不同生态修复措施对河道水质净化效果的影响试验研究

(乐陵市水务局，山东 乐陵 253600)

在我国经济快速发展过程中，水污染问题越来越突出，再加上我国人均水资源本身就较世界水平低很多，因此，为保护水资源，开展河道生态治理对社会生产、用水安全和经济可持续发展具有重要意义。

多年来，国家将主要精力致力于城镇化进程，往往只注重对城镇河道的生态修复治理，忽略了农村这另一重点区域。农村地区河流具有水量丰富、矿物丰富和生物多样性等特征，是生态环境的主要承载体之一，且承担着防洪、灌溉及排涝抗旱等任务；由于农村地区经济较落后，管理相对不完善，处理水污染的技术较为单一，因此造成了农村河道的水污染问题越来越严重，若在农村河流采取生态修复措施，必然会带来社会、经济和生态的综合效益。蔡金丽[1]、王鑫[2]分别对汾河和大凌河的生态治理技术进行了探讨分析，对流域当地的水污染治理问题起到了推动作用。孙一丹[3]等开展了高原地区河道生态治理模式的研究，提出了原生态型、工程生态型、生物修复型3种河道生态治理模式及不同模式适用条件。

本文在前人的研究基础上，针对漳卫新河乐陵段(主要为农村地区)进行了生态河道、人工湿地以及生态池3种修复措施对水质的净化效果进行对比研究，以期为农村地区类似河流的生态修复提供理论和技术支撑。

1 研究区概况

漳卫新河起源于武城四女寺，全长257km。其中乐陵段全长34.4km，由大孙乡簸箕武家村入境，于朱集镇郭家村出境，境内控制流域面积约为200km2。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量527.1mm，年平均气温为12.4℃，人均水资源占有量为247m3，仅为全国平均水平的10%。漳卫新河历史上总共历经了3次较为严重的水污染事故，给当地的生产生活带来了重大影响，污染主要来源于上游的工业废水、农业化肥等，由于污染源较多、地方政策实施不及时、 治污措施不完善等原因，漳卫新河的污染一直是“治而未愈”。

2 生态修复措施实验设计

a.生态河道修复：尽量保持原河道自然属性，采取对河道疏浚、清淤、以及护坡等修复手段达到河流的自我净化功能，同时提高流域的生态多样性，保持沿岸的生态平衡。本研究主要包括河道的线型选择(蜿蜒型)、断面设计(梯形断面)以及岸坡治理(补种芦苇等植物)等工作；试验生态河道全长300m，弯曲度1.2，块石粒径0.5m，河道护岸边坡坡度为1∶2，堆顶宽度0.5m，修复工程设计如图1(a)所示。

b.人工湿地修复：模拟自然湿地相关功能，由水、动植物、微生物、基质等载体组成，利用生物、物理、化学等各种措施达到水质自我净化。本研究主要包括：表面流人工湿地(坡降0.5%，厚植被土及厚粗砂基质30cm)和潜流人工湿地(坡降1%，人工碎石砾石基质)，植物类型选择芦苇和黄菖蒲，湿地面积为960m2，如图1(b)所示。

c.生态池修复：在水上投放生态浮床、利用“微生物+植物系统”的稀释、沉淀、生物等作用，达到水质的净化目的。浮床为塑料材质，面积为400m2，生态池总面积约为1200m2，试验水深1.5m，植物选用美人蕉、芦苇等，间距为0.5m，如图1(c)所示。

图1 生态修复试验工程设计

3 监测结果分析

3.1 净化效果对比分析

选择COD、TN以及TP 3个作为对比分析的主要指标，选取同一时间段内不同生态措施修复前后指标的对比分析情况如图2所示。从图中可看出。

a. COD在夏季时的浓度较高，春季和冬季的浓度最低；生态河道对COD的净化去除率最高表现在11月，达到33%，最低表现在6—9月，即汛期，这是因为汛期流量增大，冲刷岸坡及扰动河底淤泥，释放其中的污染杂质，因此去除率相对最低；人工湿地对COD的最大净化去除率出现在9月，并从5月开始逐渐升高，这是因为此段时间植物生长茂盛，促进了湿地附近的微生物新陈代谢，加速了污染物质的分解，因而去除率逐渐升高；生态池对COD的最大净化去除率在12月，最小值在9月，且波动幅度很大；总体而言，人工湿地对COD的净化去除效果最佳，生态池由于极不稳定，故排次之，生态河道的净化去除效果最差。

