一种城市内河原位生态修复的方法

1.本发明涉及生态修复技术领域，特别涉及一种城市内河原位生态修复的方法。


背景技术：

2.河流对于城市的发展具有重要的作用，可提供饮用水源、创造景观、排泄洪水、接纳污水等。由于以往传统的水利工程建设一直忽略了河流生态系统的健康需求，对河流生态系统带来了不同程度的消极影响。我国对河流生态修复的研究仅有二三十年，典型案例有北京的凉水河生态治理工程、成都府南河的多自然治理、上海苏州河的水环境综合治理。
3.河流水污染的问题可通过污染治理技术的提高得到缓解，但是河流的生境以及生物的多样性情况仍不理想，并且现有的治理措施由于大多未考虑生态系统的整体性，只重视水质的改善，并未考虑生态系统多样性的构建很难实现从根本上解决河流的水体污染问题，河流的自净能力并不理想。项目前期在治理甘坑河水污染问题并未达到理想的结果。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的在于提出一种城市内河原位生态修复的方法，解决上述问题。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种城市内河原位生态修复的方法，包括如下步骤：
7.(1)构建辅河道：在主河道一旁构建辅河道，宽度为4-5m，深度为2-3m，处理规模为7500-8500m3/d，辅河道基质层厚20-30cm；
8.(2)建立块石-仿木桩-植物护岸：在河岸和河水过渡带放置粒径为20-30mm的砾石，宽度为0.5-0.6m，形成砾石带，在砾石带插入仿木桩，间隔0.6-1.2m，在砾石带上种植苜蓿，株距0.3-0.5m；
9.(3)种植辅河流植物：将辅河流分为前段净化区和后段稳定区；在前段净化区，每隔2.5-3.5m修建土埂，土埂边坡的一边种植苦草30～40株/m2，种植深度1.8-2m；所述土埂底部还铺设厚度为0.2-0.3m含有吸附剂的驯化底泥；
10.在后段稳定区，种植水生植物30～40株/m2，形成种植带，每个种植带间隔4-5m；所述土埂、苦草和水生植物的面积比为1：0.8：1.5；
11.(4)配置设施：在土埂边坡的两边设置带有气孔的供气管环，每天夜晚增氧4-5h。
12.进一步说明，仿木桩的长度为0.8-0.85m，宽度为0.5-0.55m，高度为0.3-0.35m。
13.进一步说明，土埂的长度为3.5-4m，宽度为1-1.2m，高度为高出河流面0.4-0.5m。
14.进一步说明，步骤(3)中，吸附剂为由硝酸纤维素、氧化钙、膨润土和木质素磺酸钙制成。
15.进一步说明，吸附剂的制备方法，包括如下步骤：将氧化钙和膨润土混合，500-600℃煅烧1-2h，加入硝酸纤维素和木质素磺酸钙，干燥，挤压成型，得吸附剂。
16.进一步说明，吸附剂的粒径为0.5-3.5mm；所述硝酸纤维素、氧化钙、膨润土和木质
素磺酸钙的质量比为0.2：0.6：1：0.05-0.06。
17.进一步说明，步骤(3)中，驯化底泥为由在底泥中加入0.5wt％产黄纤维单胞菌培养液和20wt％水，培养24-36h，得驯化底泥；含有吸附剂的驯化底泥为由驯化底泥中加入2wt％吸附剂，搅拌2h所得。
18.进一步说明，水为取自主河道的河水。
19.进一步说明，产黄纤维单胞菌培养液为以接种量70-80cfu/ml将产黄纤维单胞菌(cellulomonas flavigena)接种至液体培养基，培养至od
600
值为4-4.5。
20.进一步说明，步骤(3)中，水生植物为海菖蒲、睡莲和狐尾藻。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
22.本发明通过构建辅河道、建立块石-仿木桩-植物护岸、种植辅河流植物和配置基础设施，建立一种城市内河原位生态的修复方式，可使各水质指标能稳定达到《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》ⅱ类标准，有效地降低了水体污染物浓度，并提升水体的溶解氧浓度，可进一步降低水体富营养化的风险；有利于建立物种多样的生态系统，提升系统对水体的净化能力。本发明通过排布河道内的深浅错落，构建浅滩护岸为水生植物和微生物提供落脚点，搭配净水植物为浮游动植物提供栖息地，建立一种多样化、多层次的生态环境，可形成一个可自我维持、良性循环、具有生命力的生态系统，有效实现河流自净能力的提高。
