北方山区型河流污染控制与生态修复技术集成研究—以太子河山区段为例宋有涛院长-1

辽宁大学环境学院宋有涛（布乃顺）,北方山区型河流污染控制与生态修复技术集成研究以太子河山区段为例,河子太,太子河长413km，流经本溪、辽阳和鞍山，部分流经抚顺和沈阳流域面积1.39万km2年均径流量26.9亿m3废水、COD和NH3-N排放量分别占辽河流域（辽宁省）的30.5%、19.8%和21.5%上中游为典型山地丘陵型河流,研究背景,山区段,上游,中游,葠窝水库,主要是指太子河源头至葠窝水库之间的上游山地森林和中游丘陵森林地区，包括本溪及抚顺、辽阳部分地区，区域面积8453km2，占太子河流域总面积的60.8%。该区域尽管水质基本达到IV类标准，但面临着较为典型的生态环境问题，存在着生态修复的需求。,太子河流域山区段,问题：水质较好，部分河段生境脆弱，水源涵养能力不强，水生生物多样性不高成因：河道狭窄，底质多为石头，河岸陡峭，植被稀少汇水区多石灰岩基质，次生林灌丛层退化、人工林树种单一人为干扰（沿岸农田、挖沙等）影响较大,注：引自“十一五”水专项功能分区划分研究结果,上游源头段,本钢,北台钢厂,注：引自本溪市水污染统计资料,兴安断面,老官砬子断面,问题：枯水期水质较差，氨氮含量较高，生境破坏严重，生物多样性很低成因：工业废水和城市生活污水排放量大，枯水期生态补水量少水体中溶解氧含量低，自净能力差河道渠化，岸坡硬化，人工清淤较为频繁,百年渣山,注：引自“十一五”水专项研究成果,本钢,中游城区段,中游矿区段,歪头山铁矿,北台铁矿,南芬铁矿,问题：水体中悬浮物含量高，河道及河岸受到一定破坏，河流生境质量一般成因：矿山区域大，长期粗放开采造成污染和水土流失严重水陆交错带植被退化，降低了污染阻控功能悬浮物在汇流区大量沉积，破坏河流底质结构,城镇化进程加快,生活垃圾和污水,畜牧养殖和挖沙,闸坝和河道硬化,城市化和工业点源,采矿造成生态破坏,氨氮稍高,生物多样性降低,植被覆盖率低,人类社会经济影响（驱动力、压力）、水生态健康（状态）、服务功能（影响）之间的响应,水源涵养能力,水土保持能力,河道净化能力,气候调节能力,水质安全保障,驱动力、压力,水生态健康状况,水生态服务功能,生态建设与管理平台,政府决策和城市规划,问题：缺乏生态监测及生态评估技术体系缺乏社会经济影响、水生态健康、服务功能和管理调控之间的响应,流域生态建设与管理,研发山区型河流上游脆弱生态系统生境维持与生物多样性保护、中游城区段河流生境改善与水质提升、矿区水陆交错带污染阻控与生态修复等关键技术，开展应用示范构建太子河流域山区段生态建设与管理平台，实现业务化运行制定山区段河流生态修复与功能提升技术指南,研究目标,研究内容,1,2,3,4,针对太子河流域山区段上游生境脆弱、中游生态退化、矿区生态破坏等典型问题，以河流生态修复与功能提升为目标，依托“十一五”水专项研究成果，开展以下四个方面研究：,太子河流域山区段生态建设与管理平台构建及业务化运行,矿区水陆交错带污染阻控与生态修复关键技术与示范,中游城区段河流生境改善与水质提升关键技术与示范,上游河流脆弱生境维持与生物多样性保护关键技术与示范,技术集成与应用示范,底质生境优化,低温去除氨氮,退化群落优化,林下灌丛保护,受损河岸恢复,基质土壤调控,生物群落配置,受胁群落封育,钢铁废水减排,带状湿地构建,生物链培育,渣山原位修复,河底生境营造,植物篱阻控,下垫面改善,先锋植被抚育,地表径流调控,坡面物种筛选,汇水区植物群落保护,河流生物多样性保护,脆弱生境修复策略,河流生境改善,水质提升技术,水质目标管理策略,污染阻控与生态整治,退化区生态修复,污染分析与修复方案,河流生态安全评估,生态修复策略方案,上游源头区生境改善水源涵养,中游城区水质提升氨氮削减,中游矿区植被恢复污染阻控,太子河流域山区段,“十二五”流域重大需求,“十三五”生态流域提供理论技术支撑,基于“生态修复-生态效应-水质响应”的太子河流域生态建设与管理平台,山区型河流水生态状况评估评价,水生态管理平台构建,工程示范（河流主题）与平台建设（监控预警主题）统筹结合,技术路线,关键技术,1.