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城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究中文摘要 中文摘要 城市河流作为自然流域的一部分，参与整个水文循环过程，但他又深受城市 环境的影响。因此，探讨在目前城市污染格局下平原河网结构形态与生态修复程 序对水体主要污染物之一氮素自净能力、环境容量、营养循环的影响，对指导城 市内河生态修复、恢复河流生态结构与净化功能具有的理论与实际意义。 本文通过在室内开展河道流速、弯曲度、有效光辐射等物理条件以及曝气与 植物修复等修复方法对河流氮素净化功能的影响的模拟实验，得出以下重要结论。 缓流水体水中氮素含量变化受流速的影响很大。当河流的流速低于0 5 m h 时， 水体中烈含量最高，河水中含氮污染物主要以沉积为主，污染物的降解速度很慢。 由于水体在流动状态下大气复氧速率会大大上升，有机氮的矿化与氨氮的硝化反 应也更利于进行。当流速超过1 5m h 时，会使河道中的t n 含量快速降低，这表 明河流水动力条件的加强有利于含氮污染物的降解。 河流弯曲度的增大也有利于氮素的净化。而弯曲度太大，又会增大水与底泥 的接触面积，造成底泥中含氮污染物向水体扩散而影响水质。实验发现与t n 相比， 弯曲度增加更有利于n h 3 - n 与n 0 3 - n 的降解。 城市化发展对河流影响的另一个特点是高大建筑物强烈减少了河流生态系统 的有效光辐射。光照强度的改变会影响到水体生物群落的结构与生产力，以及污 染物的转化过程。实验发现，日光直射的水体中氮素的含量明显比无直射的水体 低。因此，这在城市规划或生态河网建设中要引起高度重视。 有机质含量高的底泥向水体中释放氮素的速度与浓度都更高。在底泥有机质 含量为4 1 2 3 9 k g 的水体中t n 的最高浓度达到1 4 1 7 m g l 。有机质含量低的底泥 释放n h 玉- n 的速度快，但释放总量有限。有机质含量最高的底泥表现出较强的持 续大量释放n h 3 n 的能力j 水网藻比金鱼藻更耐污染，在富营养化严重的城市内河进行水体修复时可优 先考虑使用水网藻作为修复植物，但待水体中营养盐浓度降至一定的程度时，可 选用金鱼藻作为后续修复植物。 采用向水体曝气可以有效地促使总氮与n h 3 - n 的降解，此时再以土著水生植 物进行修复可以显著地提高水体修复的效果、稳定性与修复成功的保证率，并使 i 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究中文摘要 1 n 、n h 3 - n 维持在1 0 i n g l 和o 5 m g l 以下。但应避免城市内河有效光辐射的减 少对水体修复影响。 关键词：城市内河；河道结构；生态恢复；氮素；实验模拟 作者：顾俊 指导老师：刘德启 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 英文摘要 e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fu 而a nr i v e ra n di t se f f e c t so n t r a n s f o n l l a t i o no f n i t r o g e n a b s t r a c t - u r b 缸棚，弱ap a r to f1 1 暑曲糟r i v 贸b 鹊i z l ，p 删c i p a l e 也ew h o l eh y d r o l o 西cc y c l e a n dl l 蜀l v eb e e np r o f 0 棚yi n n u e n c e db yt h eu r b 孤e n v i r l 0 i l i i l e n t s o ，u n d e rt h ep r c s e n t l y c i r c u i i l s 妇n c e so fu r b a np o l l u t i o n ， i no r d e rt 0s w ，e r v i 也ec 0 枷c t i o no f 讪a n e c o l o g i c a lr i v e r 球出o r k ，r e k 出i l i t a t i i l ge c 0 1 0 西c a ls 饥尬t u r e 趾d 如n c t i o no fr i 、n e r ，i ti s r e a l l yi l i l p o n a 皿tt 0d i s c o v c f y 也e 豫l a l i o n s i 卸b e 细e 髓r i v e r 姗c n 玎e & p r o c c d u r eo f e c o l o 百c d s 锄嘶o na n dw 暑l t e fb o d y 鲥邱证丘c a t i o l l e n 妇僦姗t a lc 印a c 卸& 瑚i 枷o nc