生态工程技术在城市河道治理中的应用研究

生态工程技术在城市河道治理中的应用研究——以上海市曹杨环浜河道水环境整治为例1概况曹杨环浜是位于上海市普陀区曹杨新村的一条环形封闭河道，全长2208m，宽8～14m，水深0.5～1.5m，总水面24933m2（37.4亩），蓄水量3.2～4.0万m3。环浜南北河道间距较长，达880m；东西北河道间距较短，约480m。曹杨环浜位处上海市老城区腹地，周围楼房林立，居住着10多万居民，人口密度和建筑密度极高。过去由于大量城市污水和垃圾注入的污染影响，环浜水体发黑发臭严重，沿途环境污浊不堪，是上海市有名的城中心臭水沟，周围市民深受其苦。自上世纪80年代以来，当地政府组织对曹杨环浜实施了一系列综合整治工程，其中包括修筑砼、石驳岸，两次底泥疏浚，架设过浜管道，截流入浜下水道污水，修建环浜沿途周围绿地和公园，构建水生物、植物净化水质生态体系等。这些工程措施的实施，对减轻环浜水体污染，改善周围环境质量起到很大作用。尽管如此，在本项目实施前，水体有机污染仍处于劣V类地表水质量（GB3838-2002）水平，氮、磷营养物污染处于严重超富营养化水平，蓝藻水华现象全浜暴发，危害日趋严重。虽然当地不惜频频采用自来水置换措施，仍未能遏制这种势头。为改善水质和控制蓝藻水华，曾于2003年8~9月采用化学法对河浜水进行原位处理，由于使用不当，造成河浜鱼类、螺和水草大量死亡，水体pH较低，水生态系统遭到损害，一度被絮凝沉降去除的蓝藻水华，随后又再度发生。2003年11月，上海市河道（水闸）管理处和普陀区建设委员会组织武汉中科水生环境工程有限公司，采用综合的环境生态工程技术对曹杨环浜水体进行生态治理，控制蓝藻水华污染，改善河道水质，取得了很好的效果。2治理措施2.1完善截污因为环浜已基本解决点源污染，本措施主要解决入浜地表径流（面源）对河水的污染。在无坎埂岸带和坎埂不完全岸带修建坎埂和补修坎埂，尽量减少地表径流和垃圾入浜。2.2水体曝气充氧为满足强化水体净化过程对氧的需求和构建高活性“泥水界面水质净化区”的需要，根据水体具体情况，采用适当的曝气机或曝气系统向水体强制充氧。2.3环浜造流在环浜适宜断面修建一高度适中的隔水坝，并设置低扬程大流量水泵将隔水坝一侧的河水连续抽排至另一侧，形成环浜重力循环流。促进水体表层相对富氧的水和底层相对少氧的水的均化与交换，提高水体曝气充氧效率与氧利用率，加速水体有机质的矿化速率，全面改善水质。2.4构建健康水生态系统为提高水体的生物多样性和自净能力，降低水体富营养化程度，根据生态学原理，采用了生态系统修复技术，以实现水体从“浊水藻型稳态”向“清水草型稳态”转换。（1）构建水生植被：种植沉水植物菹草、黑藻、伊乐藻、金鱼藻、苦草等和浮叶植物睡莲，以吸收和转化水和底泥中的氮、磷、钾等营养物，降低水体N、P、K及必需微量元素的含量与周转速率，抑制浮游植物生长；为多种多样的水生生物提供良好的生存环境；提高水体生物多样性；提高水体自净能力；为水体供氧。（2）构建水生动物种群：适当提高鲢、螺、鲫的种群数量，以消费浮游生物（特别是浮游植物）、有机碎屑、腐碎、巨大的微生物生物量，以及摇蚊和水蚯蚓等底栖动物，维护生态平衡，净化水体。（3）种植水生花卉：作为城市河道，从景观的角度出发，在主要景点、桥的两侧，栽种了优质睡莲（选用玛珊姑娘、洛桑、日出、佛琴娜莉斯、大白睡莲等品种），加之原有的10多丛白睡莲，美化了水面。（4）构建水草的收割和鱼、螺、蚌的捕捞与利用系统，以控制它们在河道水体中的生物量，并维持其种群的适度水平，由此从水体中去除大量N、P、有机质和微量营养元素等营养物。2.5机械除藻为消除积聚于水面的水华蓝藻对环境的污染，设置便移式浮性藻类水华清除装置。其主要原理是借助风力或造流水流使浮性藻华积聚于设置在河床横断面上的“V”形拦藻浮栏内，然后用安装在“V”形浮栏尖端处的吸藻器，将积聚的藻华泵吸至过滤斜筛的“富藻水”分配槽内，并过滤去除藻华。