河道生態(tài)系統(tǒng)包括河流及濱岸帶范圍內(nèi)所有環(huán)境與生物要素，城市河道在行洪排澇、補(bǔ)給地下水、保護(hù)生物多樣性和改善城市局域小氣候方面發(fā)揮著重要作用。但城市化進(jìn)程一般會(huì)對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，如徑流紊亂、水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)退化等。城市建設(shè)用地的增加往往會(huì)縮減城市水域面積，造成城市水網(wǎng)密度下降，而人口數(shù)量的增長(zhǎng)會(huì)引發(fā)城市污水排放量逐年增加，污水處理廠處理能力不足導(dǎo)致河道成為城市污水的集中排放場(chǎng)所，大量污水的匯入會(huì)造成河道內(nèi)污染物含量超標(biāo)(一般達(dá)到劣V類地表水標(biāo)準(zhǔn))，威脅水生生物生存的同時(shí)病原體(細(xì)菌、病毒和寄生蟲(chóng)卵等)也會(huì)隨污水傳播進(jìn)而危害人類健康。此外，城市發(fā)展規(guī)劃通常會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)自然河道進(jìn)行人為改造(截彎取直、護(hù)岸硬質(zhì)化和河道渠道化)，使河道結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單化與固定化，功能趨向景觀綠化與行洪排澇，最終會(huì)導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與能量傳遞途徑受阻，降低水體自凈能力。
一、生態(tài)治理模式概況
近年來(lái)，由城市河道污染所引發(fā)的眾多環(huán)境問(wèn)題逐漸成為制約城市可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境建設(shè)的不斷重視，水環(huán)境污染治理領(lǐng)域呈現(xiàn)出多元化、系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢(shì)。但傳統(tǒng)污染河道的治理方法(物理法、化學(xué)法和生物法)側(cè)重于對(duì)某幾項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的控制和改善，忽視了河道生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要性，致使黑臭水體在治理一段時(shí)間后反復(fù)出現(xiàn)。生態(tài)治理模式是指能夠在不影響河道正常行洪功能的情況下，通過(guò)綜合治理方法恢復(fù)河道內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，借助水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)過(guò)程去除污染物的綜合治理方法，是環(huán)境與生物相互作用的結(jié)果。以往研究證實(shí)了大型水生植物、浮游植物及微生物膜在凈化城市生活污水、工業(yè)廢水等方面的作用，而近幾年國(guó)內(nèi)有關(guān)生態(tài)治理模式應(yīng)用的案例也取得了良好效果。
二、項(xiàng)目背景
2017年北京市五大水系中河流總長(zhǎng)度約2434km，其中劣V類河流長(zhǎng)度占34.7%，其中北運(yùn)河水系整體水環(huán)境質(zhì)量較差。2018年北京市黑臭水體總長(zhǎng)度約50.1km，污染面積約19.2km2。葆李溝跨越豐臺(tái)區(qū)與大興區(qū)，是北運(yùn)河水系中涼水河的一條支流，環(huán)境建設(shè)滯后于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展致使葆李溝生態(tài)環(huán)境破壞與水環(huán)境污染陷入惡性循環(huán)狀態(tài)：岸坡植被稀疏，土壤侵蝕嚴(yán)重；河道內(nèi)泥沙垃圾淤積，水體連續(xù)性差；水生植物種類單一數(shù)量稀少，水體自凈能力低；生活污水與不達(dá)標(biāo)中水(中水水質(zhì)為一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，斷面考核標(biāo)準(zhǔn)為V類地表水標(biāo)準(zhǔn))直排，中水與河道匯流口距斷面考核點(diǎn)距離過(guò)短，無(wú)法充分凈化。經(jīng)檢測(cè)，2016年葆李溝斷面考核點(diǎn)水質(zhì)全年(除汛期外)為劣V類地表水標(biāo)準(zhǔn)，屬于重度黑臭水體。2017年河道斷面考核點(diǎn)COD平均值為83.32mg/L，TP平均值為4.48mg/L，NH3-N平均值為44.07mg/L。
生態(tài)治理模式的應(yīng)用需遵循因地制宜的原則，根據(jù)葆李溝的污染特征實(shí)施了具有針對(duì)性的生態(tài)治理模式，并對(duì)生態(tài)治理模式運(yùn)行后的污染物去除效果以及影響水生植物凈化區(qū)內(nèi)污染物去除貢獻(xiàn)率(該區(qū)域內(nèi)污染物去除量與整體治理模式污染物去除量的百分比)的環(huán)境因子進(jìn)行跟蹤研究。
三、具體措施及研究方法