y c l eo fn i 臼d g e n r 1 1 1 i sa r t i c l e 弛a l y z e sp h y s i c a lc o n d i t i o 璐l i l 【es p e e do fn o w ，廿1 cb e n d i n gc o e 伍c i e 地 a c t i v ep h o t o s y n t h e s i sr a d i a ：t i o na 1 1 d 触僦o nm e 也o d sl i l 【ea e 础o n ，b i o r e m e d i a t i o nt o m e 曲i a n g e so fn i t r o g e n l p u r i f i c a t i o 玛趾dw eo b t a i 】d 南l l o w i i l gi i l l p o r t 孤t c o n c l u s i o n ： t h es p e e do f n o wh 嬲肌i m p o r t a n te f i 如0 n 也ec o n 吲1 t r a c t i o no f n i n d g 吼i nw 她r 珊瑚也es p e e do fn o wb 1 0 、) l ，so 5m h c o 删i o no ft ni nw 掀i sm o s tl l i 曲， c o m 龇1 1 i i 嘶o n si nt h er i v 盯w e m a i l l l yi nt t l ef o mo fd e p o s 沁船t eo fb i o d e 掣a d a t i o ni s v e 巧s 1 0 w l y t h er a t eo fw a 衙r e a e 础o nb y 她o s p h e 阳i n c r e 船e dg r e a n yi n 廿l es t a _ t eo f n o 、) i i n gw a l e r ，m i n 懿d i z a t i o na n dn i 缸诳c a t i o nb e c o m e sm o 陀e 笛i l y w h 吼t 1 1 es p e e d o fn o we x c e e d s1 sm 仳m ec o n c e 曲眦i o no fn i n o g e ns i 弘i f i c a n t l yd e c r c 嬲e d ，w h i c h s h o w e dt l l a ts 妇1 酊h e n i n gh y d r o d ) r n a m i cc o n i d i t i o nc o u l dp 内m o t ed 删a t i o no f n 谂g e n m c r e a o ft h eb e n d i n gc o e 伍c i e mo fi i v e r sc 0 i l l da l s oa d 嗽g e o 璐t 0 也e d e c o n _ t a 】商n a t i o no f 曲胁g 髓i n 1 ew a t e rb o d y b u tt o ol 鹕eb e n d i r 坶c o e m c i e mc o u 1 d m c r e 弱em ec o n 切c t e d 甜b e t w e e i lw a t e r 觚db 0 钍o ms l u d g e ，w l l i c h 、阳u l da 疏c tt h e w 砒凹q 砌毋b y 廿硷p o l l l l t 锄t si 1 1n 坨b 矾o ms l u d g ed i f i h et 0 廿1 e 吐e rb o d yr i k e x p e 池e n tr e s u ni i l d i c a t e dt h a t i nc o m p 撕s o n 谢t ht n ，i n c 陀邪锄e n t0 ib e n d i n g c o e 笳c i e n tw 硒m o r eg o o df o rd e 删o no f n h 3 - n 锄dn 伤- n i i i 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究英文摘要 a n o 让埘e 丘融o fu r b 撕z e dd e v e l o p m e n tt o 也er i v c rw a s 也cb i gb u i l d m gi n t e n s e l y r e d i l c e dm ea c t i v ep h o t o s y n t h e s i sr a d i 撕o no ft h er i v e re c o s y s t e m t h ec h a i l 驴o f i l l 啪i n 面o ni i l t e i l s i 锣w o u l da f f e c t 也es t n l c t u r e 