河流污染环境修复原理与技术

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2018-07-20
简介
河流是人类赖以生存的水环境,河流污染治理需要有效控制污染源的污染排放量,并将排污量控制在河流承载力之内。本文以河流系统诸功能与河流健康之间的关系为主线,分析了各阶段河流系统平衡的特征和功能指标,初步建立了河流功能健康诊断指标体系,指出了不同阶段实现河流治理和生态修复的方法和步骤,对今后的河流生态修复具有指导意义。

文档内容部分截取

1前言河流是流域景观中一个流动的、与陆地生态系统联系紧密的、且相对开放的复杂生态系统。水域与陆地的过渡带(缓冲区域、交错带)是水生、陆生生态系统的交汇区域,交错带内景观异质性高,生物群落多样性丰富。在河流系统的众多因素中,水是河流生态系统物质交换的主要载体,也是维持河流生态系统的基本要素。河流系统是由一系列不同级别的河流以连续、流动特性形成的完整系统。河流物理参数的连续变化梯度,形成系统的连贯结构和相应功能;同时河道物理结构、水文循环和能量输入,在河流生物系统中产生一系列响应——连续的生物学调整以及沿河有机质、养分、悬浮物等物质的运动、搬运、利用和储蓄。随着区域经济、人口的发展,大量污染物(工业、农业、生活污染源)排入河流系统,以及河流生态环境的破坏(过度砍伐森林、气候变化等)引起水质恶化,导致河流生态系统结构和功能破坏,严重制约区域经济的可持续发展。人类对水资源的需求量大增,在河流上大规模筑坝拦截河流水量,部分河流缺乏有效管理引起河道水量大幅度将对甚至断流,降低水体自净能力和河流生态系统的恢复能力、抵抗力,而进一步加剧水污染,严重影响河流生态系统结构、功能。河流污染是人类对河流不当利用和控制的主要负面后果之一。河流污染治理需要有效控制污染源的污染排放量,并将排污量控制在河流承载力之内。对于点源污染,目前采用的技术包括物化、生物及其相关组合的方法,常见的方法如絮凝沉淀、生物絮凝吸附、生物氧化、活性污泥法、生物膜法、固定化微生物-曝气生物滤池方法等。非点源污染与土地利用方式密切相关,因此对土地资源进行合理的规划利用是控制非点源污染的有效途径之一。河流污染问题已在世界范围内受到广泛关注,各种污染控制技术迅速发展,为基于生物-生态集成的河流修复技术的应用奠定了基础。河流系统功能健康的恶化主要表现为水中的养分、水的化学性质、水文特性和河流生态系统动力学特性等的改变,以及因此对原水生生态系统和原物种造成的巨大压力。从20世纪70年代始,对河流生态系统进行综合修复成为一种先进的治河理念。生态修复旨在使受损生态系统的结构和功能恢复到受干扰前的自然状况。河流生态修复有多种方法,生态系统修复是使受损河流恢复其功能健康的根本途径。2河流系统服务功能生态系统的服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。生态系统向来被人们誉为生命之舟。Costanza等把生态系统提供的商品和服务统称为生态系统服务,并且曾把生态系统服务功能划分为l7种类型。不同类型生态系统的服务功能是不尽相同的。河流生态系统服务功能是指人类直接或间接从河流生态系统功能中获取的利益。根据河流生态系统组成特点、结构特征和生态过程,河流生态系统的服务功能具体体现在供水、发电、航运、水产养殖、水生生物栖息、纳污、降解污染物、调节气候、补给地下水、泄洪、防洪、排水、输沙、景观、文化等多个方面。按照功能作用性质的不同,河流生态系统服务功能的类型可归纳划分为淡水供应、水能提供、物质生产、生物多样性的维持、生态支持、环境净化、灾害调节、休闲娱乐和文化孕育等。3河流生态系统的健康及评价方法河流生态系统健康与社会、经济、人类、生态环境等密切相关,在区域水平上可以理解为是资源安全、环境安全和经济安全的有机统一。