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城市河流生態修複研究進展與護岸新技術
瀏覽次數:494次發布時間:2019-05-15 11:03:37

1 概述

從古至今,城市文明都與河流有著水乳交融的關係,一條河流往往是一個城市文明誕生與發展的見證者; 同時,城市河流作為城市的重要基礎設施,既是城市防洪排澇和引水抗旱的通道,又是城市景觀和市民休閑的要素[1]。隨著我國經濟的快速發展和城市化進程加速,我國城市區域內的河流汙染問題趨於嚴重。目前,全國90% 的城市水域遭到了嚴重汙染,50% 的城鎮水源不符合飲用水標準,40% 的水源已經無法飲用。長期城市化與工業化對河流生態係統健康狀況造成了嚴重影響,河流生態係統修複逐漸引起人們的重視。近年來西方發達國家紛紛對以往的水質治理思路進行反思,提出了生態治水的新理念,要求尊重河湖係統的自然規律,注重對其自然生態和自然環境的恢複和保護。20 世紀90 年代以來,德國、美國、日本、法國、瑞士、奧地利等國紛紛大規模拆除以前人工在河床上鋪設的硬質材料,采用混凝土施工、襯砌河床而忽略自然環境的城市水係治理方法已被各國普遍否定[2-3],建設生態河堤成為國際大趨勢。目前國際上河流治理的成功案例有歐洲的萊茵河[4]、多瑙河,韓國的漢江,英國的泰晤士河等。這是一種河流治理戰略性的轉變,不僅要關注河流的資源功能,還要關注河流的生態功能,通過自然界的自淨能力去治理被汙染水體,是人與自然和諧相處的水質治理思路[5]。

黨的十八大把生態文明建設放在突出的位置,明確提出“建設生態文明,是關係人民福祉、關乎民族未來的長遠大計”。水利部2013 年發布了《水利部關於加快推進水生態文明建設工作的意見》(水資源[2013]1 號),明確了水生態文明建設的基本原則、目標和主要工作內容,並選擇了45 個基礎條件較好、代表性和典型性較強的城市,開展水生態文明城市建設試點工作,探索符合我國水資源、水生態條件的水生態文明城市建設模式。

2 我國城市河流汙染成因與整治現狀

2.1 汙染成因

我國城市河流目前存在較多問題,其中尤為嚴重的是城市河流汙染問題。“70 年代,淘米洗菜; 80 年代,洗衣灌溉; 90 年代,魚蝦絕代”是對20 世紀近郊河流生態演變過程的生動描述。進入21 世紀,各級政府加大了水汙染治理力度,汙水處理率不斷提高,但汙水排放量仍保持增長勢頭,導致河流水環境改善效果並不明顯,水體生態係統呈現退化趨勢。

(1) 截汙不徹底。很多城市汙水管網係統不完善,不能充分發揮它應有的作用,造成城市生活汙水、工業廢水、農業汙水、生活垃圾及初期雨水等各種點源、麵源汙染侵入,破壞了河流係統的平衡性,使水體逐漸失去自淨能力。因而,外源汙染是導致河流水質惡化的根本原因。此外,目前有些地區的居民陽台落水以及沿街商鋪排水的問題同樣不容忽視。

(2) 垃圾堆放和傾倒。目前,在很多城郊結合部,還沒有完善的垃圾收集處理設施和係統,農村地區的大量生活垃圾和部分工業垃圾無序堆放在河邊,甚至直接向河中傾倒。一到雨天,垃圾滲濾液或垃圾就直接進入河流,這些垃圾對河流水體的汙染非常嚴重。

(3) 農業、畜牧業以及漁業汙染。在城市外圍地區,因農業生產需要而施用的各種氮磷肥,很大一部分通過地表徑流進入河流,造成河流水體富營養化; 家禽、畜牧業的排放物汙染水體現象也比較突出; 一些地區的漁業發展,也會嚴重影響水體的自淨能力。