锄dp r o d u c t i v i t ) ，o fc r i t t e rc o m m u i l i 哆 i nw a ：0 e rb o d 弘弱w e l l 嬲p o l l u t a n tc o n v e r s i o np r o c e s s “w 雒f o u n dm 鸸t h e c o n c 删o no fi 船o g e ni nw a t e rb o d yw h i c h 啪d e rs t r a i g h ts 吼s 1 1 i n ew 勰o b v i o l l s l y l o w e rt h 孤i i lt h ew a t | e rb o d ya w a y 自o md n c ts u n l i g h t ，s ow 弱n l ep h o s p h o m s t h e r e f o r e ，t h i ss h ( m l dc a ：i l s e1 1 i g h l yr e c o 鲥t i o ni n 协eu r b a np l a n l l i n ga n dc o m t m c t i o n o fu l b 孤e c o l o 垂c a lr i v e rn e 伯，o 伙 s e d i n ：l e n tw 诳lh i g ho 略a i l i cs u b s t a n c e sc o n t e n tr e l e 弱e sm o r ei l i t r o g e nt 0w a t 筑 1 h ec o n c e 眦l t i o no f t nr e a c h e d1 4 1 7 m g li i lw a t c rw h e nn l ec o n c e n 乜匝i o no f o 玛a i l i c m a 戗e ri ns e d i r n e n ti s4 1 2 3 9 l 【g s e d i i n e n t 谢t h1 e s so 瑁m i cs 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l o w1 0 m g l 觚do 5 m g l t h er e d l 脱o fe 毹c t i v eo p t i c a lr a d i 撕o n m 1 】s tb ea v o i d e di nb i o r e r n e d i a ：t i o n k e y w o r d ：u r b a n 洫i 姐dr i v e r s ，血嘲? 蚰r i l 舭，w 掀q 谳时r e s t o r a ：c i o n n i 仃o g e i l ， e x p e r i 】【i l e n t ms i i n u l a t i o n w r i t t e n b y ：g uj u n s u p e r y i s e db y ：l i ud e q i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名： 基建一日期：业 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：匦丝 日期：迦e 。j 三 i 导师签名：玉i j 垒日期：趔：s ! 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究第一章前言 第一章前言 1 1 城市化与河流 城市河流作为自然流域的一部分，它参与整个水文循环过程，但他又深受城 市环境的影响。在城市生态建设过程中，河流显示出不可替代的作用，城市河流 具有水源地、水路运输、旅游娱乐、物质循环与生态保护、减弱城市热岛效应及 调节局部气候等功能【蚓。在城市化初级阶段，城市河流依然呈现自然生态系统的 特性。随着人类对河流的利用强度和伴随而来的破坏强度不断增加，使河流的自 然生态系统日益遭到人类生活的影响。城市河流也就成为了自然与人文交互作用 的复杂生态系统。那些人类活动频繁的地区河流，受人类生存活动的影响特别大， 自然生态系统明显退化，以致有些河流不但鱼虾绝迹，连水草也难见【3 】。 1 1 1 城市化对河流形态的影响 城市化对河流形态的影响主要表现在自然河流的渠道化，主要包括以下三个 方面【4 j - 1 ) 河流形态直线化：即将蜿蜒曲折的天然河流进行裁弯取直，改造成直线或 折线型的人工河流或人工河网。 2 ) 河道横断面规则化：把自然河流截面的复杂形状变成梯形或矩形等规则几 何断面。 3 ) 河床材料的硬质化：河道的边坡及河床采用混凝土、石块等硬质材料衬砌。 原先的土质或散卵石质的河床被覆盖。 1 1 2 城市化对河流污染物输入的影响 据估计，全世界各城市地区每年排入水体的工业废水和生活污水达5 0 0 0 亿吨 以上，使城市河流污染类型十分齐全，主要包括：有机物污染、重金属污染、酸 碱污染、病毒细菌污染等【l 】。 