（环境工程专业论文）小清河上游段生态恢复技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 小清河是济南市重要的防洪排涝河道，具有防洪、除涝、灌溉等多种功能， 近年来由于工业污水和生活废水的大量排入，小清河水环境功能遭到严重破 坏。选择小清河上游段( 济南段) 进行生态恢复研究，对改善济南市水环境 质量，保护和恢复景观河道功能，具有重要的理论价值和现实意义。 本文通过搜集资料、文献查询、现场调研等手段，分析了小清河近百年来 的河道形态及生态环境的演变，结果表明：1 9 9 6 年河道弯曲系数为1 0 8 7 ，相 对1 9 1 7 年基本没有变化；河底高程差在o 1 3 , - 4 1 3 m ，平均值为2 0 5 m ；河道 横断面因人为原因基本变为梯形；水质恶化严重，除上游段符合地表水i 类 标准，其余均为劣v 类水质；河道8 0 以上的水草、鱼虾等水生生物绝迹。 通过影响因子分析得出溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、氟离子为 小清河水质污染的主因子。以9 + 3 0 0 断面为例从引水补源、污染物控制、河 道形态整治及综合治理角度提出生态恢复方案并进行模拟，结果表明：在 增补水量6 4 m 3 s 情况下，c o d 、n h 3 - n 的水质改善程度分别达到3 4 1 、 5 6 7 。通过人工湿地系统处理，b o d 、c o d 、n h 3 - n 的浓度分别降低3 8 6 、 3 2 0 、6 8 1 。通过河道形态整治，改变了河流的水动力条件，减小了流 速，有利于污染物的降解；两岸植被护坡以及缓冲带的建设增加了水体的自 净能力与生物对污染物的降解能力。实施此方案b o d 、c o d 、n h 3 - n 平均浓 度分别降低了4 7 、7 4 、4 3 。结合引水补源与污染物控制方案，b o d 、 c o d 、n h 3 - n 的平均浓度分别降低了4 2 、3 8 、7 2 ，此方案实现了小清河 生态修复的标本兼治。 关键词：小清河上游段；生态恢复；水质评价；数值模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t x i a o q i n g f i v e ri sa l l i m p o r t a n t f l o o dc h a n n e l i t sf u n c t i o n sc o n t 萄mf l o o d p r o t e c t i o n ，w a t e r l o g g i n ge l i m i n a t i o n ，i r r i g a t i o na n d s oo n i nr e c e n ty e a r s ，w a t e re n v i r o n m e n to f x i a o q i n gr i v e ri sw o r s i n gm o r ea n dm o r eb e c a u s eo ft h ed i s c h a r g eo fi n d u s t r ya n dl i v i n g s e w a g e t h e r ei sn o to n l yt h e o r yb u ta l s or e a l i s t i cm e a n i n gt oc h o s et h eu p p e rs t r e a mo f x i a o q i n gr i v e r ( j i n a nr e a c ho fx i a o q i n gr i v e r ) 觞t h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ns t u d ya r e a i tc a l l i m p r o v et h ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y , p r o t e c ta n dr e n e wt h ef u n c t i o no fs i g h tr i v e r w a y b ys e v e r a lm e t h o d ss u c h 弱d a t ac o l l e c t i o n , r e f e r e n c ei n q u i r ya n ds i t es u r v e ya n ds oo n t h et h e s i sa n a l y z e dt h eh i s t o r i c a le v o l u t i o no ff i v e rc o n f i g u r a t i o na n dc o o - e n v i r o n m e n to f x i a o q i n gf i v e ro v e rt h ep a s t10 0y e a r s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e f i v e rm e a n d e