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城市河流生态修复研究进展与护岸新技术
浏览次数:386次发布时间:2019-05-15 11:03:37

1 概述

从古至今,城市文明都与河流有着水乳交融的关系,一条河流往往是一个城市文明诞生与发展的见证者; 同时,城市河流作为城市的重要基础设施,既是城市防洪排涝和引水抗旱的通道,又是城市景观和市民休闲的要素[1]。随着我国经济的快速发展和城市化进程加速,我国城市区域内的河流污染问题趋于严重。目前,全国90% 的城市水域遭到了严重污染,50% 的城镇水源不符合饮用水标准,40% 的水源已经无法饮用。长期城市化与工业化对河流生态系统健康状况造成了严重影响,河流生态系统修复逐渐引起人们的重视。近年来西方发达国家纷纷对以往的水质治理思路进行反思,提出了生态治水的新理念,要求尊重河湖系统的自然规律,注重对其自然生态和自然环境的恢复和保护。20 世纪90 年代以来,德国、美国、日本、法国、瑞士、奥地利等国纷纷大规模拆除以前人工在河床上铺设的硬质材料,采用混凝土施工、衬砌河床而忽略自然环境的城市水系治理方法已被各国普遍否定[2-3],建设生态河堤成为国际大趋势。目前国际上河流治理的成功案例有欧洲的莱茵河[4]、多瑙河,韩国的汉江,英国的泰晤士河等。这是一种河流治理战略性的转变,不仅要关注河流的资源功能,还要关注河流的生态功能,通过自然界的自净能力去治理被污染水体,是人与自然和谐相处的水质治理思路[5]。

党的十八大把生态文明建设放在突出的位置,明确提出“建设生态文明,是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计”。水利部2013 年发布了《水利部关于加快推进水生态文明建设工作的意见》(水资源[2013]1 号),明确了水生态文明建设的基本原则、目标和主要工作内容,并选择了45 个基础条件较好、代表性和典型性较强的城市,开展水生态文明城市建设试点工作,探索符合我国水资源、水生态条件的水生态文明城市建设模式。

2 我国城市河流污染成因与整治现状

2.1 污染成因

我国城市河流目前存在较多问题,其中尤为严重的是城市河流污染问题。“70 年代,淘米洗菜; 80 年代,洗衣灌溉; 90 年代,鱼虾绝代”是对20 世纪近郊河流生态演变过程的生动描述。进入21 世纪,各级政府加大了水污染治理力度,污水处理率不断提高,但污水排放量仍保持增长势头,导致河流水环境改善效果并不明显,水体生态系统呈现退化趋势。

(1) 截污不彻底。很多城市污水管网系统不完善,不能充分发挥它应有的作用,造成城市生活污水、工业废水、农业污水、生活垃圾及初期雨水等各种点源、面源污染侵入,破坏了河流系统的平衡性,使水体逐渐失去自净能力。因而,外源污染是导致河流水质恶化的根本原因。此外,目前有些地区的居民阳台落水以及沿街商铺排水的问题同样不容忽视。

(2) 垃圾堆放和倾倒。目前,在很多城郊结合部,还没有完善的垃圾收集处理设施和系统,农村地区的大量生活垃圾和部分工业垃圾无序堆放在河边,甚至直接向河中倾倒。一到雨天,垃圾渗滤液或垃圾就直接进入河流,这些垃圾对河流水体的污染非常严重。

(3) 农业、畜牧业以及渔业污染。在城市外围地区,因农业生产需要而施用的各种氮磷肥,很大一部分通过地表径流进入河流,造成河流水体富营养化; 家禽、畜牧业的排放物污染水体现象也比较突出; 一些地区的渔业发展,也会严重影响水体的自净能力。

(4) 硬质化、规整化的传统河流整治工程破坏了河流的自然属性。在注重人与自然和谐相处的今天,河流生态问题备受关注。但是在传统河流整治工程中,比较片面强调防洪、排水,采取裁弯取直、河流横断面几何规则化、河床材料硬质化等工程措施,改变了河流自然状态下的主流、浅滩和急流相间的格局,改变了水流状态,降低甚至破坏了河流生态系统功能。这些均可能使栖息于河流中的水生动植物丧失生存条件,生物多样性遭到破坏,河流净污和纳污能力大大降低,最终造成水质污染。并且,这种状态一旦破坏便很难恢复[1]。

