水环境修复河流水环境修复

1、第八章污染水环境修复技术3河流水环境修复邓欢欢,目录河流生态系统、多样性、人为改造的胁迫作用河流生态修复的原则及规划河流生态修复技术,我国河流水质污染状况,七大水系：4050%重点监测断面水质为类和劣类城镇河流：恶臭现象普遍、部分河流水质接近城市污水,污染特征：常规污染、生物污染、有毒污染物地域特征：北方河流污染重于南方河流,天然河流,生态、景观破坏,天然河流的渠道化,生态、景观破坏,被固化的城镇河道,水生生态功能基本丧失河道陆地生态系统与自然景观严重破坏,断流、截留与滞流,第一节河流生态系统、多样性、人为改造的胁迫作用,一、河流生态系统的特点,生物群落与生境的统一性：生境决定群落生态系统结构

2、的整体性：食物链、食物网、“关键种缺失”自我调控和自我修复能力：自净能力只是一种淡水生态系统的服务功能：提供食品、调节气候、观光旅游、净化环境,二、河流形态多样性与生物群落多样性的关系,河岸带的多样性河流水体复氧好，生物也一般都是需氧量大的,1、水陆两相和水气两相的联系紧密性,生境异质性使得生物多样性增加,2、上中下游的生境异质性,3、河流纵向的蜿蜒性,蜿蜒性是自然河流的重要特征形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富的生境，也会有丰富多样的生物群落,4、河流断面形状的多样性,自然河流横断面形状多样，表现为非规则断面深潭和浅滩交错出现浅滩多形成湿地，出现周期循环的生物群落变化模式（水生湿生

3、）深潭存在生物群落的分层现象，类似于湖泊,5、河床材料的透水性,悬移质和推移质的长期运动形成了河流动态的河床除了在高山峡谷段的由冲刷作用形成的河床是透水性较差的岩石外，大部分河流的河床都是透水的通常由卵石、砾石、砂土、黏土等构成适于水生和湿生植物以及微生物生存，不同粒径卵石的自然组合又为鱼类提供了产卵场所透水河床是连结地表水和地下水的通道，使淡水系统形成整体。,三、水利工程对河流生态系统的胁迫,均一化：自然河流的渠道化或人工河网化具体表现：（1）直线化；（2）渠道横断面几何规则化；（3）河床材料硬质化；（4）裁弯取直不连续化：筑坝修建水库，造成水流的不连续性，特别是所谓的梯级开发，河流流速、水

4、深、水温及水流边界条件都发生重大变化,1、河流形态均一化和不连续化改变了生境多样性,2、河流形态多样性降低对生物群落多样性的影响,均一化：改变河流基本形态，使得生境异质性降低，所以导致生物群落多样性降低：植被减少、物种消失不连续化：筑坝以后，河流从动水系统转变为静水系统，生境单一，相对封闭，生产力降低，表现为抗逆性较弱，自我恢复能力也降低。多样性一般也降低，此外筑坝给洄游性鱼类造成影响巨大。另一种不连续化与筑堤有关，河流的滩地和洪泛区的消失，也会带来生物群落多样性降低。,3、对生态系统服务功能的影响,河流生态服务功能降低以至破坏，往往十一个缓慢的发展过程，又是多因素作用的结果，当人类发现时候，

5、可能已经难以挽回。功能的丧失往往最初的现象就是生物多样性的丧失，然后是生态系统的不正常，服务功能逐渐丧失。,第二节河流生态修复的原则及规划,河流修复：将受污染的河流恢复到原来没有受污染的状态，或者恢复到某种合适的状态。一般很难将河流修复到原来没有受到人为干扰的状态。因此一般只是适当修复，即恢复河流的生态功能，又能够满足人类的需求。河流的保护，指维持水系的物理、化学和生态的整体状态，保护意味着维持不受污染或者受污染的不会继续恶化。,一、河流生态修复规划的原则,1.河流生态修复与社会经济协调发展的原则统筹生活用水、生产和生态用水需求具备社会经济与生态双重功能统筹协调与相关规划的关系：防洪规划、水环