(4) 硬質化、規整化的傳統河流整治工程破壞了河流的自然屬性。在注重人與自然和諧相處的今天,河流生態問題備受關注。但是在傳統河流整治工程中,比較片麵強調防洪、排水,采取裁彎取直、河流橫斷麵幾何規則化、河床材料硬質化等工程措施,改變了河流自然狀態下的主流、淺灘和急流相間的格局,改變了水流狀態,降低甚至破壞了河流生態係統功能。這些均可能使棲息於河流中的水生動植物喪失生存條件,生物多樣性遭到破壞,河流淨汙和納汙能力大大降低,最終造成水質汙染。並且,這種狀態一旦破壞便很難恢複[1]。

2.2 整治工程現狀

21 世紀初我國逐步開始關注水利生態問題,但總體上重視不夠,尤其在河流整治工程中,過度硬化現象非常普遍,尤為突出的表現: ①高堤防洪。防洪堤投入大,維護成本高。真正的防洪之道決不在高築河堤,而是要建立一個滯洪的濕地係統,從區域尺度上解決水資源的蓄留。②水泥護堤襯底造成寸草不生,光潔的水泥護岸,破壞了自然界原有的調節能力,河流的自淨能力消失殆盡,甚至造成水體發臭。③裁彎取直。河流的自然生態是漫長時期內形成的,具有生物的多樣性與生物的獨特性,彎曲的水流更有利於生物多樣性的保護。④高壩蓄水。變流水為死水,人為破壞了河流的連續性等。

自然界中自然化的河流應該是“河流蜿蜒曲折、淺灘深潭交錯、急流緩流相間、水流消長自如”,這也是河流的固有屬性。成功的城市河流生態修複工程,應該帶給人們自然美學的享受,有助於城市居民得到某種“心理恢複”[6]。

3 城市低碳河流生態修複技術

3.1 城市河流生態修複目標與原則

城市河流生態修複的目標不是讓河流係統完全恢複到原始的狀態,而應該是恢複河流係統的必要功能,使其達到新的動態平衡。一方麵,要提高河道穩定性,降低河道維護費用。另一方麵,恢複或重構河流生態係統的必要結構和功能,如改善水質、加強棲息地功能等,實現河流生態係統的可持續性,使其實現自我維持。因而,地方政府和水行政主管部門在規劃改造河渠塘堰時,宜多些生態環保理念,盡可能保留其原生態之美與自然生機。

工程實踐經驗表明,對汙染河湖的治理,必須實行汙染源控製和生態修複相結合的辦法。城市河流生態修複應以“係統整合、標本兼治、注重生態、以人為本”為原則,以治理汙染為重點,其基本思路可用“截汙、疏浚、治岸、修複、管理”來概括[7]。其中截汙是生態修複的前提,包括點源汙染治理和非點源汙染治理; 疏浚、治岸與修複相結合,即定時清理河流底泥,疏通水係,改善河流水動力條件,增加河流的水環境容量,加大河流的自淨能力。建設生態護岸和河岸景觀帶,構建河岸生態係統,充分保證河岸與河流水體之間的水量交換和河流生態係統調節功能。通過物理、化學和生物手段改善河流水質,修複河流生態係統。在實施上述措施的同時,加強管理,逐步減少人為因素對河流水環境的直接破壞,同時,完善濱河活動與休閑設施,實現城市生活向濱水空間的回歸。

河流生態修複的主要技術途徑包括建設生態型護岸、河流緩衝區恢複、兩岸植被恢複、河流補水、生態除淤、生物-生態修複、生境修複等[8]。水生態修複技術應用是河流生態修複的重要方法之一[9],南京外秦淮河治理工程、蘇州古城區水環境治理、鎮江城市水環境改善工程等均采用了多種水生態修複技術。

