕地次之。

3.2 影響因素分析

生態修復措施的各項設計參數對其自身發揮功能效果具有重要影響，合理的生態修復工程設計，才能達到預期的凈化效果，否則有可能會適得其反，成為新的污染源。因此，需要尋找不同水力設計因素與去除凈化效果的關系，本文研究的水力因素包括水利負荷和污染負荷，研究分析對象是生態河道、生態池以及人工濕地綜合系統，單一的人工濕地措施和單一的生態池措施。

計算水力負荷，即單位時間單位面積凈化水量：

HL=Q/S

(1)

式中HL——水力負荷，m3/(m2·d)；

Q——流量大小，m3/d；

S——生態修復措施場地面積，m2。

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

那么各污染物質的去除率μ與HL之間的關系見式(2):

μ(α)=a·HL+b

(2)

式中μ(α)——某項污染物的去除率，%；

a、b——與水力負荷相關常數。

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荷的關系，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——與污染負荷相關的常數。

本文所選取的污染負荷分別為：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)，通過試驗數據計算得到了各自的相關關系，見下表。從表中可以看到：?綜合修復系統對COD及TP的去除率與水力負荷呈負相關，而對TN的去除率則與水力負荷相關性不大，相關性系數R^2僅為0.0103；綜合修復系統出水口處的COD及TP濃度與污染負荷呈正相關，TN濃度與污染負荷相關性不大，R^2僅為0.0699；?人工濕地對COD、TN以及TP的去除率與水力負荷相關性均較弱，出水口處的COD和TP濃度與污染負荷呈較為明顯的正相關，TN濃度則與污染負荷相關性不大；?在生態池修復中，對COD、TN以及TP的去除率與水力負荷的關系不明顯，相關性小于0.1，而生態池出口的污染物濃度與污染負荷的關系與綜合系統和人工濕地表現一致。

影響因素相關性分析

以上分析可得到：系統對COD及TP的去除率與水力負荷間相關性較強，呈負相關；而人工濕地和生態池對水力負荷的抵抗能力較強，去除率與水力負荷的關系不明顯；進水口處的污染負荷越大，出口處的污染物濃度越大，但對TN濃度影響不大。

4 結 論

a.人工濕地則對COD和TN的去除效果最佳，生態池去除TP效果最好，生態河道修復措施對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的去除凈化效果有直接影響，生態池及人工濕地對水力負荷變化的適應能力較強，去除率與水力負荷的相關性不大。

c.不管采用哪種修復方式，COD、TP進口處的污染負荷越大，出口處的污染濃度越大，而TN的污染負荷與污染濃度關系不大。