6、节保护规划、城市建设规划、自然保护区规划等等。,2、提高空间异质性的景观格局原则,提高景观和空间的异质性，增强物种多样性改善流域尺度的河流景观格局配置。在河流廊道尺度下提高景观和空间的异质性,3、流域尺度规划原则,河流生态修复问题着眼点应在河流生态系统结构及功能的整体改善和恢复，则应在流域尺度上进行河流生态恢复规划。先从流域的大尺度的水资源的合理配置着手，继而制定流域饭碗的污染控制总体方案，在此基础上制定流域尺度的生态总体恢复原则。,4、以生态自我修复为主，人工适度干预为辅的原则,生态工程的本质是对自然生态系统自组织功能实施管理。成功的河流修复经验表明：生态修复规划是一种辅助性规划，人不是改造

7、或控制自然，而是帮助自然届恢复到更加自然的状况。,5、与资源、环境管理相结合的原则,河流生态修复与资源、环境管理相结合建立河流生态修复的多部门合作机制：发改委、水利、环保、国土资源、林业、建设、农业、交通、科技、旅游等,二、河流生态修复的规划,目的：使河流生态系统恢复到较为自然的状态，保证河流生态系统具有可持续性，提高生态系统价值和生物多样性。,河流生态修复的任务：,水文条件的恢复：适合适宜生物群落生长的水量、流速、水深等水文要素及河流地貌学特征的改善和恢复生物栖息地的恢复：采取适度人工干预和保护措施，恢复河流的生境多样性，进而改善河流生态系统的结构和功能生物物种的保护与恢复：特别是保护濒危、

8、珍稀和特有物种，恢复乡土物种,第三节河流生态恢复技术,景观格局和空间异质性与物种多样性河流河岸带、提防工程中的生态技术应用河流地貌多样性修复,一、环境景观格局和空间异质性与物种多样性,景观是指生态学上的一种尺度，理解为若干生态系统或土地利用模式组成的镶嵌体。景观格局：指空间结构特征包括景观组成的多样性和空间配置。空间异质性：某种生态学变量在空间分布上的不均匀性及其复杂程度。以上理念对环境生态修复有重要意义,缀块：环境中的基础单元，泛指与周围环境在外貌或性质上不同，并具有一定内部均质性的空间单元。可以是植物群落、湖泊、草原、农田和居民区等。廊道：环境中与相邻两边环境不同的线路或带状结构。比如河流

9、、峡谷、农田中的人工渠道、运河、防护林带、道路、输电线等。河流廊道是陆地上最重要的廊道，具有重要生态学意义。基底：环境中分布最广、连续性最大的背景结构，如森林基底、草原基底、农田基底、城市用地基底等。在尺度和识别上都是相对的，可以把基底看做主导缀块，把廊道看做狭长型缀块。,1、空间格局的基本概念,缀块、廊道和基底构成三维空间的环境景观格局例如下图中的模式示意图：河流廊道作为物质流、能量流、信息流的载体，在环境中具有不可替代的重要作用。,空间异质性是空间缀块性和空间梯度的综合反映，空间缀块性包括生境缀块性和生物缀块性。生境缀块性：气象、水文、地貌、地质、土壤生物缀块性：植被格局、繁殖格局、生物间

10、相互作用、扩散过程、疾病和生活史空间梯度：沿某一方向环境特征变化的空间变化速率研究表明环境景观格局影响生物多样性、种群动态、动物行为和生态系统过程等生态过程生境多样性和景观结构与物种多样性呈正相关性，提高生境多样性、改善环境景观格局可以增加物种多样性。,2、环境景观空间异质性与物种多样性,改善环境景观格局的空间配置去影响生态过程，以达到保护和恢复生物多样性和可持续发展的目的原则：（1）有足够数量的缀块，既要保证核心区的稳定，又有较多的“触角”和边缘与基底以及其它缀块相连接；（2）发挥廊道连接各个缀块的功能，防止生境“破碎化”；（3）需要改善人工设施（硬质渠道、公路等）对野生生物运动的阻隔效应；