上游河流脆弱生境维持与生物多样性保护关键技术（1）河流微型“step-pool”结构构建及空间组合配置技术（2）太子河上游河岸带植被先锋种抚育技术（3）“生物砖”配置构建技术（4）山区型河流汇水区生物群落生态封育技术,（1）河流微型“step-pool”结构构建及空间组合配置技术,利用河道中岩石构成优化，底质生境异质性增加等原理，提高河道生境多样性，为提高河流生态系统生物多样性提供基础。,（1）河流微型“step-pool”结构构建及空间组合配置技术,藻类现状调查,水质现状调查,（1）河流微型“step-pool”结构构建及空间组合配置技术,在流速一定的情况下（0.5m/s）着生藻类的个数随水深呈先增加后下降的趋势，25-35cm水深的着生藻类个数最多,“step-pool”室内模拟结构图及装置,水深,藻类个数,（2）太子河上游河岸带植被先锋种抚育技术,以太子河河岸带自然状况为基础，基于植被演替原理，通过筛选优势乡土植被群落，结合微生物群落+土壤配置技术，改善河岸带基质，促进河岸带自然生境恢复。,（2）太子河上游河岸带植被先锋种抚育技术,植被与微生物现状调查,已确定沉水植物：菹草、小眼子菜等；挺水植物：水蓼、金盏银盘等已确定土壤微生物：细菌群落,（2）太子河上游河岸带植被先锋种抚育技术,微生物+基质配置实验,在明确本地微生物群落组成后，利用富集培养的方法筛选优势菌（群）以及固氮、解磷菌（群）；盆栽实验正在进行中，用以筛选出优势物种和适宜植物生长的改良剂组合。,（3）“生物砖”配置构建技术,以受损河岸带基质土壤养分调节和当地优势物种筛选为技术基础，构建河岸带基质稳定袋，结合河岸带护坡生态网格、石笼，研发“生物砖”配置构建技术，促进河岸带自然生境快速恢复。,生物砖基质实验,（3）“生物砖”配置构建技术,有机肥有利于提高土壤有机碳的含量，随着土壤有机质含量增加，目标有机物在土壤中的流失速率减弱。,研究结果：调节pH以最大限度保证土壤酶活性和土壤微生物种群数量施加有机肥料，提高有机质含量，减少养分流失施加秸秆、稻壳等腐殖质肥料，可以提高有机质含量并改善土壤理化性状。,（4）山区型河流汇水区生物群落生态封育技术,按区域分异性划分生态封育模式类型，通过集成已有半封-轮封-全封等生态封育技术，并使用景观生态学中基质-廊道-斑块理论对已有生态封育技术进行再创新，集成简单技术并综合利用实现经济效益最大化。,示范区人工林生长情况,（4）山区型河流汇水区生物群落生态封育技术,采用实地采样与模拟实验相结合的方法，针对乔、灌植物群落，开展消减氮、磷能力的比较研究。,关键技术,2.中游城区段河流生境改善与水质提升关键技术（1）山区型河流城区段河流水质提升关键技术钢铁园区污水排放系统优化研究、污水厂一级A尾水物化耦合深度净化技术、低温去除氮技术（2）城区段河流生境改善关键技术山区型河流消落区带状湿地构建、河流复氧强化、河底仿自然生境营造、河岸生态修复,（1）城区段河流水质提升关键技术,主要包括：钢铁园区污水排放系统优化研究、污水厂一级A尾水物化耦合深度净化技术、以及低温去除氮技术三项。