r i n g c o e f f i c i e n to f19 9 6i s1 0 8 7 ，c o m p a r e dw i t h1 9 17 ，i th a sn o tc h a n g e dm u c h ，y e tt h ec h a n n e l o n l yt u r n sw i d ea te s t u a r yr e g i o n ；d i f f e r e n c eo ff i v e rb e de l e v a t i o nr a n g e sb e t w e e no 13 4 13 m ， w i t h 觚a v e r a g eo f2 0 5 m ；c r o s s - s e c t i o np r o f i l eh a sa r t i f i c i a l l yt u r n e di n t ot r a p e z o i d ；w a t e r q u a l i t yh a ss e r i o u s l yd e g r a d e d ，w i t ht h a to fa l lf i v e rs e g m e n tr a t e d 舔vd e g r e ee x c e p tf o rt h e u p p e rr e a c h e ss a t i s f y i n gi i is t a n d a r d ；h y d r o - b i o sh a sd i e do u ti no v e r8 0 o ft h ec h a n n e l i m p a c ti n d e xa n a l y s i sr e v e a l st h a tm a i nf a c t o r so fw a t e rp o l l u t i o ni nx i a o q i n gr i v e ri n c l u d e s d o ，c o d ，b o d ，a m m o n i an i t r o g e n ，f l u o r i n ei o n t a k ec r o s s s e c t i o no f9 + 3 0 0f o re x a m p l e ， e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ns c h e m e sb yf i v e rr e g u l a t i o n ，w a t e rs u p p l e m e n t , p o l l u t i o nc o n t r o la n d c o m p r e h e n s i v ec o n t r o la r ep r o p o s e da n ds i m u l a t e d ，a n dr e s u l t ss h o wt h a t ：i ns u p p l e m e n t w a t e ro f6 4 m ss c h e m e ，c o d 、n h 3 - ni m p r o v e sb y3 4 1 ，5 6 7 ，r e s p e c t i v e l y ；b y s y s t e m a t i ct r e a t m e n to fa r t i f i c i a lw e t l a n d ，c o n c e n t r a t eo fb o d ，c o d ，n h 3 - na r er e d u c e db y 3 8 6 ，3 2 ，6 8 1 ，r e s p e c t i v e l y ；b yf i v e rc o n f i g u r a t i o nm a i n t e n a n c e ，f i v e rd y n a m i ci s c h a n g e d ，f l o wr a t ei sr e d u c e d ，w h i c ha r ea l lh e l p f u lf o rd e g r a d a t i o no fp o l l u t i o n ；c o n s t r u c t i o n o fb a n kv e g e t a t i o na n db u f f e rz o n ei n c r e a s e ss e l f - c l e a nc a p a c i t yo fw a t e rb o d ya n dd e g r a d a t i o n c a p a c i t yo fb i o st op o l l u t i o n s i nt h i ss c h e m e ，a v e r a g ec o n c e n t r a t eo fb o d ，c o d ，n i1 3 - na r e r e d u c e db y4 7 ，7 4 ，4 3 ，r e s p e c t i v e l y ；c o m b i n e dw i t hf i v e rr e g u l a t i o n , w a t e r s u p p l e