图2 净化效果分析

b. TN在12月的浓度值最大，在汛期时最低；生态河道对TN的净化去除效果最佳表现在7月，去除率为12.3%，整体波动幅度不大，但去除率也较小；人工湿地对TN 的净化去除率最佳表现在8月，达到57%，最小值为12月，人工湿地对TN的去除率的变动幅度很大；生态池对TN的最大去除率在3月，最低去除率在8—11月，这个期间基本为负值；整体而言，生态湿地对TN的去除效果最好，生态池表现次之，生态河道最差。

c. TP在3月份的浓度值最大，最小值在8月；生态河道对TP的去除率在9月前均较小，甚至为负值，这是因为河道流速大，对河道淤泥扰动大，因而去除率低；人工湿地去除效果最好的月份为11月，达到50%，5—7月的去除率较低，8月后较大，这与含氧量增多有关；生态池在8月前对TP的去除率较好，也比较稳定，之后出现较大幅度，没有明显的季节性变化，表明植物生长对去除率的影响不大；整体而言：生态河道对TP 的去除效果最差，生态池对TP的去除效果最佳，人工湿地次之。

3.2 影响因素分析

生态修复措施的各项设计参数对其自身发挥功能效果具有重要影响，合理的生态修复工程设计，才能达到预期的净化效果，否则有可能会适得其反，成为新的污染源。因此，需要寻找不同水力设计因素与去除净化效果的关系，本文研究的水力因素包括水利负荷和污染负荷，研究分析对象是生态河道、生态池以及人工湿地综合系统，单一的人工湿地措施和单一的生态池措施。

计算水力负荷，即单位时间单位面积净化水量：

HL=Q/S

(1)

式中HL——水力负荷，m3/(m2·d)；

Q——流量大小，m3/d；

S——生态修复措施场地面积，m2。

本文所选用的水力负荷，随试验场地不同时间段变化，介于0.03～0.38m3/(m2·d)之间。

那么各污染物质的去除率μ与HL之间的关系见式(2):

μ(α)=a·HL+b

(2)

式中μ(α)——某项污染物的去除率，%；

a、b——与水力负荷相关常数。

单位面积承受的污染总量见式(3)：

M(α)=Q·C0/S

(3)

式中M(α)——污染负荷， g/(m2·d)；

C0——污染物浓度，mg/L。

同理：可以找到在出水口处污染物浓度与污染负荷的关系，见式(4)：

ρ(α)=cM(α)+d

(4)

式中ρ(α)——出口处污染物浓度，mg/L；

c、d——与污染负荷相关的常数。

本文所选取的污染负荷分别为：COD为0～80g/(m2·d)、TN为0～20g/(m2·d)、TP为0～15g/(m2·d)。

采用上述分析式(1)～(4)，通过试验数据计算得到了各自的相关关系，见下表。从表中可以看到：ⓐ综合修复系统对COD及TP的去除率与水力负荷呈负相关，而对TN的去除率则与水力负荷相关性不大，相关性系数R^2仅为0.0103；综合修复系统出水口处的COD及TP浓度与污染负荷呈正相关，TN浓度与污染负荷相关性不大，R^2仅为0.0699；ⓑ人工湿地对COD、TN以及TP的去除率与水力负荷相关性均较弱，出水口处的COD和TP浓度与污染负荷呈较为明显的正相关，TN浓度则与污染负荷相关性不大；ⓒ在生态池修复中，对COD、TN以及TP的去除率与水力负荷的关系不明显，相关性小于0.1，而生态池出口的污染物浓度与污染负荷的关系与综合系统和人工湿地表现一致。

影响因素相关性分析

以上分析可得到：系统对COD及TP的去除率与水力负荷间相关性较强，呈负相关；而人工湿地和生态池对水力负荷的抵抗能力较强，去除率与水力负荷的关系不明显；进水口处的污染负荷越大，出口处的污染物浓度越大，但对TN浓度影响不大。

4 结 论

a.人工湿地则对COD和TN的去除效果最佳，生态池去除TP效果最好，生态河道修复措施对COD、TN和TP的去除净化效果最弱。

b.水力因素对不同污染物质的去除净化效果有直接影响，生态池及人工湿地对水力负荷变化的适应能力较强，去除率与水力负荷的相关性不大。

c.不管采用哪种修复方式，COD、TP进口处的污染负荷越大，出口处的污染浓度越大，而TN的污染负荷与污染浓度关系不大。