2.2 整治工程现状

21 世纪初我国逐步开始关注水利生态问题,但总体上重视不够,尤其在河流整治工程中,过度硬化现象非常普遍,尤为突出的表现: ①高堤防洪。防洪堤投入大,维护成本高。真正的防洪之道决不在高筑河堤,而是要建立一个滞洪的湿地系统,从区域尺度上解决水资源的蓄留。②水泥护堤衬底造成寸草不生,光洁的水泥护岸,破坏了自然界原有的调节能力,河流的自净能力消失殆尽,甚至造成水体发臭。③裁弯取直。河流的自然生态是漫长时期内形成的,具有生物的多样性与生物的独特性,弯曲的水流更有利于生物多样性的保护。④高坝蓄水。变流水为死水,人为破坏了河流的连续性等。

自然界中自然化的河流应该是“河流蜿蜒曲折、浅滩深潭交错、急流缓流相间、水流消长自如”,这也是河流的固有属性。成功的城市河流生态修复工程,应该带给人们自然美学的享受,有助于城市居民得到某种“心理恢复”[6]。

3 城市低碳河流生态修复技术

3.1 城市河流生态修复目标与原则

城市河流生态修复的目标不是让河流系统完全恢复到原始的状态,而应该是恢复河流系统的必要功能,使其达到新的动态平衡。一方面,要提高河道稳定性,降低河道维护费用。另一方面,恢复或重构河流生态系统的必要结构和功能,如改善水质、加强栖息地功能等,实现河流生态系统的可持续性,使其实现自我维持。因而,地方政府和水行政主管部门在规划改造河渠塘堰时,宜多些生态环保理念,尽可能保留其原生态之美与自然生机。

工程实践经验表明,对污染河湖的治理,必须实行污染源控制和生态修复相结合的办法。城市河流生态修复应以“系统整合、标本兼治、注重生态、以人为本”为原则,以治理污染为重点,其基本思路可用“截污、疏浚、治岸、修复、管理”来概括[7]。其中截污是生态修复的前提,包括点源污染治理和非点源污染治理; 疏浚、治岸与修复相结合,即定时清理河流底泥,疏通水系,改善河流水动力条件,增加河流的水环境容量,加大河流的自净能力。建设生态护岸和河岸景观带,构建河岸生态系统,充分保证河岸与河流水体之间的水量交换和河流生态系统调节功能。通过物理、化学和生物手段改善河流水质,修复河流生态系统。在实施上述措施的同时,加强管理,逐步减少人为因素对河流水环境的直接破坏,同时,完善滨河活动与休闲设施,实现城市生活向滨水空间的回归。

河流生态修复的主要技术途径包括建设生态型护岸、河流缓冲区恢复、两岸植被恢复、河流补水、生态除淤、生物-生态修复、生境修复等[8]。水生态修复技术应用是河流生态修复的重要方法之一[9],南京外秦淮河治理工程、苏州古城区水环境治理、镇江城市水环境改善工程等均采用了多种水生态修复技术。

3.2 河流低碳生态修复技术

3.2.1 芦苇生态湿地

河流、湖泊中的湿地建设是修复水生态系统的一项重要手段,也可以称为土壤生物工程,国内外有些中小城市甚至用来处理城市的生活污水。河流与湖泊的治理中,在基本不影响行洪和槽蓄功能的前提下,应尽可能保留和建设一些湿地。另外,湿地也是水景观中不可多得的重要元素,它充满了野趣、野味和自然气息,是人们回归自然的一种象征。

芦苇湿地和其他湿地生态系统一样,在调节气候、净化环境和保护生物多样性等方面具有重要意义。①景观效应。芦苇湿地在河流沿线形成了绿色长廊,为人们休憩、娱乐提供了良好场所,提升了整个区域的品味。②自净效应。芦苇湿地有助于减缓水流,当含有毒物及污染物的污水经过湿地时,流速减慢,有利于污染物的沉淀和排除,湿地的生物和化学过程可使有毒物质降解和转化。相关文献研究成果表明,芦苇湿地一般对BOD、TN、TP 的去除率可分别达到80%、85% 和85%,具有显著的生态效益。③固碳与调节气候效应。典型芦苇湿地的固碳能力一般为1.0 ~ 2.4 kg /(m2a),河流整治工程中如新建芦苇湿地1 万m2,其年固碳量约为15 t。在调节气候方面,芦苇湿地积水面积大,特殊地热学性质使芦苇湿地源源不断地为大气提供水分,增加大气湿度。芦苇蒸腾系数为637 ~826,也就是1 t 芦苇在其生长周期内要向空气中蒸腾700 t 左右的水分。1 万m2 的芦苇湿地每年芦苇生产量约250 t,每年可向大气散发水分18 万m3,每克水变成水蒸气需耗热能1.51kJ,大量的水蒸气散发起到了提高空气湿度、降低地表温度、调节区域小气候的良好作用。