可以实现污水处理厂各节点的控制和总污染负荷削减，解决中游城区段河流水质提升相关问题，建立基于生态需水保障水质水量调度模式方案、基于水质目标管理的区域产业与空间转型方案和基于管理减排的流域管理技术支撑体系，为北方山区型河流水环境全面改善提供范式,（1）城区段河流水质提升关键技术,钢铁园区多单元排放过程控制减排技术,城区段水质与钢铁园区废水组成分析,（1）城区段河流水质提升关键技术,钢铁园区多单元排放过程控制减排技术小试研究,通过对比，确定出水不达标所对应的进水指标；采用回流工艺进行处理，提高混凝处理效率。,（1）城区段河流水质提升关键技术,基于单元段的水质分析，确定了在本钢综合污水厂的高密度澄清池前开展技术示范。,钢铁园区多单元排放过程控制减排技术技术示范,（1）城区段河流水质提升关键技术,污水厂一级A尾水物化耦合深度净化技术小试研究,（1）城区段河流水质提升关键技术,低温脱氮技术研究小试研究,负载条件的正交实验设计：确定活性炭负载的最优负载条件：硝酸铁浸渍液浓度为0.15mol/L、扩散条件为45Hz+100r/min、pH值为7。,硝酸铁浸渍液最佳浓度的氨氮静态吸附曲线,正交试验因素及水平表,（1）城区段河流水质提升关键技术,结果：超声浸渍法可以提高浸渍液分散效果，在低浓度下即可达到最佳负载浓度；负载pH增大铁的负载量增加，但是对氨氮的吸附能力并没有随之增加。,低温脱氮技术研究小试研究,（1）城区段河流水质提升关键技术,中试研究进展,中试试验装置已经完成图纸设计，正在进行政府招标采购，已发布招标公告，中试试验设备进场后，即开展中试研究内容。,（2）城区段河流生境改善关键技术,主要包括：山区型河流消落区带状湿地构建，河流复氧强化与河底仿自然生境营造和河岸生态修复，统筹水质与生境、河道与河岸，综合改善太子河城区段河流生境，提高生物多样性及水质。,（2）城区段河流生境改善关键技术,山区型河流消落区带状湿地构建-小试实验,水体透明度的提高以及悬浮有机颗粒的下降表明滤食性动物河蚬起到显著的净水效应；随着螺蛳密度的增加，水质透明度提高越明显。同比黑藻、金鱼藻、狐尾藻，菹草对COD、氨氮、总磷、总氮的去除率更高。,（2）城区段河流生境改善关键技术,充分利用拦河坝造成的水位差,河蚌,螺蛳,河蚬,坝前,坝后,坝前水体水深较深，流速较缓，在坝前投放滤食性鱼类和滤食性软体动物，水底恢复沉水植物，构建立体净水系统。,坝后水深较浅，流速较快，通过种植和恢复挺水植物和沉水植物，投放滤食性软体动物，构建带状湿地和水生生物链，逐步恢复河流的生态结构和功能。,山区型河流消落区带状湿地构建现场中试设计,该技术试图利用风场、水体流场和蓝藻（微囊藻）自身水平迁移规律，在蓝藻水华暴发的早期，识别出大面积水体蓝藻控制的关键区域，相对于整个水域，这些关键区域的面积较小。在这些关键区域内利用水流流量调控，结合食物链控藻，建立一个蓝藻与滤食性鱼类、底栖动物等之间的生态位高度重合模式，提高滤食性动物的摄藻效率。基于此原理构建的能高效消灭蓝藻的区域称之为“生态陷阱”。,治理前,治理后,山东省少海湖,上海市宝钢水库,上海市滴水湖历史数据回顾看生态系统不断完善,蓝藻水华暴发阶段,治藻与生态系统构建,治藻与净水生态系统构建,生态系统效果展示,第一阶段,净水生态系统构建,治藻生态系统构建,第二阶段,2015年第三阶段,草型生态系统构建,滴水湖-总磷,1年,2年,2年,4年,3年,暴发蓝藻水华,治藻阶段,完善藻型生态系统治水阶段,（2）城区段河流生境改善关键技术,河流复氧强化与河底仿自然生境营造技术现场调查,共采样3次，采样点10个，检测指标包括COD、氨氮、总氮、总磷、浮游动物、大型底栖动物、着生藻类、鱼类等。,（2）城区段河流生境改善关键技术,实验结果显示，深潭浅滩以及丁坝数量、形状、位置的变化对DO的有较复杂的影响，DO含量与深潭浅滩数量以及丁坝数量呈正相关性。