11、（4）大缀块和小缀块合理搭配是提高空间异质性的重要途径。,3、提高环境景观空间异质性的原则,河流廊道：狭义包括河流及其两岸水陆交错区植被带，广义还应包括河流连接的湖泊、水库、池塘、湿地、河叉、蓄滞洪区及河口地区。河流廊道生态功能：(1)水生和部分陆生生物的基本生境；（2）鱼类和其它生物及其种子的运动和传输通道；（3）起过滤和阻隔作用；（4）物质与能量的源和汇提高河流景观的空间异质性：（1）流域尺度上合理规划各种类型缀块数量、几何特征、性质，充分发挥河流廊道连接作用，并保持河道廊道网络的畅通；（2）河流廊道尺度上，一是地貌学意义上的空间异质性增强，二是生态水文学和生态水力学意义上的水文、水力学因

12、子的改善,4、增强河流景观格局空间异质性,二、河流堤防、护岸带的生态技术应用CKP166,河流形态的多样化是生物多样性的基础以下图为例,1、堤线布置及堤型选择,在堤线布置中，尽可能保留江河湖泊的自然形态，保留或恢复其蜿蜒性或分汊散乱状态，即保留或恢复湿地、河湾、急流和浅滩堤防间距宜宽则宽，河槽和河漫滩不仅要满足设计洪水行洪要求，还要保持一定的浅滩宽度和植被空间，为生物的生长发育提供栖息地，发挥河流的自净作用堤型的选择尽量采用当地材料和缓坡，为植被生长创造条件，保持河流的侧向连通性,2、河流断面设计,自然河流的纵、横断面也显示出多样性的变化，因此河道尽量做到河床的非平坦化，采用非规则断面，河床纵

13、横断面要多样性。,3、岸坡防护,采用与周围自然景观协调的结构形式，确保生态和景观的护岸形式多样化。尽量使用具有良好反滤和垫层结构的堆石，多孔混凝土构件和自然材质的柔性结构，避免使用硬质不透水材料（混凝土、浆砌块石等），为植物生长，鱼类、两栖动物和昆虫的栖息和繁殖服务,4、景观建设,城市水域整治的景观建设中，保留江河湖泊的天然美学价值，避免过多的亭台楼阁与砌石形成人工环境，要创造人与自然亲近的环境，注重生物栖息地建设。为公众参与和水环境保护教育创造良好条件，建设水生态公园、河流小型博物馆等等。,亲水公园等,景观、运动、野营、休闲,三、河流地貌多样性修复方法CKP186,由于河流水位的动态变化，河

14、岸带缀块也不断变化，导致植被和动物形成多种组成、年龄、密度和结构的类型中间和高处的河滩阔叶林湿地维持较多的陆生物种，而沼泽和低洼的河滩湿地维持较多的水生物种，且初级生产力往往很高,1、河岸带廊道的修复,2、河流蜿蜒性特征的修复,河道蜿蜒化降低河道坡降，减小河道流速及泥沙输送，通过河道蜿蜒化可以增加栖息地的质量和数量。复制法：当河流模式（流量、河床材料等）基本没有发生变化，完全采用干扰前的蜿蜒模式。（1）按不同的蜿蜒性阐述和其它水文或地貌数据之间的经验关系式，如Leopold提出弯曲波长一般为河道宽度的1014倍，注意不同河道情况不同；（2）采用航拍等手段对特定区域的蜿蜒模式尽兴调查，在此基础上

15、建立河道蜿蜒参数与流域水文和地貌特征的关系；（3）参考附近未受干扰的河段的蜿蜒模式,自然恢复法：通过适当设计，允许河流自身进行调整，并逐渐演变到一个稳定的蜿蜒模式，如拆除拦阻工程，增加河道宽度，使其自然演变。但这种模式耗时较长，且存在河岸侵蚀和淤积问题。如果蜿蜒河道满足不了防洪要求，可以采用开挖分洪道的辅助工程措施（如下图）。类似与传统的裁弯取直，但设计和运用方式有区别，原来的蜿蜒段仍有一定水流通过，保证原来的栖息地功能，而分洪道则在洪水期运行，其它时段保持封闭状态，如有需要可在分洪道的渠首设置溢流堰或闸结构，控制洪水进入或起始水位。,3、河流断面多样化特征的恢复,自然河流在横向上由主河槽（主