m e n ts c h e m e s ，a v e r a g ec o n c e n t r a t eo fb o d ，c o d ，n h a - na r er e d u c e db y4 2 ，3 8 ， 7 2 ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h i ss c h e m ea c h i e v e st h o r o u g he c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fx i a o q i n gr i v e r k e yw o r d s ：u p p e rs t r e a mo fx i a o q i n gr i v e r ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；w a t e rq u a l i t y a s s e s s m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 河流是由流水作用形成的主要地貌类型，汇集和接纳地面径流和地下径 流，是自然界物质循环和能量流动的一个重要途径。然而，随着经济社会的 快速发展，水资源的开发利用程度不断加大，水资源日益短缺，水生态环境 急剧恶化。部分河流因过度开发，已经超出了自身的承载能力，出现了季节 性断流、水质污染、生物多样性下降，并最终导致河流生态系统结构破坏和 功能退化。开展河流生态恢复研究，己经成为现阶段河道治理的重要内容， 引起了众多有识之士的关注。 1 1 河流生态恢复的目的、标志、任务 河流生态恢复的目的是改善河流的结构和功能，促使河流系统恢复到较 为自然的状态，在这种状态下，河流系统具有可持续特征，并可提高生态系 统价值和生物多样性【1 1 。 河流生态恢复的标志是生物群落多样性的提高，与水质改善为单一目标 相比更具有整体性特点，其生态效益更高。 河流生态恢复的任务，一是水文条件的改善，二是河流地貌学特征的改 善。水文条件的改善包括，通过水资源的合理配置维持最小生态需水量；通 过污水处理、控制污水排放以及提倡清洁生产改善河流水质；水库的调度除 了满足社会需求外，尽可能接近自然河流的脉冲式的水文周期等。河流地貌 学特征的改善包括：尽可能恢复河流的纵向连续性和横向连通性；尽可能保 持河流纵向和横向形态的多样性；防止河床材料的硬质化 2 1 。 1 2 研究背景 本文研究范围“小清河上游段”指济南段小清河，起于济南市西郊睦里 闸，流经济南市槐荫、天桥、历城区至章丘市水寨小贾庄。小清河上游段全 长7 0 3 k m ，流域面积2 7 9 2 k m 2 ，占济南面积的3 4 。整个流域地形复杂，呈 南高北低之势，南部是植被较好的山区，高程一般在l o o m 5 0 0 m ，东部、西 部为山前冲积平原，北部为黄泛平原，高程一般在2 5 m 5 0 m 。 小清河是济南市区唯一的排洪干道，也是市区污水的集中排放河道。由 于大量未经处理的工农业污水直接排入河道，导致河流水质状况严重恶化， 山东大学硕士学位论文 除上游睦里庄断面满足i i i 类水质标准外，其余河段均超过v 类，甚至为劣v 类水质。加之市区河道为砌石护岸，河流缓冲带遭到破坏，阻断了地表与地 下水的联系，致使河道形态单一，生态系统受到严重破坏，生物多样性减少。 随着济南市“东拓、西进”战略的实施，济南市河流的生态环境己难以满足 城市整体发展需要；而城市居民环境意识的不断提高，客观上需要通过河流 生态恢复来提供具备休闲娱乐功能的场所。 1 3 研究目的、意义 1 3 1 改善生态环境、丰富物种多样性 通过生态恢复，可以改善小清河上游段河流的结构和功能，促使河流系 统恢复到较为自然、原始的状态。使河道及其周边成为水质清澈、鱼游虾戏、 鸟语花香的“人水相亲之地。 1 3 2 加强防洪、供水功能 济南市是全国重点防洪城市，而小清河则是济南市城区唯一的排洪河道， 因此，为适应城市发展的需要，需对小清河干流进行彻底综合治理，提高小 清河的行洪能力，充分保障济南市防洪安全。 小清河上游至西外环桥河由于排污少，水质相对较好，仍有一定的灌溉 功能；但由于下游污水的汇入，灌溉用水量逐渐减小。河道综合治理，可使 水质逐步好转，加强河流供水功能。 1 3 3 改善城市形象 小清河上游位于济南市的南部、西部，京福高速、京沪铁路、1 0 4 国道以 及在建的京沪高铁将从该区域经过。该区域在未来将成为济南市区域发展新 的“门户”和“窗口”，对展示泉城文化具有显著作用。选择典型河段进行生态示 范工程建设，可以改善河流的生态环境现状，提升城市形象。 1 3 4 保护济南泉水 众所周知，济南素以“泉水”闻名于世。随着社会经济的快速发展，地下水 用量急剧增加，加之地下岩溶水开发利用缺乏统一规划和管理，致使地下水 位下降，泉水衰减。小清河污染严重，无法满足农业灌溉的要求，致使沿岸 2 山东大学硕士学位论文 采用地下水源进行灌溉，从一定程度上影响了济南市泉水的喷涌。 综上所述，小清河上游段开展河流生态恢复技术研究对于改善河流防洪 功能、供水功能，改善生态环境，提升济南城市规划、市容市貌具有重大意 义，也将对黄河流域、小清河流域及环渤海湾地区环境、生态、经济与社会 可持续发展产生重大影响。