以靜溝京良路至宏康路段(K0+000~K1+188)為對(duì)象，在截污清淤的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)施以延長(zhǎng)水體駐停時(shí)間、設(shè)置生態(tài)濾床、重建水生植物系統(tǒng)、微生物系統(tǒng)構(gòu)建和水生動(dòng)物系統(tǒng)構(gòu)建等措施相結(jié)合的生態(tài)治理模式，見(jiàn)表1和圖1。通過(guò)在河道內(nèi)建立良性生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)功能，加快污染物的分解轉(zhuǎn)化速度，延長(zhǎng)污水凈化時(shí)間并提升河道水體自凈能力。
2018年3月，研究段內(nèi)所有措施布設(shè)完成并進(jìn)入水環(huán)境修復(fù)期，為評(píng)價(jià)生態(tài)治理模式的成效，需對(duì)河道內(nèi)水質(zhì)(COD，NH3-N，TP、溫度、pH和溶解氧)、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況進(jìn)行檢測(cè)分析。COD、TP和NH3-N檢測(cè)工具為哈希水質(zhì)分析儀(DRB200)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差每組水樣需重復(fù)檢測(cè)2次，pH檢測(cè)工具為pH計(jì)(上海三信PHB-3)，溫度與溶解氧檢測(cè)儀器為便攜式溶氧儀(上海雷磁JPB・607A)o檢測(cè)K0+970〜K1+188水生植物凈化區(qū)內(nèi)水生植物生物量(濕重)，具體方法參照《淡水生物資源調(diào)查技術(shù)規(guī)范：DB43/T432—2009》進(jìn)行，檢測(cè)時(shí)間與次數(shù)與水質(zhì)相同。數(shù)據(jù)分析使用SPSS19.0完成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況。檢測(cè)期間，高立莊污水處理廠中水出水水質(zhì)較穩(wěn)定：NH3-N平均值為29.8mg/L、TP平均值為2.94mg/L、COD平均值為20.2mg/L。
四、結(jié)果討論
4.1 污染物去除率
以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB18918—2002》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB3838—2002》網(wǎng)為參考標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)污染物去除效果。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。
生態(tài)治理模式對(duì)研究段內(nèi)COD的平均去除率達(dá)到66.45%±0.11%?？己藬嗝鍯OD指標(biāo)從2017年的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(83.32mg/L)提升至2018年的U類地表水標(biāo)準(zhǔn)(9.04mg/L)，COD的去除主要依靠濾料的攔截、吸附作用，水生植物的攔截、吸附和吸收作用及微生物的分解作用，但水生植物與微生物在低溫環(huán)境下代謝活動(dòng)較弱問(wèn)，水溫回升至25〜30℃時(shí)，水生植物與微生物代謝活動(dòng)旺盛，濾料、植物根系與人工水草表面形成的微生物膜能夠高效分解吸收水中有機(jī)質(zhì)。此外，沉水植物與挺水植物的根系能夠穩(wěn)定底質(zhì)環(huán)境，避免沉積物中有機(jī)碎屑再懸浮。
生態(tài)治理模式對(duì)研究段內(nèi)TP的平均去除率達(dá)到39.36%±0.01%。考核斷面TP指標(biāo)從2017年二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(4.48mg/L)提升至2018年的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(2.24mg/L)。TP的去除主要依靠生態(tài)濾床中濾料的攔截吸附與微型生態(tài)系統(tǒng)的分解、轉(zhuǎn)化作用以及水生植物與微生物(主要為聚磷菌)的吸收、分解作用。聚磷菌在好氧條件下過(guò)量吸收水中的正磷酸鹽合成聚磷酸鹽儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，在厭氧條件下水解體內(nèi)的聚磷酸鹽并向水中釋放正磷酸鹽呵。水生植物根系周圍好氧環(huán)境有利于除磷菌過(guò)量吸收水體中正磷酸鹽，從而提高TP去除率。
生態(tài)治理模式對(duì)研究段內(nèi)NH3-N的平均去除率達(dá)到36.13%±0.03%?？己藬嗝鍺H3-N均值從2017年的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(44.07mg/L)提升至2018年的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(23.03mg/L)。除濾料與水生植物作用外，微生物膜中一系列脫氮過(guò)程(同化、氨化、硝化和反硝化等)也能夠有效降低NH3-N含量，但微生物的脫氮過(guò)程需要充足的C源作為底物陰，研究段內(nèi)COD平均去除率達(dá)到60%以上，而通過(guò)生態(tài)跌水增加的CO2、CO3-和HCO3-等少量C源并不能充分滿足微生物的代謝活動(dòng)需求，微生物脫氮過(guò)程受到限制是NH3-N去除率較低的原因之一。此外，弱酸性條件下濾料對(duì)NH3-N的去除效果較強(qiáng)，而研究過(guò)程中水體呈現(xiàn)弱堿性，較多的OH-會(huì)影響濾料對(duì)NH3-N的吸附效果問(wèn)，是研究段內(nèi)氨氮去除率較低的另一個(gè)原因。