有机污染物是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然 有机物质及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物。有机物又 可因其污染后果分为需氧污染物、植物营养物、酚类化合物等类型。需氧污染物 是指生活污水和工业废水中的碳水化合物、蛋白质、脂肪和木质素等有机化合物， 因其在分解过程中需要消耗大量的氧气，而称为需氧污染物。它会消耗水中的溶 1 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 解氧，降低水体的自净能力。河流中的植物营养物主要来自生活污水的粪便以及 含磷洗涤剂、化肥、农药，它们能引起水体富营养化。酚类化合物主要来自冶金、 炼焦、塑料、石化等行业的工业废水，酚有毒性，可使人和水生动物慢性中毒。 重金属污染指工厂、矿山排放的含重金属的工业废水造成的污染。重金属一 般以天然浓度广泛存在于自然界中。但由于人类对重金属的开采、冶炼、加工及 商业制造活动日益增多，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土 壤中，引起严重的环境污染。危害较大的重金属有汞、镉、铬、铜、铅、锌等。 如日本的水俣病，就是因为烧碱制造工业排放的废水中含有汞，在经生物作用变 成有机汞后造成的；又如痛痛病，是由炼锌工业和镉电镀工业所排放的镉所致。 汽车尾气排放的铅经大气扩散等过程进入环境中，造成目前地表铅的浓度已有显 著提高，致使近代人体内铅的吸收量比原始人增加了约1 0 0 倍，损害了人体健康。 因工业中酸碱应用十分广泛，酸碱及无机盐污染也很常见。废酸废碱能破坏 水体的自然缓冲作用，抑制细菌和微生物生长，妨碍水体的自净机能，还能腐蚀 船舶和水工建筑。 城市的生活污水含有病毒、细菌、寄生虫等病原体，能传播疾病。据美国环 保局( u s e p a ) 资料显示，在下水道等环境污水中存在l o o 多种不同血清型的肠道病 毒【5 - 1 1 1 。 城市河流的污染源以点污染为主，但由于污染源数量多、密度高，彼此既相 独立，又互联成网，虽以点污染形式出现，实际上形成与河系相应的网络状面污染。 1 1 3 城市化对河流生态影响 1 ) 河流渠道化可引发水生生态系统的退化。渠道化改变了自然河流蜿蜒型的 基本形态，急流、缓流、弯道及浅滩相问的格局消失，而横断面上的几何规则化， 也改变了深潭、浅滩交错的形势，生境的异质性降低，水域生态系统的结构与功 能随之发生变化，特别是生物群落多样性也随之降低。有关调查表明，城市内河河 岸衬砌后，岸边的生物种类减少7 0 以上，而水生物也只相当于原来的掣协1 4 】。 2 ) 城市河流自净能力降低，甚至丧失。自然河道中生存着大量的动物，植物 和微生物，它们都有吸收或降解污染物的作用。河水的复氧功能要通过自然曝气、 水生植物和藻类的光合作用来保证。城市河流的水流速一般都较低，这使得河流 的自然曝气复氧功能基本丧失。将河岸用水泥或石块护衬之后，割裂了土壤沙石 上寄生的大量微生物与水体的联系【1 5 1 。使水体、土壤与生物环境相分离，河流就 2 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 会失去部分自净功能，加剧河道水污染的程度。而且将河岸进行护衬后，使河岸 变得非常光滑，原来能够对进入河流的污水进行过滤的植被消失，这也使得河流 的抗污染能力被削弱。因此只有尽量维持河道的生物多样性，才能保证河流具有 一定的抗缓冲能力。 3 ) 城市河流非连续化对水体污染的影响。由于城市建设规划方面的原因，在 城市中大量建筑的新建时不可避免的会将原先连续的河流截断，并对河床进行了 重新改造。这使得城市内河水流方向发生紊乱。某些流动河流变成了相对静止的 人工湖，某些河水流速大大降低。流速、水深、弯曲度、光照，宽深比、水温及 水流边界条件都发生了重大变化。城市河流非连续化影响最严重的是河水的流动， 从而影响了水体中营养盐的迁移转化。由于城市内河水流速度非常低，在水体中 的营养盐得不到及时的迁移和降解，而是在原处不断的蓄积，使水质恶化。在春 夏季节气温较高时，使微藻繁殖具备了充足的营养条件，产生水华现象。微藻的 大量繁殖使得水面被覆盖，严重影响了沉水植物的采光，进而影响了其生存。沉 水植物的死亡腐烂会大大消耗水体的溶解氧。这又会影响到水体中的动物的生存【1 审1 9 1 。 1 2 城市河流生态修复技术研究 生态修复是利用生态系统原理。采取各种修复手段重建受损伤的水生态系统 的生物群体及结构，并强化水体生态系统的主要功能。使生态系统实现整体协调， 自我维持、自我演替的良性循环。 1 2 1 河流生态修复的原则 1 ) 河流自我调节原则 城市河流修复的目的是为了恢复和强化河流在受到破坏之前的自净和生态功 能，使河流能够通过自我调节达到自我维持的状态。在这一原则的指导下我们可 以根据不同地区的不同情况，因地制宜的采取不同方式达到这一目的。