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究进展 追溯河流治理的自然工程理论的形成历史，当推1 9 3 8 年德国s e i f e r t 首先提 出的“亲河川整治”概念，2 0 世纪5 0 年代，德国正式创立了“近自然河道治理工 程学”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理 3 卅。1 9 7 1 年s c h l u e t e 献 为自然治理( n e a rn a t u r ec o n t r 0 1 ) 的目标，首先要满足人类对河流利用的要求， 同时要维护或创造河流的生态多样性 7 3 。1 9 8 3 年b i d i l e r 提出河道整治首先要考 虑河道的水力学特性、地貌学特点与河流的自然状况，以权衡河道整治与对 生态系统胁迫之间的尺度8 1 。1 9 9 2 年h o h m a n n 从维护河溪生态系统平衡的观点 出发，认为近自然河流治理要减轻人为活动对河流的压力，维持河流环境多 样性、物种多样性及其河流生态系统平衡，并逐渐恢复自然状况【9 1 。 1 9 8 9 年m i t s c h 等对“生态工程”( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) 定义为：为了人类 设备和其自然环境两方面利益而对人类社会和自然环境进行的设计 1 0 】。1 9 9 3 年美国科学院所主办的生态工程研讨会中根据m i t s c h 的建议，对“生态工程学” 定义为：“将人类社会与其自然环境相结合，以达到双方收益的可持续生态 系统的设计方法 1 1 1 。” 综上所述，有关河流生态恢复的相关理论多种多样，归纳起来有如下共 同点 1 2 】： 在学科的科学基础方面，强调工程学与生态学相结合。在治水方面，水 利工程设计理念要融合生态学的原理。 河流生态工程以保护河流生态系统生物多样性为目标。在治河工程中， 尊重河流流域的自然状况，尊重各类生物种群的生存权利。水利工程设施要 满足生态系统健康性的需求，为动植物的生长、繁殖和栖息提供条件。 从人文科学角度出发，强调河流自然美学价值。在治河工程中设法保存 气 山东大学硕士学位论文 河流的自然美，以满足人类长期自然历史进化过程中形成的对自然的心理依 赖。 1 4 2 国内研究现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着社会、经济的迅速发展，河流生态系统受到 严重胁迫，主要表现为：自然河流渠道化导致河流形态呈直线型、横断面呈 规则几何型及河床材料硬质化、筑坝等水利工程导致的非连续化等1 3 】。 近2 0 年来，随着生态学的发展和应用，人们对河流治理有了新的认识， 水利工程除了要满足人类社会的需求以外，还要满足维持生态系统稳定性及 生物多样性的需求，同时把河流的自然状态或原始状态作为河流整治及人类 干预的尺度，相应发展了生态工程技术与理论。 在理论研究领域，董哲仁、孙东亚等人进行了大量研究并编写了生态 水利工程原理与技术，为我国河流生态恢复提供了理论依据 1 4 q 9 。董哲仁等 详细分析了河流形态多样性的重要性，深入探讨了水利工程对河流生态系统 的胁迫，并首次提出“生态水工学”概念，认为水利工程学应该吸收、融合生态 学理论，并探讨了河流生态恢复的技术手段和基础研究问题 2 0 1 。 潘继征、戴全裕、屠清瑛等针对我国重点治理的湖泊及湿地对水体生态 系统的治理进行了深入研究 2 1 - 2 3 】。杨海军、封富记等从河岸生态系统角度出 发，重点研究了受损河岸的生态治理措施，为水体生态恢复做出理论探索 f 2 4 - 2 6 1 。周德培、邓红兵、应聪慧、夏会龙、黄翔峰等人从植物移植栽培等角 度进行了实验研究c 2 7 - 3 u 。王文野等学者从生态护岸边坡的角度对生态恢复进 行了研究【3 2 - 3 6 。 在技术研究领域，选择城市河道、湖泊、水库等典型水体，发展人工湿 地、稳定塘、生物浮床、生物格栅、种植水生植物、生物操纵等技术措施治 理受污染水体”- 4 0 。在技术开发、推广方面，研发了一些生态型护岸技术产 品，如生态混凝土、净水石笼、土工植草固土网垫、鱼巢砖、植物纤维垫等【4 1 4 3 1 。 目前国内河流生态恢复技术的推广应用情况主要是结合城市环境综合整 治进行的，如北京的转河、四川成都的府南河都是比较典型的案例 州5 1 。另 外，上海市苏州河、深圳观澜河、天津海河等一大批城市河道经过大规模的 整体改造，大大改善了城市水环境状况，也达到了河流生态恢复的目的【8 1 。 4 山东大学硕士学位论文 总体来说，在河流生态恢复方面，目前国内仍处于起步和技术探索阶段， 河流整治工作基本处于水质改善和景观建设阶段，缺乏传统水利、生态系统 栖息地和景观的有机结合。 1 5 主要研究内容 查阅河流生态恢复国内外研究现状，结合小清河上游段实际情况，本文 主要开展了如下研究： ( 1 ) 采用历史资料搜集、文献查询等手段，分析了小清河近百年来的河 道形态及生态环境的历史演变，为确定生态恢复目标提供了重要参考。 ( 2 ) 通过资料搜集、现场调查等手段，对小清河上游段的河流现状( 包 括河道、污染源、生物多样性等) 进行了分析，并采用上述指标对其受干扰 状况进行评估，识别了影响生态状况的关键因子。 ( 3 ) 针对小清河水质严重恶化的现状，开展了河流污染物主因子分析， 指出小清河水质污染的主要原因在于生活污水以及工、农业污水的排放。 ( 4 ) 从河道整治、引水补源、污染控制及综合治理角度提出了小清河上 游典型河段生态恢复方案，并进行了模拟，得出了比较理想的结果，为目前 正在开展的小清河综合整治提供了重要技术支撑。 山东大学硕士学位论文 第二章小清河的历史演变 2 1 小清河流域概况 小清河是山东省境内的条重要河流，是全省唯一的一条排洪、除涝、 灌溉、航运等多目标利用的河道。横贯于鲁中腹地，北临黄河，南依泰沂山 地。西起济南市郊玉符河东堤睦里闸，东流经历城、章丘等县，至寿光县羊 角沟镇以东注入渤海莱州湾，全长2 3 7 虹( 含羊口港以下2 1 k i n ) ( 图2 1 ) 。 流域面积1 0 5 7 2 m 2 ，约占全省面积的1 1 5 ，包括济南、惠民( 滨州) 、淄博、 东营、潍坊5 市( 地) 。 小清河流域地处平原山丘交界地带，地形较复杂，各支流下游至小清河 干流之间主要由山前冲积洪积扇和黄河冲积平原所组成，多为湖泊洼地( 图 2 2 ) 。流域地势由南向北倾斜，地面坡降由1 5 0 0 ，逐渐减小为1 1 5 0 0 至1 3 0 0 0 。 沿岸的支流绝大部分从南岸注入，形成极不对称的羽状水系。一级支流有2 0 条，主要有韩仓河、巨野河、孝妇河等。小清河流域的地质构造，属于华北 陆台的一部分。在主要支流的上游山区，岩石主要有片麻岩、花岗岩和石灰 岩，其中上寒武纪和奥陶纪石灰岩分布较广。中游分布着石炭二叠纪地层及 侏罗纪碎屑岩类地层。北部平原区为第四纪沉积层。在胶济铁路以北的冲积 洪积扇和古河道带，覆盖着较厚的卵石、砂砾层，富水性强，是山东省地下 水资源较丰富的地区之一。 流域气候冬冷夏热、四季分明，降雨时空分布不均。流域水资源总的来 看比较缺乏。不论从流域内的人均占有量还是亩均占有量，均低于全省水平， 更远远低于全国水平。 小清河上游连接省城济南，中游贯连淄博、潍坊，下游紧接东营，是省内 重要的工业生产基地，也是主要的粮棉生产区之一。流域地理位置优越，干 流与铁路、公路相交，形成了良好的水陆联运条件，为小清河流域的开发提 供了良好的基础条件。流域人口密度大，经济发展迅速，逐渐成为山东省中 北部地区经济社会发展的中心。 6 国 p 匝餐擦庭艇 、f ，一文 议磐掣私1匿浆k长ili 山东大学硕士学位论文 2 2 小清河河道演变 图2 - 2 小清河流域地势图 研究河道变迁的目的，在于掌握其演变规律，遵循因势利导的原则，对 河流进行综合治理。而冲积河道的演变过程，从微观角度看是河道断面的冲 淤变形，从宏观的角度看则表现为平面形态的变化和纵剖面的抬升和下切。 小清河干流属于平原河道，从源头到入海口，高差只有2 0 多米，河流比 降很小。民国初年，潘复主持的山东南运湖河疏浚事宜兼办山东全省水利事 务筹办处在济宁成立。自民国六年至十年( 1 9 1 7 年1 9 2 1 年) 的四年间详细勘 查了自历城至羊角沟的小清河全境，出版了山东小清河测绘工程报告( 以 下简称测绘报告) ，内容包括了小清河实测里程、高程、水面涨落和流量 结果，为定量研究河道历史演变提供了珍贵的定量数据【4 9 】。我们根据1 9 2 1 年 测绘报告与1 9 9 6 年小清河干流大规模治理工程的设计资料进行对比，定 量描述小清河河道演变的趋势。 2 2 1 河流平面形态的历史演变 冲积河流的河弯平面形态处于不断发展的过程之中，又有一定的相对稳 定性。天然河流的弯曲程度有几种不同的表示方法( 见表2 1 ) ，其中最常用 山东大学硕士学位论文 的是总弯曲系数，弯曲系数值越大，河段越弯曲。 表2 1 弯曲河流的平面形态参数 民国初期小清河河型较顺直，总弯曲系数是1 1 0 4 ( 弯曲河流 1 3 1 ，河道 走向为南西北东向( 图2 3 ) 。测绘报告中以睦里庄闸为起点，羊角沟为终 点，按实际河型曲折测量的河长为2 1 6 k i n 。1 9 9 6 年治理之后小清河河型基本没 有变化，总弯曲系数是1 0 8 7 。将两个时期小清河河道的平面图相叠加，可以 看出自1 9 1 7 年以来小清河的平面形态变化较小，基本上重合在一起，只是羊 角沟以下河口段的形态有差异( 如图2 _ 4 ) 。民国初期的小清河口较窄；现在的 小清河口，就其形态而言，是一个喇叭状河口，向口门方向逐渐展开。小清 河河口段与下游河段相比，河床变得越来越宽，河道弯曲较多。石村以下河 面宽3 0 , - - 4 0 m ，n a 面河时河道水面已有7 0 8 0 m 宽，至羊角沟以下河床的一般 宽度为1 0 0 1 2 0 m ，接近口门处，主河床宽度在2 0 0 m 以上。两岸坡度较小， 两侧为广阔的潮间带浅滩净o j 。由于小清河是平原河流，河口比降很小，大约 为0 0 8 。河口曲流发育，河道中深槽与浅滩相间，深槽很不稳定，经常改变 位置。河口两侧为不对称的鸭嘴形沙嘴，在近门口处有牡蛎滩和拦门沙。