23.此外，本发明通过采用吸附剂和驯化底泥，置于河道前段净化区的土埂底部，与沉水植物联合，形成微生物-底泥-植物的持续吸附和缓释效应，不仅丰富了水生环境，有利于培育系统的浮游动植物和细菌的多样性，还可起到净化水质的作用，并避免洪水冲刷和泥沙掩埋对环境的破坏，有效地提高了河道生态系统的稳定性和河流的自净能力。
附图说明
24.图1为本发明辅河道构建示意图；注：1为主河道，2为辅河道后段稳定区，3为块石-仿木桩-植物护岸，4为辅河道前段净化区；
25.图2为项目工程的辅河道前段净化区的实地情况图。
具体实施方式
26.为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
27.本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
28.本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
29.实施例1
30.人工模拟河道位于深圳市环境科学研究院甘坑研究基地，全长100m，实验在自然条件下进行，甘坑人工湿地出水直接进入模拟河道，模拟河道内水力停留时间为4天。
31.实验组：
32.将模拟河流分为前段净化区和后段稳定区；在前段净化区，每隔15cm修建土埂，土埂边坡的一边种植苦草35株/m2，种植深度1.8m，土埂底部铺设厚度为0.2m含有吸附剂的驯化底泥；
33.在后段稳定区，种植水生植物35株/m2，形成种植带，每个种植带间隔24cm；其中，
土埂、苦草和水生植物的面积比为1：0.8：1.5，水生植物选用海菖蒲、睡莲和狐尾藻混合种植；
34.吸附剂是由按硝酸纤维素、氧化钙、膨润土和木质素磺酸钙的质量比为0.2：0.6：1：0.05，将氧化钙和膨润土混合，550℃煅烧1.5h，加入硝酸纤维素和木质素磺酸钙，干燥，挤压成型，得粒径为3mm的吸附剂，在驯化底泥中加入2wt％吸附剂，搅拌2h，得到含有吸附剂的驯化底泥；
35.驯化底泥是由在底泥中加入0.5wt％产黄纤维单胞菌培养液和20wt％甘坑河的河水，培养36h，得驯化底泥；将产黄纤维单胞菌以接种量70cfu/ml，接种至营养肉汁培养基，培养至od
600
值为4，得产黄纤维单胞菌培养液，培养基配方为：蛋白胨10g、牛肉提取物3g、nacl 5g、蒸馏水1l，ph 7.0。
36.对比组1：
37.根据实验组的种植模拟河道植物，其区别在于，采用底泥替换驯化底泥，含有吸附剂的底泥的制备方法：在底泥中加入2wt％吸附剂和0.5wt％产黄纤维单胞菌培养液，搅拌2h，得到含有吸附剂的底泥，其中，吸附剂和产黄纤维单胞菌培养液同实验组的制备方法。
38.对比组2：根据实验组的种植模拟河道植物，其区别在于，驯化底泥中未含有吸附剂，仅将吸附剂撒施于模拟河道中。
39.对比组3：根据实验组的种植模拟河道植物，其区别在于，土埂底部未铺设含有吸附剂的驯化底泥。
40.实验方法：
41.(1)水样监测及检测方法
42.系统调试运行1个月后开始采水样进行分析。根据实地调研，一共布设2个采样点，分别是1#人工湿地出水口(模拟河道进水口)、2#模拟河道下游，检测指标为tn(总氮，total nitrogen，tn)，采用哈希dr900便携多参数比色计，以低量程硫酸盐氧化法计算模拟河道中tn含量。
43.(2)生物样监测及采集方法
44.根据实地调研，共布设生态调查站位2个。包含模拟河道进水口、中段、出水口，研究生态修复后模拟河道的生态建立过程。
45.(3)沉水植物生长监测及检测方法
46.采集模拟河道内沉水植物，采用天秤计算沉水植物的根系鲜重，研究生态修复后模拟河道的生态环境对沉水植物的影响。
47.(4)微生物样监测及检测方法
48.采集模拟河道内沉水植物根系土的微生物样品，各采3组平行样，研究生态修复后模拟河道的微生物生长过程及种类，分析鉴定体系优势菌属及其主要功能，并以磷功能菌为研究对象，计算体系内硝化细菌的相对丰度。
49.(5)生物生长情况评价方法
50.用反映生物群落特征指数，多样性指数(h
′
)对浮游植物和浮游动物群落结构特征进行分析。计算公式如下：
51.shannon-wiener多样性指数：
[0052][0053]
式中：pi＝ni/n；
[0054]
ni：第i种的个体数量(ind.
·
m-3
)；
[0055]
n：某站总生物数量(ind.