构建当地 人与河流和谐共处的环境。 2 ) 优先恢复河流自净功能 城市河流具有多种功能，如航运、输水防洪、生态、污染物自净、景观娱乐 等功能。由于目前城市河流污染状况严重，我们应该优先恢复河流的自净功能。 3 ) 多功能协调原则 由于城市河流是多功能的载体，在优先恢复水体自净功能的同时，还应该适 当兼顾河流的其他功能的保存和优化。尤其在城市这样一个人类文明聚集的地方， 3 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究第一章前言 还应注重河流的美化功能。 4 ) 生物多样性原则 生物多样性是河流生态系统健康和平衡的基础。这会大大提高河流的抗缓冲 性能。 5 ) 分时段、分河段原则 城市河流是个复杂的生态环境，其生态系统的恢复需要长时间的努力。我们 应根据河流的具体污染情况，分时段制定不同的修复计划，规划合理的修复进程。 另外同一条河流的不同河道的污染状况和生态环境也有可能有差别，因此应分河 段制定不同的修复策略【2 0 1 。 1 2 2 河流生态修复的方法与步骤 1 控制城市河流的外源污染 1 ) 实现流域内工业废水的达标排放，生活污水集中处理。从根本上截断外部 输入源，使水体失去污染物质的来源【2 n 。 2 ) 为城市河流建设污染缓冲带瞄国】。缓冲带是指河道与陆地的交接区域，又 叫河岸区。在这一区域种植植被可起到阻挡污染物进入河流的最后一道屏障的作 用。表现为使溶解的和颗粒状的营养物生物群落消耗或转化。 2 内源性污染物质的控制方法 ( 一)物理工程方法 包括底泥疏浚、引水冲污、水体曝气、底泥覆盖、水力调度技术等。 1 ) 底泥疏浚：底泥中含有大量的有机物、氮、磷、重金属等污染物质。一方 面，当底泥厌氧发酵时，会使水体黑臭；另一方面，在泥水交接面，会存在水中 污染物沉积于底泥和底泥中污染物向水体中解析扩散的动态平衡。因此，清除水 底淤泥，可削减水体内源性污染物的释放量，同时还可达到增大环境容量的目的l 冲凋。 2 ) 引水冲污：这原先是一种湖泊净化技术，在湖泊富营养化治理中有应用实 例【2 7 2 9 1 ，对于污染严重且流动缓慢的城市河流也可考虑采用。用较清洁的水稀释 或完全替换污染较严重的水，以降低水体中的污染物浓度。这对河流可能有四方 面的影响：将大量污染物在较短时间内输送到下游，减少了原来河段的污染物总 量，降低污染物浓度；使河流从缺氧状态变为好氧状态，提高河流自净能力；使 河流死水区、非主流区的重污染河水得到置换；加大水流流速，可能冲起一部分 沉积物，使已经沉淀的污染物重新进入水体。 4 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 3 ) 水体曝气：有机污染严重的河流由于有机物分解耗氧，河流会变成缺氧或 者无氧状态，此时河流水质恶化，自净能力下降，正常的水生生态系统遭到严重 破坏。采用人工方式向水体中充氧，加速水体的复氧过程，提高水中好氧微生物 的活力，增强河流自净能力，以改善水质；此外曝气还可以减缓底泥释放磷的速 度【3 m 3 1 1 。人工增氧在英国的泰晤士河、德国的b 酣i l l 河、北京的清河、上海的绥 宁河和福州的白马支河【3 ”4 1 都曾采用。 4 ) 底泥覆盖：通过在底泥表面敷设渗透性小的塑料膜或卵石，削减波浪扰动 时的底泥翻滚，有效抑制底泥营养盐的释放，提高湖水透明度，促进沉水植物的 生长。但存在治标不治本、成本高、难以大面积使用等缺点。而且影响湖体固有 的生态与环境【3 5 】。 5 ) 水力调度技术：根据水体条件不同，生物体在水中可表现为3 种状态：自 由态、增长、增殖状态和抑制状态。水力调度技术是根据生命体的生态水力特性， 营造出特定的水流环境和水生生物所需要的环境，抑制藻类大量繁殖【3 6 3 8 】。采取 水系连通等方式。遵循“湖程取长、渠程取短劳的原则。但应注意防洪、防涝、 防沙、防螺、防污染迁移和防内源释放。 ( 二)化学方法 ，化学方法，包括投加除藻剂、絮凝沉淀、重金属的化学固定等。 1 ) 投加除藻剂：这是一种简便、应急的控制水华的办法，短期效果明显，常 用的除藻剂有硫酸铜、西玛三嗪等。当除藻剂与絮凝剂联合使用时，可加速藻类 聚集沉淀。值得注意的是，除藻剂具有副作用，应根据水体的功能要求慎重使用 【3 9 4 0 】 o 2 ) 絮凝沉淀：水体中的磷是水体富营养化的一个主要影响因素，絮凝沉淀技 术可控制河流内源磷的磷释放。其是向水体投加铝盐、铁盐、钙盐等药剂，使之 与河水中溶解态磷形成不溶性固体转移到底泥中【4 1 蛔。常采用的沉磷化学药剂有 三氯化铁、碳酸钙、明矾等。河流底泥的磷释放除了与磷的存在形态有关，还与 温度、微生物活动、d o 、p h 、泥水界面的扰动状况密切相关。有研究表明升高温 度、厌氧状态、酸性或碱性环境能促进底泥磷释放【4 3 】。化学固磷应控制河流的p h 处于中性。 