4.2 污染物去除貢獻(xiàn)率與環(huán)境因子的關(guān)系
利用相關(guān)分析分別研究K0+970~K1+188區(qū)域內(nèi)水生植物生物量(濕重)、溫度、pH和溶解氧與該區(qū)域內(nèi)污染物去除貢獻(xiàn)率的相關(guān)關(guān)系，并使用Pearson相關(guān)系數(shù)表示相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱情況，分析結(jié)果見(jiàn)表4。
水生植物凈化區(qū)內(nèi)，3種污染物的去除貢獻(xiàn)率與水生植物生物量和溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；3種污染物去除貢獻(xiàn)率與pH無(wú)相關(guān)關(guān)系；COD與NH3-N的去除貢獻(xiàn)率與溶解氧呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而TP的去除貢獻(xiàn)率與溶解氧無(wú)相關(guān)關(guān)系。
4.3 河道生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)
項(xiàng)目實(shí)施前后河道生態(tài)系統(tǒng)狀況對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)表5。
表5可知，生態(tài)治理模式運(yùn)行以來(lái)，河道生態(tài)系統(tǒng)(葆李溝)在表觀特征、水文、河道形態(tài)、水質(zhì)和水生生物豐度等方面有明顯改善，河道生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的恢復(fù)不僅能夠改善葆李溝水污染狀況，同時(shí)沿河道形成的生態(tài)恢復(fù)帶有助于物種的遷入，如生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期，草本植物(稗草、菖蒲等)與浮游動(dòng)物(輪蟲(chóng)類、枝角類)會(huì)率先在近岸帶及生態(tài)濾床帶中出現(xiàn)。
4.4 污染物去除效果的優(yōu)化
生態(tài)治理模式去除污染物是多種措施綜合作用的結(jié)果，通過(guò)以上的結(jié)果分析可以看出，目前所采用的生態(tài)治理模式仍有可優(yōu)化提升的空間，在濾料作用區(qū)控制水體弱酸性條件、提高水生植物生物量、控制適宜的水溫、提升水體溶解氧含量和保持水體中有一定量的有機(jī)質(zhì)等措施可以提高整體研究段內(nèi)染污物的去除效果。但考慮到室外條件及成本控制，如何有效控制部分區(qū)域水體酸堿性及水溫等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步的研究。
五、結(jié)論
本次葆李溝水污染治理過(guò)程中，針對(duì)污染源問(wèn)題，前期的截污清淤能夠?qū)⒑拥纼?nèi)污染物含量控制在穩(wěn)定水平。針對(duì)原河道中污水處理路徑較短的問(wèn)題，生態(tài)跌水的建設(shè)與中水匯流口的改造一方面能夠延長(zhǎng)河道內(nèi)水力駐停時(shí)間，使污染物得到充分凈化;另一方面穩(wěn)定的水文條件能夠?yàn)樗锛拔⑸锾峁┻m宜的棲息環(huán)境。針對(duì)治理前河道內(nèi)水質(zhì)惡化嚴(yán)重的問(wèn)題，將人工水草微生物凈化作用集中在凈化流程的中后段，前期生態(tài)濾床與大型水生植物的初步凈化能夠?qū)⒑拥纼?nèi)污染物含量控制在微生物生存的耐受范圍之內(nèi)，為微生物掛膜提供有益環(huán)境。生態(tài)治理模式運(yùn)行期間，水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最終進(jìn)入水生植物及濾食性動(dòng)物體內(nèi)，對(duì)水生生物的收割和打撈能夠及時(shí)將營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移出河道，避免水生生物死亡后營(yíng)養(yǎng)元素再次進(jìn)入河道。
葆李溝生態(tài)治理模式運(yùn)行期間，研究段內(nèi)COD平均去除率為66.45%±0.11%，TP平均去除率為39.36%±0.01%，NH3-N平均去除率為36.13%土0.03%；其中K0+970-K1+188水生植物凈化區(qū)內(nèi)COD、TP和NH3-N的去除貢獻(xiàn)率與水生植物生物量、溫度呈顯著正相關(guān)；生態(tài)治理模式在有效去除水體內(nèi)污染物的同時(shí)，能夠沿河道建立生態(tài)的恢復(fù)帶，對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有實(shí)際意義；弱酸性條件、提高水生植物生物量、適宜的溫度、提高溶解氧含量和一定量的有機(jī)質(zhì)等措施能夠提升生態(tài)治理模式中污染物的去除效果。( >
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