3治理结果实施本示范工程前，在2003年6月至11月中旬，环浜水体出现蓝藻水华，其间，于6月底至10月初持续暴发严重蓝藻水华，水体散发严重藻腥臭。根据2003年8月23日上海市水环境监测中心对曹杨环浜水质的检测结果：曹杨环浜水样总氮、总磷、CODCr、CODMn、BOD5等5项水质指标的测值均大大超过GB3838—2002《地表水环境质量标准》V类的相应指标值，属劣V类水质。实施本示范工程后，河浜水质逐步变好，经三个月的治理，水质由劣V类改善为介于Ⅳ类至V类；经治理四个月后，水质进一步改善，介于Ⅲ类至Ⅳ类间，接近Ⅲ类。水体透明度一直维持见底，水体一直维持“清水草型稳态”，未出现“浊水藻型状态”。4分析讨论4.1截污的作用外源污染是水体营养盐的重要来源之一，截污是控制富营养化水体的首要步骤。随着人们对环境认识的不断提高，点源污染物的排放逐步受到严格的控制，雨水径流污染和底泥污染将成为城市缓流水体污染的主体。在曹杨环浜，虽然当地政府采取了一系列的措施对入河污水进行了截流，但截流进入环浜的下水道污水后，即点源污染得到控制后，仍存在难以避免的周围污水渗入、雨天地表径流污染水进入、沿途垃圾进入等面源污染。因此，针对上述特点，我们在曹杨环浜无坎埂岸带和坎埂不完全岸带修建坎埂和补修坎埂，尽量减少了地表径流和垃圾入浜，也为实施水生态工程技术创建了先决条件。4.2营养盐的作用理论上，即使外源污染能完全截除，水中的营养盐依旧存在。而实际上，如降水、地表径流等外源污染也不可能彻底截除。尽管国内外对富营养化的研究通常都应用了利比希“最小因子定律”，寻找藻类生长的限制因子，并据此提出了控制N、P的一系列对策，但应该指出的是，该定律只有在严格的稳定状态下才能应用[1]，而实际上失去了水生高等植物，以藻类为优势的水生态系统并不稳定，此外各种生态因子之间存在替代作用，即当一个特定因子处于最小状态时，其它处于高浓度或过量的因子可替代特定因子的不足[2]。曹杨公园内有一3亩左右的水池，除了少量的荷花外，没有其它大型水生植物生长。我们于2004年7月15日测定了水中的氮、磷、氨氮和叶绿素含量，并同时对曹杨环浜水样进行了测定，结果如图3所示。由图可见，曹杨环浜总磷、氨氮含量均超过了曹杨公园水池，总氮含量虽然较低，但也超过了理论上藻类生长的限制水平。而7月份曹杨公园水池内水华严重，Chl.a高达142µg/L，相反，曹杨环浜并未观察到水华，Chl.a也仅有1.1µg/L。事实上，中国富营养化水体中常见的一些藻类优势种，如微囊藻、鱼腥藻、束丝藻、颤藻、直链藻、隐藻等，它们对营养盐的耐受性限度往往很宽，在特定的条件下常常形成特定的优势种，当营养盐浓度较高时优势种种群的快速扩增、集聚便成为“藻华”；由于物种间无时不发生的竞争关系，在营养盐较低而其它理化、生物因子的作用有利时，优势种也能生长繁殖，甚至也形成“藻华”[2]。而国内城市河道由于长期接受大量的生活污水，其营养浓度通常很高，即使截污后，面源污染仍使其营养盐浓度维持在较高水平。单纯从削减营养盐角度出发，其代价相当大，更重要的是仍可能达不到预期的效果。因此，对富营养河道的治理，应从生态系统整体出发，应用生态学原理，在控制外源污染的同时，构建以高等水生植物为主的生态系统，并维护其稳定状态。4.3水生植物的作用水生高等植物具有生长快的特点，能大量吸收水体中的营养物质，为水中营养物质提供了输出的渠道；水生高等植物提高水体溶解氧，为其它物种提供或改善生存条件；提高透明度，改善景观；同时水生植物对藻类具有克制效应，可以抑制藻类的生长，起到改善水质的作用；并且，水生植物还是湖泊生产力的主要物质基础，能为经济水生动物提供栖息生存、繁衍生存、索饵育肥的场所。