,河流复氧强化与河底仿自然生境营造技术小试试验,（2）城区段河流生境改善关键技术,深潭设计在低于周边河床0.3m以上的部分，浅滩设计在高出周边河床0.30.5m的部分，且其顶高程的连线坡度应与河道坡降一致。,河流复氧强化与河底仿自然生境营造技术中试研究进展,（2）城区段河流生境改善关键技术,Lr=(13.601w0.2894dr500.29)/(S0.2053dp500.1367),浅滩之间的距离计算公式如下：,式中:Lr为沿河道两个浅滩之间的距离(m)；d为河床材料颗粒的直径(mm)；r和P分别表示浅滩和深槽的材料；w为河道平均宽度(m)；S为河段平均坡降。,图浅滩和深潭的平面示意图,图浅滩和深潭截面示意图,河流复氧强化与河底仿自然生境营造技术工程设计,（2）城区段河流生境改善关键技术,城区段硬质河岸生态修复技术现场调查,（2）城区段河流生境改善关键技术,城区段硬质河岸生态修复技术小试实验,（2）城区段河流生境改善关键技术,城区段硬质河岸生态修复技术中试研究进展,清理整平坡面后进行造孔安装锚杆，挂网后，根据生物生长特性优选育种，辅以绿植强化和覆盖技术。,关键技术,3.矿区水陆交错带污染阻控与生态修复关键技术（1）基于流域矿区空间特征分析的修复工程量化设计技术（2）采场生态退化区下垫面基质重建及物种筛选技术（3）基于植物篱的矿山水陆过渡带污染阻控技术,（1）基于流域矿区空间特征分析的修复工程量化设计技术,在传统生态工程学基础上，利用GIS平台和SWAT等新型工具，从矿区DEM空间分析入手，划分矿区污染扩散单元与路径。,（1）基于流域矿区空间特征分析的修复工程量化设计技术,开展流域矿区污染监测与特征分析、水陆污染响应关系及耦合机制研究与流域矿区修复模式分析及方案设计。,SWAT模型分析与生态恢复方案模拟,基于土壤改良/客土+植被覆盖，坡面径流量和土壤侵蚀量呈现大幅降低,（2）采场生态退化区下垫面基质重建及物种筛选技术,开展露天采场生态退化区的下垫面生态恢复技术分区；开展矿区采场基质理化性质现状分析；筛选不同生态退化区的适宜性品种。,矿区采场基质养分现状分析,采矿场,采矿场边坡,（2）采场生态退化区下垫面基质重建及物种筛选技术,在现场踏查、资料收集和现场测量的基础上，针对技术措施分区结果，确定了采矿场不同区域的生态恢复关键节点区，形成生态恢复设计方案。,（3）基于植物篱的矿山水陆过渡带污染阻控技术,通过集成水陆过渡带下垫面改善、植物篱阻控参数调控等技术，以植物篱定量化应用为主体，综合构建并优化植物群落，构建坡面面源污染植物防控屏障，形成矿区水陆过渡带面源污染生物阻控集成技术。,小试实验,（3）基于植物篱的矿山水陆过渡带污染阻控技术,矿山水陆过渡带污染阻控技术小试实验结果,关键技术,4.太子河流域山区段生态建设与管理平台构建关键技术（1）基于PSFR评估框架太子河流域水生态安全研究（2）葠窝水库污染控制和生态恢复技术研究（3）气候变化背景下太子河山区段上游河流水生态安全诊断及保护的适应性管理对策（4）“生态修复-生态效应-水质响应”一体化的生态建设与管理示范平台,（1）基于PSFR评估框架的太子河流域水生态安全研究,以“压力-状态-响应”为体系框架，从生态环境压力、生态系统健康、生态服务功能和环境风险4个专项指标，采用层次分析法（AHP）构建河流生态安全评价指标体系。,评估指标体系构建及数据分析,（1）基于PSFR评估框架的太子河流域水生态安全研究,太子河水生态安全评价结果,105个小流域中并不存在“很不安全”的状态，而处于“不安全”状态的小流域也只有5个，只占总数的4.8%.多数小流域均处于“较安全”和“一般”状态。,（2）葠窝水库污染控制和生态恢复技术研究,完成葠窝水库生境、生物调研，完成生物毒性甄别所用生物受体摇蚊幼虫的野外采集，实验室训话及扩繁工作；建立沉积物毒性的