3 ) 重金属的化学固定：河流底泥中的重金属在一定条件下会以离子态或某种 结合态进入水体，如果能将重金属结合在底泥中，抑制重金属的释放，则可降低 5 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究第一章前言 其对河流生态系统的影响。调高p h 是将重金属结合在底泥中的主要化学方法。在 较高p h 环境下，重金属会形成硅酸盐、碳酸盐、氢氧化物等难溶性沉淀物。加入 石灰、硅酸钙炉渣、钢渣等碱性物质可以抑制底泥中的重金属进入水体畔郴】。 ( 三)生物方法 生物方法，包括：微生物修复技术、植物净化技术、人工湿地技术、养殖水 生动物、土地处理技术等。 1 ) 微生物修复技术：微生物可以将受污染水体中的有机物降解为无机物。对 部分无机污染物如氨氮进行氧化从而去除。当河流污染严重而又缺乏有效微生物 作用时，投加微生物以促进有机污染物降解。适合于河流净化的微生物主要有硝 化菌、有机污染物高效降解菌和光合细菌( p h o t o s y n n l e t i cb 舭r i a ，p s b ) m 7 】。 光合细菌能将富营养化水体中的磷吸收转化、氮分解释放、有机物迅速转化为可 被水生物吸收的营养物。微生物还需要一个适合其生长的环境。因此必须为微生 物提供合适的营养和环境条件。合适的营养和环境条件可以激活生长代谢缓慢或 处于停滞状态的微生物。使其重新具有污染物高速分解的能力。 2 ) 植物净化技术：主要包括水生植被恢复技术、水培技术、生物浮床技术等。 自然界可以净化环境的植物有l o o 多种，比较常见的水生植物有水葫芦、浮萍、 芦苇、灯芯草、香蒲和风眼莲。其中水葫芦是国际上常用的治理污染的水生飘浮 植物。可以利用植物的根系吸污纳垢，吸收溶解在水中的氮、磷【4 扣铷；发达的根 系还有吸附作用；在光合作用的同时能够释放氧气。但是，由于有些水生植物( 如 水葫芦) 繁殖速度太快，当打捞速度跟不上其生长速度时，易使大面积水面受其覆 盖，降低水体的自净能力，并且未打捞的水生植物腐烂物还会对水体形成二次污 染，所以应慎重采用水生植物净化水体。植物修复技术主要有以下优点：低投资、 低能耗；处理过程与自然生态系统有着更大的相融性，无二次污染；能实现水体 营养平衡，改善水体的自净能力：对水体的各种主要污染物均有良好的处理效果。 3 ) 人工湿地技术：湿地土壤是固相和液相组成的疏松多孔体系，含有大量的 胶体颗粒，它们具有很大的表面积和表面能，对去除有机物和重金属具有重要作 用。人工湿地的污染净化过程涉及物理、化学、生物等多方面综合作用【5 1 5 2 】。人 工湿地对污染河水的净化主要有以下几个途径：通过过滤和截留去除颗粒物；通 过湿地介质的吸附、络合、离子交换等作用去除磷和重金属离子；通过湿地微生 物作用，降解有机污染物，去除水中的氮【5 3 巧哪；通过植物吸收去除水中的氮磷， 6 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 富集重金属。人工湿地净化河水的效能受湿地水流流态、水力负荷、种植植物类 型和数量、温度、p h 、填充介质类型、运行方式等因素的影响【5 5 踟。 4 ) 生物调控技术：人为调节生态环境中各种生物的数量和密度，通过食物链 中不同生物的相互竞争的关系，来抑制藻类的生长。该技术具有以下优点：处理 效果好、工程造价低、运行成本低，不会形成二次污染。还可适当提高水库的经 济效益。 5 ) 生物膜技术：根据天然河床上附着生物膜的过滤作用及净化作用，人工填 充滤料和载体。利用滤料和载体比表面积大、附着生物种类多、数量大的特点。 从而使河流的自净能力成倍增长。生物膜技术因其降解能力强、接触时间短、占 地面积小以及投资少等特点，而得到了长足的发展与应用一些发达国家已经在工 程实践中运用多种生物膜技术对污染严重的中小河流进行净化并获良好效果陋7 删。 6 ) 土地处理技术：污水特别是生活污水中含有大量的氮、磷等营养物质，用 污水通过慢速渗滤方式进行农业灌溉可以满足农作物和其他植物生长所必需的营 养。同时也去除了污染物质，能在很大程度上缓解我国水资源的紧缺状况【6 1 删。 工艺流程图如下：原污水一污水蓄水池一厌氧调节池一土地处理系统一排水井。 该方法对氮、磷等污染物的去除效果较好。但水力负荷一般较低，渗流速度慢。 1 3 课题研究的背景与内容 1 3 1 课题研究的背景 2 0 世纪9 0 年代以来，德国、美国、日本、法国、瑞士、奥地利、荷兰等国家 都大规模拆除已经修建的混凝土河道，对其进行生态恢复。忽略河流也是生命体， 将河流用混凝土“包键来的河道治理方法，已被各国普遍否定，河流生态修复已经 成为国际大趋势。目前很多发达国家都在逐渐将河流进行近自然的恢复，德国莱 茵河1 9 9 3 年和1 9 9 5 年两次洪灾，主要原因是由于莱茵河河流结构和流域生态遭 到破坏，现正试图恢复河流两岸储水湿润带，并对流域内支流实施裁直变弯的措 施，延长洪水在支流的停留时间。日本在9 0 年代初就开展了“创造多自然型河川 计划 ，仅在1 9 9 1 年，全国就有6 0 0 多处试验工程，日本建设省推进的第九次治 水五年计划中，对城市河流将按“多自然型护堤法 进行改造，覆盖土壤，并种 植植被，有效地促进了地下水的渗透和水的良性循环。