3.2.2 生态浮岛技术

生态浮岛技术是植物净水工程的一种,是绿化技术与漂浮技术的结合,类似于陆域植物的种收方法,在局部水域设置浮岛,种植各种适宜的陆生植物和湿生植物。植物生长的浮体一般由发泡聚苯乙烯制成,质轻耐用。岛上植物可供鸟类休息,下部植物根系形成鱼类和水生昆虫生息环境。在美化、绿化水域景观的同时,通过根系的吸收和吸附作用,吸收水体中的氮、磷等元素,并通过收获植物体的方式将其带离湖体,从而达到净化水质、改善景观的目的。与人工湿地技术相比,生态浮岛技术最大的优点在于不另外占地,较适合我国大多数河流无滩涂空间利用的特点。浮岛形状多采用四边形,也可采用三角形、六边形或多种不同形状的组合,边长通常为2 ~ 3 m。各浮岛单元之间预留一定的间隔,相互之间用绳索连接。固定系统要根据地基状况来确定,常用的有重力式、锚固式等。

3.2.3 土壤渗滤技术

该技术也称为土壤含水层处理技术,属于土壤处理技术的一种。其技术原理是以土壤为介质,通过草地、芦苇地、林地等土壤-微生物-植物系统的过滤、物理和化学吸附、离子交换、生物氧化和植物吸收等综合作用,固定与降解污水中的各种污染物,使水质得到不同程度的改善,同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物生长,实现污水资源化与无害化。部分研究成果表明,土壤渗滤系统对BOD 的去除率可达95%,COD 去除率为91%,氨氮去除率为85%左右,TN 去除率为80%,TP 去除率为65%。

3.2.4 沿岸植被缓冲带净化技术

缓冲带就是河流与陆地的交界区域,也可以称为河边湿地、河谷或洪泛平原。在水岸带种植根系发达的植物,由此构成缓冲带,依靠植物吸收营养盐,起过滤效果,依靠减缓波浪的作用进行沉淀、脱氮等; 植被还可以稳固河岸,并形成一个多样性的生态环境,起到保护、恢复自然环境的效果。

4 城市生态岸坡构建新技术

城市河流生态护岸技术往往受制于诸多约束条件。受城市土地开发的影响,河流往往被缩窄并被两条堤防牢牢控制。笔者通过多年的工程实践开发了几种新型生态岸坡构建技术,能够把城市河流护岸的稳定性与生态和谐性很好地结合起来,如空心砌块生态护面的加筋土轻质护岸技术、石笼网装生态袋和废旧轮胎联合的生态护岸技术等,将这些技术与抗污、净化、适生、景观效果好的植被结合起来进行生态护岸建设,具有很好的效果。

4.1 石笼网装生态袋和废旧轮胎联合的生态护岸技术

利用废旧轮胎、石笼网与碎石土生态袋联合,垂直叠砌生态挡墙护岸装置,不仅可以有效解决传统硬质护岸造成的河岸带生态功能弱化问题,而且在防治土质岸坡崩岸及岸坡湿胀干缩或冻胀融沉的变形破坏方面能够起到积极作用,兼具绿色环保、资源节约与循环利用、寿命长三大效益。石笼网装生态袋和废旧轮胎的生态挡墙设计方案(见图1) 是在每层生态袋袋体之间水平铺设植物锚杆,植物锚杆的梢端穿过石笼网孔,外露部分朝向航道侧; 在石笼网挡墙外侧,设有生态防护植被覆盖层(由废旧汽车轮胎腔体中填土并栽种草本植物,再与穿过轮胎间隙的植物锚杆一起形成生态防护植被覆盖层) 。该设计方案带来的绿色环保效益体现在以下4 个方面。

(1) 景观与生态效应。相比硬质护岸工程,石笼网装生态袋和废旧轮胎的生态护岸技术可以把水、河流与堤防、河畔植被连成一体,构成一个完整的河流生态系统。该护岸形式在抵御水流、船行波等侵蚀的同时,改善了栖息地环境和河岸带生态环境。同时,该设计方案中的植被覆盖层在河流沿线形成绿色长廊,可重现碧水漪漪、青草涟涟的动态美。

(2) 自净效应。植被覆盖层中香根草的根系发达,力学效果好,根系抗拉强度能达到75 MPa,在强酸(pH≤4) 、强碱(pH≥11) 、重金属和干旱、渍水、贫瘠等条件下都能生长,即使在茎叶有部分长期淹水的情况下亦能存活。香根草对水体中的氮、磷、COD、BOD 等具有明显的去除效果,能显著改善水质。