·
m-3
)；
[0056]
s：出现生物总种数。
[0057]
实验结果如表1：
[0058][0059]
由上表可知，实验组的模拟河道对tn的去除率可达79.6％，浮游植物和浮游动物的多样性指数分别为4.17和2.86；浮游植物的shannon-wiener多样性指数h大于3，表明模拟河道处于轻污或无污状态，浮游植物的栖息环境状况良好，种类组成较为均匀；浮游动物的shannon-wiener多样性指数处于中上水平，表明模拟河道后的可适应浮游动物的生长，生物样实地调查显示，轮虫种类最多，其次为浮游幼体和桡足类；硝化细菌相对丰度平均为1.126，苦草根系鲜重较高；根据模拟河道的tn值、多样性指数、硝化细菌相对丰度和苦草根系鲜重，表明本发明模拟河道的生态系统初步建立成功、并逐步复杂化，有利于河道的生态环境的修复，提高系统对水体的净化能力。
[0060]
对比组1和对比组2的多样性指数和硝化细菌相对丰度都较低，表明采用吸附剂和驯化底泥，可相互协同，沉水植物根系土中的好氧-缺氧-厌氧环境，促进形成微生物-底泥-植物的持续吸附和缓释效应，丰富的水生环境利于多样的浮游动植物和细菌生长，共同起到吸收水体中的磷氮等物质、净化水质的作用。
[0061]
实施例2
[0062]
选取深圳市龙岗区的甘坑河为研究对象，在甘坑河入水库前段河道进行生态修复，甘坑村位于深圳市龙岗区布吉街道，地处平湖镇饮用水源——甘坑水库上游，其生活污水和生产废水直接通过甘坑河排入甘坑水库。
[0063]
针对甘坑河水质污染和行洪安全问题，将非汛期的甘坑河上游来水引至项目区通过生物措施净化水质，在甘坑河入水库的主河道旁，开挖沟槽总长1660m，宽度5m、深度3m、基质层厚25cm，构建辅河道，修建长
×
宽为3
×
1m土埂3365m2，土埂高出河流面0.5m，土埂边坡种植苦草面积2690m2和水生植物总面积5048m2，土埂与沟槽范围内的库容为12450m3，在土埂边坡的两边设置带有气孔的供气管环，每天夜晚增氧4.5h，水生植物为海菖蒲、睡莲和狐尾藻，采用1：1：1数量种植；
[0064]
设计参数：
[0065]
(1)辅河道处理规模8000m3/d，河道原位修复1.66km；
[0066]
(2)在辅河道河岸和河水过渡带放置粒径为25mm的砾石，宽度为0.5m，形成砾石带，在砾石带插入长
×
宽
×
高为0.8
×
0.5
×
0.3m仿木桩，间隔0.8m，在砾石带上种植苜蓿，株距0.4m，形成块石-仿木桩-植物护岸；
[0067]
(3)前段净化区每隔2.5m修建土埂，苦草35株/m2，种植深度1.8m；后段稳定区，间隔4m种植水生植物35株/m2，形成种植带；
[0068]
(4)土埂底部铺设厚度为0.2m、含有粒径3mm吸附剂的驯化底泥，其中，吸附剂是由按硝酸纤维素、氧化钙、膨润土和木质素磺酸钙的质量比为0.2：0.6：1：0.05，将氧化钙和膨润土混合，550℃煅烧1.5h，加入硝酸纤维素和木质素磺酸钙，干燥，挤压成型所得；在底泥中加入0.5wt％产黄纤维单胞菌培养液和20wt％甘坑河的河水，培养36h，得驯化底泥，加入2wt％吸附剂，搅拌2h，得含有吸附剂的驯化底泥；产黄纤维单胞菌培养液为将产黄纤维单胞菌以接种量70cfu/ml，接种至营养肉汁培养基，培养至od
600
值为4，培养基配方为：蛋白胨10g、牛肉提取物3g、nacl 5g、蒸馏水1l，ph 7.0；
[0069]
(5)共布设2个采样点，分别是进入甘坑河上游采样点和辅河道进入甘坑水库的入库口，监测结果如表3和表4所示，检测方法如表2，检测nh3-n(氨氮)、tn(总氮，total nitrogen，tn)、tp(总磷，total phosphorus，tp)和do(溶解氧，dissolved oxygen，do)。
[0070]
表2水质检测方法(单位：mg/l)
[0071][0072][0073]
表3进入甘坑河上游水质(单位：mg/l)
[0074]
日期nh3-ntntpdo202002022.867.750.8864.21地表
ⅴ
类水≤2.0≤2.0≤0.4≥2
[0075]
从监测结果可知，甘坑河主要污染物浓度范围：nh3-n为2.86mg/l，tn为7.75mg/l，tp为0.886mg/l，其主要污染特征表现为氮、磷超标，基本为
ⅴ
类或劣
ⅴ
类。
[0076]
表4辅河道进入甘坑水库的入库口水质(单位：mg/l)
[0077]
日期nh3-ntntpdo202002020.1570.560.388.33202012010.1230.300.0312.8地表ⅱ类水≤0.5≤0.5≤0.1≥6
[0078]
由上表可知，各水质指标能稳定达到《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》ⅱ类标准，不仅有效降低了水体污染物浓度，并极大地提升了溶解氧浓度，进一步降低了水体富营养化风险。
[0079]
项目工程在前期未考虑在土埂底部铺设底泥，tn含量变动较大，地表水(nh3-n、tp和do指标)可稳定地达到ⅳ类标准。
[0080]
综上，本发明构建的城市内河原位生态修复的方法，系统内生态恢状况复良好，未受洪水涨落影响，并且可以将水质从劣
ⅴ
类净化至ⅱ类水，使系统具有理想的自净能力，达到目标要求，且还适宜丰富多样的生物生长，更有利于水体自净能力的提高；实验工程表明本发明通过构建辅河道、建立块石-仿木桩-植物护岸、种植辅河流植物和配置基础设施，可有效解决河流生态系统自净能力差的问题。
[0081]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。