荷兰等许多国家提出了“还 河流以空间的理念，即扩大水面率，采取的措施包括疏浚河道、挖低漫滩、甚 至退堤、扩大漫滩等。但国外河流生态修复多是河道形态的修复，而且多集中于 7 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 生态恢复材料的开发及生境斑块的设计和构建上。而关于系统在恢复中的生态学 过程和机理的研究却很少，缺乏证明城市受损河流生态系统在恢复过程中是如何 进行自我调节的理论证据，距离河流生态的良性循环，即河流生态系统健康还差 距甚远。 1 3 2 平原城市内河的特征 平原河网地区是河流高度发育并受至i j 城市化深刻影响的区域。城市化在达到 一定程度后即会干扰河流结构的自身发育规律，并表现为河流发育能力的下降； 河流结构在城市化影响下表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势嗍。具 体的表现为： 第一，河网纵横交错、水系复杂、河道淤积堵塞、水草杂生、生态系统破坏， 河道功能退化，水体净化功能退化； 第二，生物多样性严重受损，河道整治项目引起流量及流量过程的变化和输 送泥沙质及量的变化，许多生物生息地环境改变甚至消失； 第三，水利工程对于河流生态系统的胁迫，主要表现在两方面：一是自然河 流的渠道化，二是自然河流的非连续化； 第四，渠化工程对河流的影响【6 5 】。河流被裁弯取直，河道束窄加深，硬化覆 盖使河床不透水面积增加。 另外，随着城市经济的发展，城市河道污染也在逐步加剧。1 9 9 9 年我国环境 状况公报显示：我国1 4 1 个国控城市河段中有6 3 8 的城市河段为级至劣v 级 水质嗍。城市河道的富营养情况和城市的经济发展水平具有相关性，工业化、城 市化发展越快，城市规模、人口增加压力越大，环境负荷越大，城市河道的水质 也就越差。 以苏州市为例，苏州市区河道包括京杭运河的苏州段、环城河及内城河，这 些河段在5 0 年代水质基本良好，内城河内尚可见鱼虾，苏州为水资源丰富的城市 之一，随着城市建设、经济发展和人口增加，近年来苏州的水环境发生了巨大的 变化。城市工业用水量和生活用水量日益增加，污水排放量也相应增加。作为典 型的平原城市内河，苏州城市内河具有以下明显特征。 1 地理及水系特征。苏州城市水系非常复杂。苏州古城区内河道纵横密布， 园林池塘水体自成体系，水是城市的主要特点之一。城区建筑大多傍水而建，严 重影响了河道的采光。 8 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究第一章前言 2 水环境特征。苏州古城区的水质恶化非常严重，均为劣v 类水质。水体的 b o d 5 、n h 3 n 、t n 和t p 等4 项指标均高于地面水v 类标准，其中，n h 3 - n 、t n 和t p 的最大超标倍数分别达1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 倍，属重污染程度，部分河段时 有黑臭现象发生。近年来在夏季河道中常有蓝藻爆发。 3 水动力条件。古城区内的水体滞流现象非常严重。由于整个市区地势平坦， 河道坡降仅为十万分之一，除大运河外，主要河道水流十分缓熳。在自然情况下， 内城河大多呈滞流状态，水体自然复氧困难。 4 河道特征。正常水位情况下，苏州的航道主干河道水深为2 3 5 m ，非航 道的其他河道水深在1 2 m 之间。市区河道宽窄悬殊，运河河宽在5 0 m 以上，内 城河河宽一般不足l o m ，最窄处只有4 m 。环城河最宽断面达1 3 5 m ，最窄断面只 有9 m 。 5 污染源的特征。生活污水污染负荷较大。苏州古城区民居多为前面临街后 面靠河，生活污水直接排入河道的现象较为普遍【6 7 侧。近几年污水支管到户工程 实施区域范围内企事业单位及公厕所产生的生产生活污水直接接入污水管道，经 污水处理厂处理后达标排放。市区污水收集处理量由2 0 0 2 年的6 万屯日增加到现 在的近2 0 万吨日，有效削减了排入城市河网的外源污染负荷。这也就使得河流底 泥中长时问积聚了的大量污染物成为了一个重要的污染源。 城市河流，尤其是底泥中含有大量的氮素。氮素的总量已经超过了水体自净 能力的承受范围。从而引起了水质恶化，带来了严重的环境问题。水体中氮污染 主要包括以下几个方面： 1 降低水体的溶解氧。有机氮的氨化和氨氮的硝化过程都要消耗水中的溶解 氧，而溶解氧是水生动植物赖以生存的基本要素。水体缺氧会造成氨氮的积累， 引发严重的生态问题。 2 氨氮浓度过高会对鱼类产生毒害。非离子态氨和离子态氨在水中的浓度分 别为o 5 m g l 和2 5 m g l 时，鱼娄均会表现出中毒症状。尤其在p h 值高时，氨多 为非离子状态，更易使鱼类中毒。 3 造成水体富营养化。如果氮是限制因素时，总氮浓度超过0 3 m 酣，藻类会 过量繁殖。引起水体的缺氧，水质恶化而有腥臭，造成鱼类死亡。 