利用水生生物的上述特性可以建立生态系统净化污水，国内外从20世纪70年代以来进行了广泛的研究，目前的研究热点之一是组建以不同生态类型的水生高等植物为优势种的人工复合生态系统，包括将耐寒性植物与喜温性植物组合、漂浮植物与沉水植物组合等模式[3]。在国内，利用大型水生高等植物特别是沉水植物来治理富营养化藻型湖泊（水库）的方法引起了人们的重视，已经在滇池、太湖等地进行了实际应用研究，并取得了较好的效果，但应用于城市河道治理中尚不多见。我们从生态系统整体出发，根据不同植物的生长季节、特点，进行群落结构优化，在曹杨环浜种植了菹草、黑藻、伊乐藻、金鱼藻、苦草等沉水植物和浮叶植物睡莲，使水生植物覆盖率达到了60%~90%。结果表明，利用水生植物控制“藻华”的发生是成功的。在实际应用中，有两点需要特别注意。一是必须根据不同植物的生长特点进行合理搭配，使水生植物的覆盖率始终维持在一较高的水平。因为水体中的大型水生植物和藻类生长于同一生态空间，二者在光照、营养盐等方面存在着激烈的生态竞争，互相影响，互相制约。只有一定的覆盖率才能保证水生植物的竞争优势，从而抑止藻类的生长。在2004年5月，我们采取了刈割、拔除的方法清除了一部分菹草，开始种植伊乐藻等其它水生植物。由于覆盖率的下降及气温的上升，同时因为采取的是人工下水拔草的方法，扰动了底泥，使水质的总磷含量上升，水中藻类数量开始急剧上升，Chl.a从5月份的20µg/L上升到6月份的55µg/L。直到7月份，水生植物覆盖率恢复到较高水平后，虽然水温高于6月，但Chl.a仍下降到1.1µg/L。二是在水生植物群落恢复后，必须应用生态系统稳定化管理技术进行维护管理。水生植物的死亡后，其分解腐败过程将严重影响水质，因此必须进行收割管理。同时，由于环浜水体封闭，输入浜内的物质与能量渚留浜内，缺乏有效的物质与能量耗散机制，导致系统正熵不断增加。而水生高等植物能大量吸收水体中N、P等营养物质，通过除草的方法可将输入浜内的物质与能量有效的输出。4.4水生动物的作用除了利用水生植物对富营养化水体进行治理外，根据生态系统食物链原理，在富营养型水体中可通过放养滤食性动物及螺蛳、蚌等底栖动物，一方面可以实现生产力的转换，一方面能控制水华的发生，同时，这也是恢复和维护健康水生态系统所必须的。关于利用浮游动物摄食浮游藻类的效果，研究表明在实验室规模水平上，对控制藻类密度可以达到很好的效果[4]；而事实上，水体天然条件、水生态系统演替的阶段特征和藻华优势种决定浮游动物的效果（《滇池蓝藻水华污染控制技术研究报告》，中科院水生生物研究所内部资料）。近年来，利用鲢、鳙等滤食性鱼类对水华进行控制的方法引起了人们的重视[5]。我们在曹杨环浜投放了鲢、螺、蚌等水生动物，起到了维护生态平衡，净化水体的作用。参考文献1、孙儒泳，动物生态学原理(第2版)[M]。北京，北京师范大学出版社，1992。2、王国祥，濮培民。若干人工调控措施对富营养化湖泊藻类种群的影响[J]。环境科学，1999，20(2):71－74。3、谢雄飞，肖锦．水体富营养化问题评述[J]．四川环境，2000，19(2)：22～25.4、石岩，张喜勤，付春艳等，1998，浮游动物对净化湖泊富营养化的初步探讨[J]，东北水利水电，3：31～33。5、XieP.,LiuJ.,2001,Practicalsuccessofbiomanipulationusongfilter-feedingfishtocontrolcyanobacteriablooms-asynthesisofdecadesofresearchandapplicationinasubtropicalhyperetrophiclake.TheScientificWorld[J],337-356。作者简介：王春树，男，1967年12月26日生，1992年7月毕业于武汉水利电力学院，学士学位，现工作于上海市河道（水闸）管理处，水闸科科长、工程师