16、要过水通道）、洪泛区（受洪水影响周期性淹没区）和过渡带（洪泛区和周围陆地景观之间的过渡区域）组成（如图3a）。工程上对经过人工改造的河道，岸复式断面进行设计，如图3b，在不加以人工构筑物防护下，水流自然会将其冲刷称为抛物线的稳定形状，如图3a。典型断面完成后，还可以对典型断面进行调整，以形成多样化的断面形态，河流深潭、浅滩出的典型断面示意图如图4。,河流断面布置示意图,4、创建深潭浅滩序列,自然界中河流的纵断面为深浅交替的深潭和浅滩，产生急流、缓流等多种水流条件，形成丰富生物群落。深潭与浅滩的大小及其组合应根据水利学原理来确定，按照弯道出现频率来成对设计，一个弯曲段，配一对深潭和浅滩，每一对深

17、潭浅滩组合间距最小可按下游河宽的57倍交替布置。也可通过疏浚和堆放自然材料来重新创造深潭和浅滩，如图5。创建的深潭浅滩位置需要与现有的弯曲类型协调，深潭在弯曲外侧，挖出材料可以在弯曲内侧堆建沙洲，浅滩应设计在弯曲段之间。,5、河道内部地貌特征的改善,通过河道内的一些结构可明显改善河道内局部地貌，并可增加水流特性多样性，为不同类型生物群落提供适宜的栖息地环境。小型堰：创造回水效应来改善栖息地多样性，有助于形成向上游缓慢流动的深水区域，水流向下游快速流动，冲刷出流速快，含氧量丰富且底部为粗粒径河床的深潭，而从深潭冲刷得出材料在下游沉积，形成浅滩。国外证明效果良好，适用有一定水量河流。,导流结构：（

18、1）提供相对廉价和有效的方法来减少渠道化的影响，采用建在渠道内用来改变流态的结构，利用导流结构使水流离开岸坡来防止冲刷。（2）收缩河道形成急流区域，在背侧形成缓流区域，靠近结构端部的急流冲刷形成深潭，后端缓流区形成沉积地区，有助于形成深潭浅滩序列。（3）布置时应将其设在适当位置，以加强河流的自然趋势，应和自然浅滩区域保持一定距离，其高度应保持回水不会淹没潜在的浅滩区域，导流结构最终可能为植被所覆盖，形成渠道河岸的永久性部分。,翼板：在河床上建造并被完全淹没的结构，其目的是促进河床的合理性冲刷，通过在水流中增加次级环流来实现。翼板可选用木板结构，在水流中以一定角度进行建造，使得河床底流以一定方向

19、流动，下图给出几种翼板类型及其对深潭和沙洲发展所产生的影响。,其它措施：还可以将树墩、砾石群等自然材料倒插、堆放在河流道内形成适宜生物生存的栖息地环境，或者在河流滩地内沿河构建湿地、回水区、牛轭湖等来改善河道内的地貌、水流特性，从而增加栖息地多样性。,6、生态型岸坡防护技术,目前生态型岸坡主要依照规模最小化、外形缓坡化、内外透水化、表面粗糙化、材质自然化及成本经济化的原则进行。最终目标是在满足人类需求的前提下，使工程结构对河流的生态系统冲击最小，即对水流的流量、流速、冲淤平衡、环境外观等影响最小，同时大量创造动物栖息和植物生长所需要的多样性生活空间。技术种类多样：土体生态工程技术、生态砖/鱼巢

20、砖等构件、石笼、天然材料垫、土工布包裹、生态多孔混凝土块、土工格室、间插枝条的抛石护岸、椰壳纤维、木框墙、三维土工网垫等多种技术。,土体生态工程技术：大多利用自然材料，在自然力作用下大袋生态恢复和保护目的。主要有木桩、梢料层、梢料捆、梢料排、柴笼及其组合形式，还可适用可降解的生物纤维编织袋。,鱼巢砖,石笼和石笼排,土工构件、格室,联锁式护坡砖,一种适于中小水流情况下土壤侵蚀控制的联锁铺面系统。采用独特联锁设计的联锁式护坡砖，铺面在水流作用下具有良好的整体稳定性；高开孔率渗水型柔性结构铺面能够降低流速，减少流体压力和提该排水能力，开孔部分一方面起到渗水、排水的作用，另一方面起到增加植被面积，美化