冯 玉林和辛中慧分析了1 9 5 8 1 9 8 0 年河口平面摆动的情况：小清河口在牡蛎滩和 拦门沙之间有一段极不稳定的河槽，长约2 k m ，逐年呈扇形不断向东南摆动【5 1 。 匝蟹擦睫艇 、f ， 2 岔i ) 廿长匦吆c-n匦 议嵇辽扑匿籽k*r 划斜捌雇戾艇、f，廿阻蚪寸n团 钗留趟私睾隧扑k长il 山东大学硕士学位论文 2 2 2 河流纵剖面的历史演变 河流的纵剖面一般都是下凹型，可以用指数型、对数型或幂函数型的曲 线来描述。这是因为少沙河流越向下游水量越多而含沙量越小，泥沙越细， 因而下游较小的比降有利于维持河道冲淤平衡1 5 2 i 。比降是河道演变中的关键 因素，比降的沿程变化可以看作是冲积河流为实现均衡状态而自我调整的结 果。在准衡时段上( 数百年内) ，如果来水来沙条件比较稳定，则河道纵剖面 ( 或沿程各处的河道比降) 也应当是稳定不变的。若河流的上游流量、来沙 量或下游的侵蚀基准面发生变化，河道演变的均衡状态就会被破坏，引起河 流调整其纵剖面，以适应新的条件、重新达到均衡。调整河道纵剖面与调整 沿程比降是同一个过程。比降的调整可以通过河床的沿程冲刷、淤积或流路 弯曲程度的变化等形式来完成【5 3 】。 3 5 3 0 三2 5 蓬2 ，0 ， 墓1 0 气 o 3 06 09 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 0 距睦里庄闸距离( k m ) 图2 5 民国六年( 1 9 1 7 年) 小清河纵剖面图 民国初期的小清河纵剖面凹度较小( 图2 5 ) 。纵剖面的起点睦里庄闸河 底高于海平面2 9 0 6 9 m ，终点羊角沟河底高于海平面0 9 5 3 m ，总高差2 8 1 0 6 m 。 据图2 5 计算的河底比降如表2 2 所示，1 9 1 7 年小清河干流河道形成了 o 0 1 0 0 2 5 的河底比降，河源段( 距睦里庄闸2 2 k i n ) 河底比降较陡，至下 游逐渐平缓，河源段比降比下游高1 5 倍。 表2 2 民国六年( 1 9 1 7 年) 小清河千流河底比降 1 2 山东大学硕士学位论文 1 9 9 6 年治理前小清河纵剖面形态与1 9 1 7 年相似，总高差达2 9 3 m ，金家 桥闸( 距睦里庄闸1 6 0 k m ) 以下河段的河底高程均低于海平面( 图2 6 ) 。经 计算，小清河干流河道形成了0 0 0 9 , - , 0 0 3 7 的河底比降，其中河源段比降 比下游段高了4 倍多( 见表2 3 ) 。与1 9 1 7 年对比，1 9 9 6 年小清河河源段河底 比降比较陡，下游段比降明显变缓。 3 0 2 5 邑2 0 瓢 器 5 0 - 5 0 3 06 09 01 2 01 5 01 8 02 1 0 2 4 0 距睦里庄闸距离( k i n ) 图2 - 61 9 9 6 年小清河纵剖面图 表2 31 9 9 6 年小清河干流河底比降 为了形象地表现小清河河道纵剖面的变化，我们假定1 9 1 7 1 9 9 6 年睦里 庄闸的河底高程未变化，以此校正1 9 9 6 年小清河纵剖面，并将校正之后的结 果与1 9 1 7 年纵剖面进行对比( 图2 7 ) 。如图2 7 所示，近百年来小清河干流 河床下切，而且越向下游方向河床下切越明显，至河口段附近河床下切有变 缓的趋势。用内插法计算得到两条河底高程曲线的高程差在0 1 3 4 1 3 m 之间， 平均值为2 0 5 m 。 山东大学硕士学位论文 3 0 2 5 32 0 醛1 5 墨1 0 宸5 o 一0 3 06 09 01 2 01 5 0 1 8 02 1 02 4 0 距睦里庄闸距离( k m ) 图2 7 近百年来小清河纵剖面的变化 自睦里庄闸至五柳闸一段( o 2 0 k m ) ，高程差在o 1 3 1 3 8 m 之间，平均 值为0 7 6 m ：五柳闸至鸭旺口一段( 2 0 - - , 4 5 k m ) ，高程差在o 1 4 2 0 6 m 之间， 平均值为1 4 2 m ；鸭旺口至金家堰闸一段( 4 5 1 2 0 k i n ) ，高程差在1 3 7 3 5 5 m 之间，平均值为2 4 1 m ：金家堰闸至石村水文站一段( 1 2 0 1 6 5 k m ) 高程差在 2 7 6 4 1 3 m 之间，平均值为3 3 7 m ；石村水文站至南北河子一段( 1 6 5 2 0 4 k m ) 高程差在1 1 3 4 0 5 m 之间，平均值为2 8 1 m 。 2 2 3 河流横断面的变化 我们以1 9 9 6 年设计资料整治前后小清河不同河段的横断面形态( 图2 8 ) 对照不同河段水文站的流量资料分析小清河水动力的变化情况。按非感潮河 段横断面设计要求，济南市区按5 0 年一遇洪水位一般高于地面l m 左右确定 断面尺寸，其他河段按5 年一遇除涝水位线和河底满足除涝、清污和航道要 求确定河底高程和宽度。小清河源头段睦里庄闸现状河道为浆砌石护坡。金 牛闸向下1 2 k m 河段为浆砌石复式矩形断面。金家堰闸以下河段局部退堤筑新 堤，一般原堤加高培厚。感潮河段断面实行切滩方案，新预备河口河段退左 堤筑新堤，右堤原堤加高培厚。河道底部开挖底槽以满足六级航运要求。 