3.2 河流低碳生態修複技術

3.2.1 蘆葦生態濕地

河流、湖泊中的濕地建設是修複水生態係統的一項重要手段,也可以稱為土壤生物工程,國內外有些中小城市甚至用來處理城市的生活汙水。河流與湖泊的治理中,在基本不影響行洪和槽蓄功能的前提下,應盡可能保留和建設一些濕地。另外,濕地也是水景觀中不可多得的重要元素,它充滿了野趣、野味和自然氣息,是人們回歸自然的一種象征。

蘆葦濕地和其他濕地生態係統一樣,在調節氣候、淨化環境和保護生物多樣性等方麵具有重要意義。①景觀效應。蘆葦濕地在河流沿線形成了綠色長廊,為人們休憩、娛樂提供了良好場所,提升了整個區域的品味。②自淨效應。蘆葦濕地有助於減緩水流,當含有毒物及汙染物的汙水經過濕地時,流速減慢,有利於汙染物的沉澱和排除,濕地的生物和化學過程可使有毒物質降解和轉化。相關文獻研究成果表明,蘆葦濕地一般對BOD、TN、TP 的去除率可分別達到80%、85% 和85%,具有顯著的生態效益。③固碳與調節氣候效應。典型蘆葦濕地的固碳能力一般為1.0 ~ 2.4 kg /(m2a),河流整治工程中如新建蘆葦濕地1 萬m2,其年固碳量約為15 t。在調節氣候方麵,蘆葦濕地積水麵積大,特殊地熱學性質使蘆葦濕地源源不斷地為大氣提供水分,增加大氣濕度。蘆葦蒸騰係數為637 ~826,也就是1 t 蘆葦在其生長周期內要向空氣中蒸騰700 t 左右的水分。1 萬m2 的蘆葦濕地每年蘆葦生產量約250 t,每年可向大氣散發水分18 萬m3,每克水變成水蒸氣需耗熱能1.51kJ,大量的水蒸氣散發起到了提高空氣濕度、降低地表溫度、調節區域小氣候的良好作用。

3.2.2 生態浮島技術

生態浮島技術是植物淨水工程的一種,是綠化技術與漂浮技術的結合,類似於陸域植物的種收方法,在局部水域設置浮島,種植各種適宜的陸生植物和濕生植物。植物生長的浮體一般由發泡聚苯乙烯製成,質輕耐用。島上植物可供鳥類休息,下部植物根係形成魚類和水生昆蟲生息環境。在美化、綠化水域景觀的同時,通過根係的吸收和吸附作用,吸收水體中的氮、磷等元素,並通過收獲植物體的方式將其帶離湖體,從而達到淨化水質、改善景觀的目的。與人工濕地技術相比,生態浮島技術最大的優點在於不另外占地,較適合我國大多數河流無灘塗空間利用的特點。浮島形狀多采用四邊形,也可采用三角形、六邊形或多種不同形狀的組合,邊長通常為2 ~ 3 m。各浮島單元之間預留一定的間隔,相互之間用繩索連接。固定係統要根據地基狀況來確定,常用的有重力式、錨固式等。

3.2.3 土壤滲濾技術

該技術也稱為土壤含水層處理技術,屬於土壤處理技術的一種。其技術原理是以土壤為介質,通過草地、蘆葦地、林地等土壤-微生物-植物係統的過濾、物理和化學吸附、離子交換、生物氧化和植物吸收等綜合作用,固定與降解汙水中的各種汙染物,使水質得到不同程度的改善,同時通過營養物質和水分的生物地球化學循環,促進綠色植物生長,實現汙水資源化與無害化。部分研究成果表明,土壤滲濾係統對BOD 的去除率可達95%,COD 去除率為91%,氨氮去除率為85%左右,TN 去除率為80%,TP 去除率為65%。

3.2.4 沿岸植被緩衝帶淨化技術

緩衝帶就是河流與陸地的交界區域,也可以稱為河邊濕地、河穀或洪泛平原。在水岸帶種植根係發達的植物,由此構成緩衝帶,依靠植物吸收營養鹽,起過濾效果,依靠減緩波浪的作用進行沉澱、脫氮等; 植被還可以穩固河岸,並形成一個多樣性的生態環境,起到保護、恢複自然環境的效果。