21、环境的作用。鉴于此，该产品还可广泛用于公路、铁路等陆上道路护坡。,联锁式护坡块优势特性,深根的锚固作用：植物的垂直根系可起到预应力锚杆的作用。深根的加筋作用：草根可使土体强度提高。降低坡已空隙水压力：植物通过吸收和蒸腾坡体内水分，从而达到了稳定边坡体的目的。降雨截留，削弱溅蚀：植被能使部分降雨在达到坡面之前被截留，使其重新蒸发，从而减少土粒的飞溅。控制土粒流失：植被能抑制地表径流并削弱雨滴溅蚀，从而控制土粒流失，也可用于滨水景观。恢复破坏的生态环境：滨水植物的存在可使被破坏的生物链又逐渐拟合形成，从而逐渐恢复到原始自然环境。降低噪音、光污染，保证行车安全：植被能吸收刺耳的声音，多方位反射太阳光

22、线，从而保证行车安全。促进有机物降解，净化大气，调节小气候。,对水下淤泥控制效果明显,滨水景观应用,生态效应明显,快速恢复生态，提高水体净化能力,生态混凝土护岸,间插枝条的抛石护岸,木框墙枝条插播,土工网布固坡植物,防洪要求较高地区岸坡植被恢复注意：（1）作为堤防主要档水部分的外坡、堤顶不应种植树木，以避免抑制草皮生长；（2）堤防前滩粘土覆盖层不能出现树木深根、死树形成的穿孔；（3）堤防内坡渗流出逸区域不应种植树木，以防止形成集中渗流而发生渗透破坏；,上海崇明岛堤防上，芦苇生长过多，堤防易由于死根侵蚀形成破坏,污染治理中存在的技术层面上的问题,缺乏对“实用性高技术”的长期、系统、科学的工程验证

23、，没有系统的设计规范；缺乏对现有技术适用性的客观认识(水生植物)；缺乏技术集成的宏观思路和科学方法；机械套用污水处理的思路与技术。,污染治理中存在的技术层面上的问题,饥不择食慌不择路,污染治理中存在的技术层面上的问题,注重短期效应、忽视长效运行；注重单一措施、忽视综合治理；注重水质净化、忽视水生生态修复；注重技术措施、忽视管理。,几种值得注意的“短视”行为,污染河流水质净化与生态修复单元技术及应用案例,河流水质净化技术体系,物理法,引水冲污、底泥疏浚气浮技术物理结构改造（巨石堰技术）,絮凝沉淀、化学除藻化学固定、化学氧化,微生物强化技术生物过滤技术接触氧化技术植物净化技术滞留塘技术人工湿地技术

24、多自然型河流构建技术,（生态修复技术）,微生物活化剂技术,微生物强化技术,人工造流技术空气曝气技术纯氧曝气技术,外源菌投加技术,增氧技术,微生物强化技术,人工造流技术涡流循环技术,涡流循环增氧技术（东亚建设）,http:/www.japan-net.ne.jp/tommy/citizen1.htm,2001年7月开始添加微生物制剂,添加前（2001年7月）,添加后（2002年7月）底泥减少,外源菌添加技术应用实例（日本刈谷市今川町农业用水渠）,费用高、无长效、生态安全问题？,大型淡水鱼养殖剂,微生物活化剂技术植物提取液/矿物质制剂,接触氧化技术,接触氧化技术,原位接触氧化技术,异位接触氧化技术

25、,填料直接放置在河道内,接触氧化装置设置在河岸（旁流接触氧化技术）,直接接触氧化法（填料直接置入河中）,薄层接触氧化法,原位接触氧化技术主要类型,砾石接触氧化法,异位接触氧化技术主要类型,贝壳填料（千叶县）,纺织填料西村織布工場,接触氧化技术填料,海绵状填料,砾石,http:/www.earth-,接触氧化技术填料,（创造科学研究所）,特点：内部中空，可供微生物栖息；施工方法：置入河内；费用：1,500日元/,http:/www.tyk.co.jp/keikan/03rcycl/10jkb.htm,悬浮滤料（NKK）发泡聚丙烯，直径320mm,Biomodul（KanatuGiken）,接触氧化技术填料,纤维填料（NKK）,振动式纤维填料,接触氧化技术填料,砾石球填料Aquatech,Ltd.,接触氧化技术填料,植物净化技术,植物净化技术,水生植物带技术,植物浮岛技术,滞留塘技术应用实例（河道滞留塘）,日