睦里庄闸 1 4 金牛闸( 黄台水文站以上) 山东大学硕士学位论文 金家堰闸( 岔河水文站以上)新预备河口( 石村水文站以上) 图2 8 小清河不同河段横断面形态 小清河上游段黄台桥水文站，中游岔河水文站，下游石村水文站的流量 历年变化如图2 - 9 所示。黄台桥水文站洪峰流量多年来呈波动上升趋势，自 1 9 5 6 年3 7 万m 3 s 增长到2 0 0 7 年2 0 5 万r n 3 s ，但年均径流量自1 9 5 6 - - - 2 0 0 7 年 保持在3 1 p 1 7 4 8 万m 3 s 之间，洪峰流量的高值点亦大致对应于年均流量的 高值。位于中游的岔河水文站历年洪峰流量和年均流量都比黄台桥站高，且 变化趋势一致，都随时间呈明显增长趋势。特别是年均流量自1 9 6 8 年5 8 7 万 m 3 s 增长到2 0 0 7 年3 2 9 1 万r n 3 s ，最高值4 7 1 8 万m 3 s 出现在2 0 0 4 年，但洪 峰流量的最高值则出现在1 9 9 8 年。岔河水文站流量出现了为0 或接近0 的的 数据( 如1 9 8 3 、1 9 8 7 、1 9 9 0 、1 9 9 2 年枯水季节) 。下游石村站这种情况更为 严重，1 9 7 9 1 9 9 8 年只测量丰水季节( 6 9 月) 的流量，特别是1 9 9 3 年丰水 期流量均为o 。 1cno n 二j v 0 u o 2 0 0 - 一n m 一洪峰流量 6 0 芒 e - - 一年均流量 ： l 乙1 5 0 o 4 0 一 嘣：1 0 0 ，m 螂 ， 嚣 l 爝 一 。 2 0 霉 l 萋5 0 。二。：一：2 夕又：二小 n九 uu 1 9 5 51 9 6 51 9 7 51 9 8 51 9 9 5 2 0 0 5 黄台桥 山东大学硕士学位论文 图2 - 9 小清河上中下游水文站流量历年变化 整治前后小清河不同河段断面从自然抛物线型变为梯形，形态上有较大 变化。根据不同河段水文站的历年资料可以看出小清河全河总体上反映了水 量不足的特点，其中上游段近5 0 年来洪峰流量随时间呈增长趋势，但年均流 量变化不大；中游段洪峰流量和年均流量明显比上游段大，但枯水季节有断 流现象，下游段断流现象更为明显。 2 3 近五十年来小清河水质生态的演变过程 小清河在上世纪四、五十年代，干流很多河段以及不少支流河水清澈见 底，绿草长达丈余，随流水左右摆动，游鱼到处可见。到上世纪六十年代中 期小清河水仍是良好工农业用水。上世纪六十年代后期以来，小清河及其主 要支流沿岸工业迅速发展，尤其是上游的济南市区河道，纵贯淄博市的小清 河支流孝妇河以及乌河等河流，受到了严重污染。小清河干流除济南市吴家 1 6 山东大学硕士学位论文 堡以上河段稍好一些之外，整个河流河水终年黑臭难闻，鱼虾已全部绝迹。 各支流也都受到了不同程度的污染。自上世纪8 0 年代以来国家和地方政府对 小清河流域污染防治规划开始实施，对污染相对严重的河段和支流进行了综 合治理，但水质污染仍是小清河目前亟需解决的问题( 图2 1 0 ) 。 秀丽清澈的小清河( 上世纪五十年代)受污染的小清河( 2 0 0 5 年) 图2 1 0 小清河污染前后的对照 2 3 1 小清河水质演变过程 根据省环保厅相关资料显示小清河水质污染属有机污染，其主要污染物 有c o d 、石油类、挥发酚、氰化物、硫化物、重金属等。其污染源主要是城 镇工矿企业排放的污废水及生活污水。典型断面污染物浓度变化趋势图( 图 2 1 1 ) 如下： 睦里庄断面：位于小清河源头段，作为对照断面。1 9 8 6 1 9 9 5 年水质污染 呈发展趋势，1 9 9 6 2 0 0 0 年略有改善，2 0 0 1 2 0 0 5 年c o d 、b o d 5 、氨氮、石 油类、挥发酚等5 项污染指标符合地面水v 类水体标准的要求，其他各项指 标符合地面水级标准，水质较清洁。 辛丰断面：位于小清河济南段出境流入滨州地区的断面，反映了济南市 污水全部汇入后对小清河水质的影响。1 9 8 6 - - 1 9 9 5 年水质污染呈发展趋势， 1 9 9 6 年开始有改善，但至2 0 0 5 年仍有不太明显的污染发展趋势。在污染项目 中，氨氮和石油类在1 9 9 9 年和2 0 0 0 年浓度最高，之后明显下降；而挥发酚 在1 9 9 6 年开始有明显下降趋势，2 0 0 4 年以来有增加的趋势，c o d 在1 9 9 6 年 开始也有明显下降，但2 0 0 0 年以来又有增长的趋势。 山东大学硕士学位论文 1 8 山东大学硕士学位论文 图2 1 1 小清河千流各断面污染的历年变化 石村断面：位于广饶境内。1 9 9 1 1 9 9 4 年水质污染明显，之后污染物水平 逐渐下降，至1 9 9 6 年后污染趋势依然明显，但十年的过程中水质污染还是呈 现出改善趋势。在污染项目中，b o d 浓度在1 9 9 1 1 9 9 5 年呈明显下降趋势， 而1 9 9 6 2 0 0 0 年则呈明显上升趋势，总趋势还是略有下降。 侯辛断面：位于齐鲁石化总公司乙烯废水排入小清河下游1 5 k m 处。1 9 8 6 年各指标水平较低。1 9 9 1 年各指标水平都有明显增加，特别是c o d 达到最高 值。1 9 9 1 2 0 0 0 年的十年间水质明显改善，特别是c o d 和挥发酚浓度明显下 降。 羊口断面：位于河口段。