污染河道的生态恢复机理研究

郑天柱 周建仁
(河海大学水文水资源及环境学院,江苏南京市，210098)

1 前　言

　　我国沿海河网地区和感潮河段，多为闸控河流，水环境容量小，水体一旦污染即难以恢复。随着经济的发展，含有机物质的生活废水和工业污水排入河道导致河水含氧量下降。这一问题在城镇和郊区普遍存在，在迅速发展的城市往往更为严重，因为人口增长速度远远大于废水收集和处理设施的增长速度。近年来，以农业生产施用农药化肥为主的非点源污染已经成为河流的主要污染源。从河流水质管理的角度来看，河道水体都是具有某种特定功能的，这个功能要求包括保证公众健康；满足生活、工业和农业日常增加的取水量要求；满足商业、娱乐和渔业的用水需求；满足相关的景观和旅游用水。
　　国外[1]河流恢复研究的75％是致力于河道形态的恢复，大约40％是尝试恢复丧失的河岸植被和湿地群落。自然恢复与重建距离河流生态的良性循环要求还相差甚远。目前大多数功能恢复是在小河流中实现的，并且是在小尺度上进行的（长度在5公里左右）。我国在河流污染恢复方面已做了一些工作[2]：如天津市南排污河的整治中，提出上游采取曝气缓流沉降方法，中游河段作为“自然氧化塘”，下游采用砂滤、兼性氧化塘和放养水葫芦等综合方案。

2 研究方法

　　2.1生态工程学理论
　　天然河道是一个复杂的生态系统，由不同的栖息生物群落所组成。这个生态系统的物理结构广义上可以分为：水体的河床(水生物区)、水交换区(两栖区)和受水影响的河岸区。三个区有不同的水文特征，它们直接或间接地制约着生物群落。
　　河流的物理化学特性如流速、侵蚀与淤积、地层特性、光、温度和氧，对其生物特性具有十分重要的作用。
　　河流生态：浮游生物群是指与河流的水生物区中流动的水有关联的游动或浮游的生物。河流的浮游植物只有当其生长速度达到了在水流滞留时群体量能成倍增长的程度，才能保持它的群体。底栖动物主要由无脊椎动物组成，它们生活在河床或靠近河床的地方。不同种类的底栖生物分别适应于不同的水环境条件。水中附着植物(Periphyton)是一种显微型植物，通常出现在岩石、砂粒和淤泥的表面。这种表层藻类附着在高等植物的茎、枝、叶的表面生长，不易脱离附着的物体，它们的营养得到不断补充。巨型植物是根植于或附着于河床质的植物。河流中的巨型植物的成分和茂密程度通常比较稳定，但是存在季节和年际变化。有些浸没在水中，有些则漂浮在水面或完全暴露在空气中。因为巨型植物需要一定的光透入和营养条件，这种植物的成分和茂密程度也是指示水质富营养化以及河床物理条件的标志，巨型植物为细小的无脊椎动物和鱼卵提供了庇护场所。
　　2.2污水净化机理
　　以生态工程学理论为基础，全面调查流域污染源类型和成分，采取污染河道综合生态治理措施。首先着力于污水源头的净化与水质恢复。借鉴国内外的研究成果和工程实例，受污河流恢复净化能力可以采用的方法有：
　　（1）加大河流的枯水流量。加大枯水流量可通过抽水贮存措施或者由水工建筑物合理运行来加大枯水流量，增加河流的稀释能力，从生态工程的角度，则应当在流域内种草植树，增加地下水的涵养量。贮水工程就优先考虑地下工程，减少水的蒸发。
　　（2）采取人工增氧。增氧是近年来污染河流恢复中一种应急方法，尤其对城市水环境的整治起到了一定的作用。从恢复生态学的角度，应当充分利用天然水坝的跌水、水闸泄流和人工水上娱乐设施进行增氧。滞流水域可以设计人工增氧为主的梯级复氧来改善水环境质量。
　　（3）河流专门化或修建净水湖。把天然河道的功能规定为承纳污水或修建人工净化湖，以确保主要河流有较大自净能力，承污河道或人工净化湖则采用以稳定塘为基础的逐级净化技术进行水质恢复。
　　（4）生态化工程措施。生态化工程措施则要求恢复河岸植被，利用水葫芦等水生植物提高水域净化能力；恢复河岸天然湿地，种植芦苇、香蒲等湿地植物；根据生物膜自净原理采用薄层流法和接触法等提高自净效果；改变水环境生态链结构的单一性。
　　对受污染的河道进行分级恢复研究，下面结合工程实例进行分析。
　　新沂河北泓为苏北腹地的污水专线[3]，其污水净化采用生态工程设计，西起沭河交汇处，向东有四座水闸对污水进行调控，三座污水地涵，连同沭河口以上的塔山闸和王庄闸，将污水专线分隔成形状狭长的五级河段稳定塘。见表1。

表1 新沂河北泓污水专线五级河段稳定塘构成 分级 起止段 长度（km） 槽蓄量（m3） 正常情况（流量5m3/s）
污水停留时间（d） 第一级 沭河塔山闸-沭河王庄闸 14 4.0×10⁶ － 第二级 沭河王庄闸-穿淮沭河地涵 － 6.0×10⁶ 13.9 第三级 穿淮沭河地涵-穿叮当河地涵 38 2.4×10⁶ 5.6 第四级 穿叮当河地涵-穿盐河地涵 10 0.4×10⁶ 0.9 第五级 穿盐河地涵-新沂河北中泓挡潮闸 55 1.59×10⁶ 3.7

　　水质模拟：根据污水河段的净水特点，正常情况下（下泄污水流量为5 m3/s），采用一维稳定模型模拟污水CODMn的变化规律。特殊情况（王庄闸翻倒，大量污水下泄），此时生物降解作用对水质变化的贡献很小，稀释作用成为水质变化的主导因素。

3 结果与讨论

　　3.1计算结果：计算结果如表2。结果显示，污水在正常情况下，经过五级稳定塘净化，到达河口挡潮闸时，水质CODMn的浓度达到Ⅲ类水标准。当污水大量下泄时，污水停留时间短（2.5天），水质变化主要是由稀释作用所控制，生物降解较弱，故到达挡潮闸时，CODMn的浓度只下降到14.9mg/L。此时应当加强王庄闸的管理。

表2 各级河段稳定塘出水CODMn浓度模拟结果 排污状况 流量
（m3/s） 各断面CODMn的浓度（mg/L） 王庄闸 沭阳闸 叮当河河口 盐河口 挡潮闸 正常情况
5 30 11 7.4 6.9 5.3 特殊情况 － 30 18.6 16.4 16.1 14.9

　　3.2 讨论：
　　（1）满足河流生态需水量[4]是缺水地区恢复河流生态的关键。
　　（2）河道管理措施如堰闸控制、抽水调水等，改良河流的理化特性，以利于生态恢复。
　　（3）对于污染严重的河流，恢复工程实施之前，应预先清除河道底泥，控制水土流失。

4 结论

　　污染河道的生态恢复是一项跨地区、跨行业的综合性系统工程[5]，其研究内容涉及两方面，即如何将缺损的生态系统重新改造使之恢复原有的生态功能；在此基础上，协调人与自然生态的关系。就污染河流净化能力的恢复而言，生物的多样性恢复至关重要，河水溶解氧水平则是一个关键，氧含量的恢复依靠水流的紊流强度。因此，河道的水流状态、复氧能力、生物链的结构是河流恢复生态的主要因素。

5　参考文献

　　[1]..张永良等.我国水环境容量研究与展望.环境科学论文集[M].中国环境科学出版社.1990.5:165~175.