(3) 资源节约与循环利用效应。该护岸结构利用废旧汽车轮胎、石笼网及扦插的水陆两栖植被等加筋锚固形成一个岸坡防护的整体面层,可抵抗水流冲刷、船行波侵蚀及偶然的船舶撞击等。100 m长的石笼网装生态袋和废旧轮胎生态护岸将使用约1 000 个废旧汽车轮胎,该新型护岸结构将引导固体废弃物处置技术向资源化、无害化、集约化方向发展。

(4) 寿命长。在该护岸结构中,石笼网内的生态袋柔性结构可抵抗岸坡的崩塌及岸坡湿胀干缩或冻胀融沉的变形破坏,相对传统的硬质护岸,这将使生态护岸挡墙寿命增加,具有显著的直接经济效益。

4.2 空心砌块生态护面的加筋土轻质护岸技术

利用空心砌块生态护面的加筋土轻质护岸技术,可以有效解决河岸的崩岸、坍塌以及因重力式挡墙自重大而需要处理软土地基等问题,而且在改善传统硬质护岸造成的河岸带生态功能弱化方面可起到积极作用。空心砌块生态护面的加筋土轻质护岸挡墙设计方案(见图2) 是在空心砌块层的砌块孔中填充开挖弃土,并种植香根草等草本植物,形成生态驳岸护面,所种植的植物可不给予养护,靠天然降水即可存活。在驳岸挡墙外侧的底面种植引航及消浪的芦苇,形成垂直生态护面,抵抗水流冲刷、船行波侵蚀及偶然的船舶撞击。

该生态护岸结构水位变化区的芦苇、香根草等植物可以净化河流水体中的营养盐和污染物,对富营养化水体可起到一定的净化作用。护坡植物还可以增加水体中的氧气含量,并抑制有害藻类繁殖,防止底泥营养盐向水中的再释放,总氮和总磷含量可显著下降,生物多样性明显增加等。

目前城市河流生态护岸技术虽然已经有一些成功应用的例子,但是还远远不够,应当加强对建设生态护岸重要性的认识,大力推广新技术和新材料,使城市河流重现清澈见底、鱼虾巡游、水草茂盛的自然生态之美[10]。

5 结语

城市河流生态治理需要紧紧围绕城市河流的内涵开展,除了完善防洪、排涝、航运和供水等传统水利功能以外,还应使河流更接近自然状态,力图完善河流生态系统的结构和功能,展现自然河流的美学价值,创造良好的人居环境,实现“美丽中国”的美好蓝图。

(1) 城市河流治理需协同合作。长期以来,我国的水利规划和设计部门主要从防洪、引水等传统工程目标出发进行规划和设计,缺乏生态学方面的专业配合。河流治理是一项综合性系统工程,需要不同专业、不同部门、不同地区的协同合作。修复河流生态功能的思路主要是把河流作为一个系统看待,全面考虑防洪和排水功能的同时,恢复河流的多样性,综合考虑河岸生态带建设,从而形成一个健全的河流生态系统。

(2) 污染源头控制与水生态修复相结合。河流污染源的控制是保护水环境的先决条件,从源头控制污水排入河网应该是解决城市河流水质污染问题的最根本措施。为改善水环境,水生态修复也必不可少,但也应认识到,水生植物群落恢复、植物自身生存繁衍、水体中生物链形成是一个较为缓慢的过程,对水质的改善效果要经过较长时间才能显现。

(3) 加强理论和技术指导。我国河流生态修复技术起步较晚,面对日益加剧的水环境破坏,迫切需要一套完整的修复理论和技术。可采取河流试验和推广示范的做法,促进生态技术修复河流生态功能的理论和技术的应用与完善。

(4) 落实长效管理方案,制定相应的法律法规。我国河网水系面广量大,既要重治理,更要抓管理,要把建立长效管理机制作为城市河流整治的重要目标。借鉴“流域管理和区域管理相结合”的模式和韩国汉江、英国泰晤士河和欧洲莱茵河治理的经验,要求相关区域签订合作公约,奠定共同治理的合作基础,国家对合作公约的基本原则进行规定,充分体现“政府调控、市场推进、注重协调”的原则。

参考文献:

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[5]刘辉,何争妍.利用水生态修复技术治理杭州河流水质的对策与建议[J].杭州科技与农业,2009(1) : 13-15.

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[8]李明传.水环境生态修复国内外研究进展[J].中国水利,2007(11) : 25-27.

[9]周钧.江苏水生态修复中的新技术应用[J].水利技术监督,2004(2) : 49-51.

[10]周扬,徐亚同.生态护岸在城市河流生态修复中的应用[J].上海化工,2009,34(8) : 1-4.

作者简介: 关春曼(1969—),女,吉林省吉林市人,高级工程师,主要从事水利水电工程规划设计工作。

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