4 城市生態岸坡構建新技術

城市河流生態護岸技術往往受製於諸多約束條件。受城市土地開發的影響,河流往往被縮窄並被兩條堤防牢牢控製。筆者通過多年的工程實踐開發了幾種新型生態岸坡構建技術,能夠把城市河流護岸的穩定性與生態和諧性很好地結合起來,如空心砌塊生態護麵的加筋土輕質護岸技術、石籠網裝生態袋和廢舊輪胎聯合的生態護岸技術等,將這些技術與抗汙、淨化、適生、景觀效果好的植被結合起來進行生態護岸建設,具有很好的效果。

4.1 石籠網裝生態袋和廢舊輪胎聯合的生態護岸技術

利用廢舊輪胎、石籠網與碎石土生態袋聯合,垂直疊砌生態擋牆護岸裝置,不僅可以有效解決傳統硬質護岸造成的河岸帶生態功能弱化問題,而且在防治土質岸坡崩岸及岸坡濕脹幹縮或凍脹融沉的變形破壞方麵能夠起到積極作用,兼具綠色環保、資源節約與循環利用、壽命長三大效益。石籠網裝生態袋和廢舊輪胎的生態擋牆設計方案(見圖1) 是在每層生態袋袋體之間水平鋪設植物錨杆,植物錨杆的梢端穿過石籠網孔,外露部分朝向航道側; 在石籠網擋牆外側,設有生態防護植被覆蓋層(由廢舊汽車輪胎腔體中填土並栽種草本植物,再與穿過輪胎間隙的植物錨杆一起形成生態防護植被覆蓋層) 。該設計方案帶來的綠色環保效益體現在以下4 個方麵。

(1) 景觀與生態效應。相比硬質護岸工程,石籠網裝生態袋和廢舊輪胎的生態護岸技術可以把水、河流與堤防、河畔植被連成一體,構成一個完整的河流生態係統。該護岸形式在抵禦水流、船行波等侵蝕的同時,改善了棲息地環境和河岸帶生態環境。同時,該設計方案中的植被覆蓋層在河流沿線形成綠色長廊,可重現碧水漪漪、青草漣漣的動態美。

(2) 自淨效應。植被覆蓋層中香根草的根係發達,力學效果好,根係抗拉強度能達到75 MPa,在強酸(pH≤4) 、強堿(pH≥11) 、重金屬和幹旱、漬水、貧瘠等條件下都能生長,即使在莖葉有部分長期淹水的情況下亦能存活。香根草對水體中的氮、磷、COD、BOD 等具有明顯的去除效果,能顯著改善水質。

(3) 資源節約與循環利用效應。該護岸結構利用廢舊汽車輪胎、石籠網及扡插的水陸兩棲植被等加筋錨固形成一個岸坡防護的整體麵層,可抵抗水流衝刷、船行波侵蝕及偶然的船舶撞擊等。100 m長的石籠網裝生態袋和廢舊輪胎生態護岸將使用約1 000 個廢舊汽車輪胎,該新型護岸結構將引導固體廢棄物處置技術向資源化、無害化、集約化方向發展。

(4) 壽命長。在該護岸結構中,石籠網內的生態袋柔性結構可抵抗岸坡的崩塌及岸坡濕脹幹縮或凍脹融沉的變形破壞,相對傳統的硬質護岸,這將使生態護岸擋牆壽命增加,具有顯著的直接經濟效益。