4 影响人体健康。富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些 物质含量超过一定标准的水，会中毒致病等等。 9 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第一章前言 1 3 3 课题研究的内容与意义 研究平原河网地区城市内河生态修复与氮素转化的关系，一是因为平原河网 地区大都是高度城市化地区，城市化大大影响了原来自然河流的水网与形态结构， 进而影响了水体的水动力条件，而氮素在水体中的迁移转化是与水动力条件密切 相关的；二是因为城市化对河流生态环境产生了重大的影响，氮素作为一种最主 要的营养物质显然与水体生态环境具有密不可分的关系；三是因为城市输入河流 的污染物也具有明显的特征，城市内河底泥与水体中积蓄了大量的含氮污染物， 探讨这些含氮污染物在生态修复过程中的转化具有重要意义。因此，探讨在目前 污染格局下的不同河型，尤其是平原河网结构形态对水体氮素自净能力、环境容 量及营养循环之间的关系，对指导城市内河生态修复、恢复河流生态结构与净化 功能具有的理论与实际意义。 本文以此为目的拟先从宏观角度出发，在查阅了国内外河道污染与整治现状， 并在国内外河道结构研究的基础上，分析城市河道结构在水质恢复中的地位，探 讨城市河道整治的思想、目标及发展方向。课题通过河道结构对水体水质恢复效 果影响的模拟实验，研究流速、流量、宽深比、弯曲度、有效光辐射等河道参数 对水体中总氮、氨氮、硝态氮等影响水质的重要氮素形态的作用机理和作用程度， 为河网区平原城市河道的水质恢复提供相关的技术指导和理论支持。 课题还研究了具体的水体修复程序对氮素转化的影响。目前河流生态修复的 具体修复手段上大多采用底泥疏浚、置水、曝气等物理方法，资金投入巨大，但 到目前为止修复效果十分显著的实例不多【6 9 。7 1 】；而采用生物修复又会因为现场环 境的胁迫使得修复生物不易形成其相应的群落r 瑚，从而很难达到预期的修复目的。 如何把多种单项治理技术有机的组合起来形成针对性强、成功率高、净化效果好 的城市内河水体修复技术具有重要的理论与实际意义。因此本文还将曝气与植物 修复结合起来，探讨了在城市内河底泥有机质与有机氮含量高的特殊环境下进行 水体修复的可行性。 1 0 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第二章实验部分 第二章实验部分 2 1 河水流速与河道结构对氮素转化影响的实验模拟方法 2 1 1 模拟河道的建立 在6 条长度均为2 m 的p v c 槽中以不同河宽和水深泥塑而成独立单元，把它 们串联成实验模拟河道，其断面呈规则梯形，六个断面的具体情况分别按不同的 实验要求来设计。模拟河道的底泥采至上海与苏州地区的河道。模拟河道的起始 水量取至上海青浦地区的天然河道，各自的背景特征参见表l 。 2 1 2 流量、流速的模拟 六个断面的截面积分别为3 2 、4 1 、4 9 、5 3 、5 8 、6 5c m 2 。由于蒸发、取样等 原因造成模拟河道水量的损失，取苏州外河河道水补充平衡，每次补充时计录补 充水量，同时监测其水质。 实验共进行了1 2 周，在这期间每天补水量5l ，占模拟河道有效总水量的8 3 。 模拟实验过程的流量控制采用转子流量计法，选择了静水及2 、4 、6 、8 、1 0l h 四个流量水平进行比较实验。 。 表1 模拟河道各监测断面原始水质特征 t 如l e lo r i 西m 1 聊船删埘c h 勰疵e r i s t i c so f e a c h 础血gp 0 硫i ns i i i l u l a 矧帆r 监测断面 l23456 平均 水背景 c o d m g l 水背景总 磷m g l 水背景游 离磷，m g l 底泥背景 有机质臃 底泥背景 总磷 m g l 【g 底泥背景 2 6 2 42 7 8 82 6 2 42 3 7 82 9 5 22 2 9 62 6 1 3 o 2 3 50 2 4 4o 2 0 70 2 2 40 2 3 5o 2 5 30 2 3 3 o 0 4 4 80 0 31 10 0 4 2 5o 0 3 1 10 0 2 4 2 0 0 3 3 4 0 0 3 4 5 1 3 4 20 5 1 71 8 9 61 3 7 80 9 8 61 1 8 41 2 1 7 1 1 6 31 0 2 2o 7 2 31 2 3 20 8 8 10 9 1 6o 9 9 0 游离磷 0 0 7 1 9 0 0 8 8 5 0 0 7 4 5 o 0 7 3 30 0 7 5 6 o 0 7 9 40 0 7 7 2 塑型丝 城市内河生态修复及其对氮素转化影响的实验研究 第二章实验部分 根据6 条模拟河道的几何特征和过水断面面积，把每个控制流量下各监测断 面上相应流速的实测值绘于图l 中。从图中可以看到该模拟河道每一监测断面的 流速随着流量的增大而迅速增加。在同一流量下，从上游到下游流速不断增大； 但当流量