1 9 8 6 年污染物浓度较低，至1 9 9 1 年开始有明显 升高，1 9 9 1 1 9 9 5 年和1 9 9 6 - 2 0 0 0 年两时段水质污染呈发展趋势，但发展趋势 不明显。 从各断面污染情况看，除源头睦里庄断面外，其余断面主要污染项目( 如 c o d 、b o d 5 、氨氮、石油类等) 皆超过地面水v 类标准，属严重污染程度。 图2 1 2 b ；i n 干流总体水质的历年变化 1 9 山东大学硕士学位论文 小清河干流总体水质即5 个主要控制断面的平均水质( 图2 1 2 ) 。干流 总体水质污染情况：干流水质除挥发酚项目外，其它主要水质污染项目均超 过地面水v 类水体标准，1 9 9 1 年以来均属严重污染程度。其中以1 9 9 5 年污 染最为严重，其次为1 9 9 2 、1 9 9 4 和1 9 9 1 年，而1 9 9 8 、1 9 9 7 和1 9 9 6 年的污 染物水平最低，但仍属严重污染。总体来讲，水质污染在8 0 年代末期至9 0 年代初发展较快，9 0 年代以来水质总体有所改善。 造成小清河水质污染严重的原因是多方面的。由于小清河流域各河流， 山区水库发展很快。经过层层拦蓄，使各河中下游基本断流无水；小清河干 流水源也日益紧缺，干流及各支流成为沿河城镇的排污沟。非汛期内，城市 工业废水及城市生活污水，成为小清河干支流的主要水源，加剧了水体污染 情况。 2 3 2 生态环境的演变 上世纪五十年代前小清河河水清澈，生态环境良好。自六十年代大量工 业废水和生活污水进入河中，造成水质严重污染，极度破坏了河道生态系统。 田家怡于1 9 9 0 年对小清河全程的1 3 个测点，按季进行了4 次浮游植物定性、 定量调查，共发现浮游植物1 4 5 种，隶属于7 门3 2 科6 2 属，全年以小环藻、 尖针杆藻、舟形藻、农藻、栅藻、十字藻、颤藻、裸藻属的种类出现频率最 高，分布亦广，为优势种【5 4 1 。小清河浮游植物优势种大多数为耐有机污染的 种类。从小清河各测点检出的浮游植物种类分析，没有受到工业废水污染的 源头段藻类检出种数最多，工业废水集中排入的济南市区段浮游藻类种类最 少，说明小清河浮游植物的种类分布与工业废水污染直接有关。 浮游动物是淡水水体生物生产力的组成部分，淡水渔业的重要饵料生物， 也是水质污染的指示生物，并对污染水域起一定的净化作用。据田家怡对小 清河浮游动物多年调查监测结果，小清河浮游动物种类组成主要以耐有机污 染的原生生物占优势，轮虫类次之，浮游甲壳类相对较少【5 卯。1 9 8 0 、1 9 8 2 年 连续监测的结果表明浮游动物种类数量有减少趋势，耐污染种有所增加，说 明小清河污染对浮游动物的种类组成已有影响，且污染程度似有逐年加剧趋 势。不同季节浮游动物出现的种类数量具有较明显的差异1 5 6 1 。浮游动物种类 较少的月份，一般个体数量较多，与耐污性种类大量发生有关系。从逐月浮 山东大学硕士学位论文 游动物和原生动物指示水质情况看( 表2 4 ) ，一年之中不同月份水质污染程 度不一，但均介于多污型和中污型，表明小清河污染严重。 表2 - 4 小清河原生动物指示种类周年月百分比变化表( 田家怡，1 9 8 5 ) 月份 1 3 3 6 7 0 2 4 0 6 0 o 3 5 0 5 0 0 4 2 0 8 0 o 5 _ 。一 1 7 8 3 0 6 4 4 5 0 6 7 _ _ 一 6 7 3 3 0 8 4 3 4 3 1 4 9 2 9 5 7 1 4 1 0 5 6 4 4 o 1 1 2 0 8 0 0 1 2 4 0 4 0 0 多污污水生物 中污污水生物 寡污污水生物 根据以前的调查结果，仅济南地区，淡水鱼类就有5 5 种，也有报道4 9 种，其中绝大部分小清河都有，不仅种类多，而且数量也相当大，有一定的 渔业价值。小清河下游河段及河口，还盛产半咸水性的鱼种，如梭鱼、银鱼 等。沿岸湖泊水草繁茂，鱼、虾、蟹、螺、蛤产量极为丰富。现在水鸟、水 鸡、野鸭、蒲草、鱼、虾、蟹、蛙、蚯蚓、蛤蜊等十大生物资源基本绝迹。 污染对土壤、农作物以及渔副业生产的影响也较明显。小清河沿岸是全省 主要粮棉生产基地之一，需要大量农灌用水。但是，由于常年使用已污染而 未经处理的小清河水灌溉，造成土壤板结、碱化、地力下降、农作物减产、 农产品也受到不同程度的污染。小清河中下游、两岸湖泊和河口原是我省主 要的淡水、海水水产基地之一，现已大幅度减产或绝产。 2 1 山东大学硕士学位论文 第三章小清河上游段水生态干扰评估与恢复目标 3 1 小清河上游段概况 3 1 1 自然地理概况 1 、地理位置 小清河上游段起于睦里庄，自西向东与黄河平行横贯济南，流经济南市 槐荫区、天桥区、市中区、历下区、历城区、章丘市，从辛丰庄出济南界， 全长7 0 3 k m ，流域面积2 7 9 2 k m 2 ，占济南面积的3 4 。小清河是济南市区唯 一的排洪干道，河道主要支流2 7 条，多分布在右岸。 2 、地形地貌及地质构造 流域地形比较复杂，属山丘平原混合型。其中低山丘陵面积占总面积的 4 2 2 ，平原占4 7 3 ，湖泊洼地约占1 0 。各支流下游至干流之间，主要由 山前冲积洪积扇和黄河冲积平原所组成。整个地形南高北低，地面由南向北 倾斜。 小清河流域的地质构造属于华北地台的一