4.2 空心砌塊生態護麵的加筋土輕質護岸技術

利用空心砌塊生態護麵的加筋土輕質護岸技術,可以有效解決河岸的崩岸、坍塌以及因重力式擋牆自重大而需要處理軟土地基等問題,而且在改善傳統硬質護岸造成的河岸帶生態功能弱化方麵可起到積極作用。空心砌塊生態護麵的加筋土輕質護岸擋牆設計方案(見圖2) 是在空心砌塊層的砌塊孔中填充開挖棄土,並種植香根草等草本植物,形成生態駁岸護麵,所種植的植物可不給予養護,靠天然降水即可存活。在駁岸擋牆外側的底麵種植引航及消浪的蘆葦,形成垂直生態護麵,抵抗水流衝刷、船行波侵蝕及偶然的船舶撞擊。

該生態護岸結構水位變化區的蘆葦、香根草等植物可以淨化河流水體中的營養鹽和汙染物,對富營養化水體可起到一定的淨化作用。護坡植物還可以增加水體中的氧氣含量,並抑製有害藻類繁殖,防止底泥營養鹽向水中的再釋放,總氮和總磷含量可顯著下降,生物多樣性明顯增加等。

目前城市河流生態護岸技術雖然已經有一些成功應用的例子,但是還遠遠不夠,應當加強對建設生態護岸重要性的認識,大力推廣新技術和新材料,使城市河流重現清澈見底、魚蝦巡遊、水草茂盛的自然生態之美[10]。

5 結語

城市河流生態治理需要緊緊圍繞城市河流的內涵開展,除了完善防洪、排澇、航運和供水等傳統水利功能以外,還應使河流更接近自然狀態,力圖完善河流生態係統的結構和功能,展現自然河流的美學價值,創造良好的人居環境,實現“美麗中國”的美好藍圖。

(1) 城市河流治理需協同合作。長期以來,我國的水利規劃和設計部門主要從防洪、引水等傳統工程目標出發進行規劃和設計,缺乏生態學方麵的專業配合。河流治理是一項綜合性係統工程,需要不同專業、不同部門、不同地區的協同合作。修複河流生態功能的思路主要是把河流作為一個係統看待,全麵考慮防洪和排水功能的同時,恢複河流的多樣性,綜合考慮河岸生態帶建設,從而形成一個健全的河流生態係統。

(2) 汙染源頭控製與水生態修複相結合。河流汙染源的控製是保護水環境的先決條件,從源頭控製汙水排入河網應該是解決城市河流水質汙染問題的最根本措施。為改善水環境,水生態修複也必不可少,但也應認識到,水生植物群落恢複、植物自身生存繁衍、水體中生物鏈形成是一個較為緩慢的過程,對水質的改善效果要經過較長時間才能顯現。

(3) 加強理論和技術指導。我國河流生態修複技術起步較晚,麵對日益加劇的水環境破壞,迫切需要一套完整的修複理論和技術。可采取河流試驗和推廣示範的做法,促進生態技術修複河流生態功能的理論和技術的應用與完善。

(4) 落實長效管理方案,製定相應的法律法規。我國河網水係麵廣量大,既要重治理,更要抓管理,要把建立長效管理機製作為城市河流整治的重要目標。借鑒“流域管理和區域管理相結合”的模式和韓國漢江、英國泰晤士河和歐洲萊茵河治理的經驗,要求相關區域簽訂合作公約,奠定共同治理的合作基礎,國家對合作公約的基本原則進行規定,充分體現“政府調控、市場推進、注重協調”的原則。

參考文獻:

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[6]董哲仁,孫東亞.生態水利工程原理與技術[M].北京: 中國水利水電出版社,2007.

[7]萬清華,洪舜.城市河道汙染成因及綜合治理方案研究[EB/OL].[2007-01-08].http: / /www.paper.edu.cn.

[8]李明傳.水環境生態修複國內外研究進展[J].中國水利,2007(11) : 25-27.

[9]周鈞.江蘇水生態修複中的新技術應用[J].水利技術監督,2004(2) : 49-51.

[10]周揚,徐亞同.生態護岸在城市河流生態修複中的應用[J].上海化工,2009,34(8) : 1-4.

作者簡介: 關春曼(1969—),女,吉林省吉林市人,高級工程師,主要從事水利水電工程規劃設計工作。

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