一个健康的河流生态系统应该具有合理的组织结构和良好的运转功能,系统内部的物质循环和能量流动未受到损害,对长期或突发的自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性,并表现出一定的恢复能力,整体功能表现出多样性、复杂性。能够满足所有受益者的合理目标要求,具体表现为根据区域发展需求,合理利用分配水资源,保证不同区域利益的均衡,同时改善生态环境。其内涵是动态变化的,在不同时间尺度和不同空间尺度具有不同涵义。河流生态系统具有调节气候、改善生态环境、维护生物多样性以及一定的社会服务等众多功能,需要采用一定的指标和方法来监测河流环境条件的各个方面,即从多角度来评估河流的健康状况,从而提供对其整治以及管理有用的信息,提高受损河流的健康状况,保护健康河流,满足当代以及下一代人的环境、社会和经济需要。研究国内主要河流的健康状况,可以提供进行横向比较的基准,构建一套适用于我国的河流生态系统健康评价理论体系,评价国内河流健康状况,能够诊断我国不同地理区位河流健康状况的差异,设立恢复优先权,同时对于不同区域的类似河流,评价结果可用于互相参考比较,从而提高恢复活动的有效性。因此进行河流生态系统健康状况评价,有助于提高河流管理质量,不仅可揭示河流生态系统的现状,还提供了将不同河流进行比较的基准,同时还可评估受损河流生态恢复的成效,从而提高管理决策能力对于河流生态系统的评价,最初从生物对水质变化的响应着手,之后开始重视化学物质对水质的影响进行分析。近20年来,研究发现,河流生物群落具有整合不同时间尺度上各种化学、生物和物理影响的能力。这些生物群落的结构和功能特性能够反映诸如化学物质污染、物理生境的消失和斑块化变化,同时外来物种入侵,水资源的过量抽取和河岸植被带的过度采伐会造成水环境总体退化。因此,生物监测将更多的目光集中在多种生态胁迫对水环境造成的累计效应上。而对于应用生物方法评价河流健康的方法,选择何种指示生物是生态系统健康评价的关键。目前研究中,用的较多的水生生物主要是藻类(以硅藻为主)、无脊椎动物和鱼类。如,使用硅藻相关指数ISP和GDI反映水环境的腐生程度、TDI反映水环境的营养程度,“河流无脊椎动物预测和分类系统”、“澳大利亚河流评价计划”、“南非计分系统”以及底栖生物完整性指数(B-IBI)、营养完全指数(ITC)等都是基于对河流大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测基础上的河流健康状况评论模型,Karr于1981年提出的生物完整性指数(IBI)能够在比较的基础上对所研究的河流健康状况做出评价,是当前较普及的一种健康评价方法。尽管关于河流健康评价的方法很多,但从评价原理上,主要可分为两类:一类是预测模型方法(PredictiveModels),如Rivpacts和AusRivAS等。这类方法通过把某些研究地点实际的生物组成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行比较而对河流健康进行评价。该类方法首先通过选择参考点(referencesites,无人为干扰或人为干扰最小的样点),建立理想情况下样点的环境特征及相应生物组成的经验模型,之后,比较观测点生物组成的实际值与模型推导的该点预期值,以两者的比值河流健康进行评价。理论上,该比值可以在0~1之间变化,比值越接近1,则该点的健康状况越好。但是,预测模型法存在一个较大的缺陷,即主要通过单一物种对河流健康状况进行比较评价,并且假设河流任何变化都会反映在这一物种的变化上,因此,一旦出现河流健康状况受到破坏,但并未反映在所选物种的变化上时,就无法反映河流真实状况。因此,它具有一定的局限性。另一类方法称为多指标方法(Multimetrics),该方法通过对观测点的一系列生物特征指标与参考点的对应比较并计分,累加得分进行健康评价。该类方法在美国和澳大利亚被广泛应用。其中最具代表性的方法就是澳大利亚的溪流状况指数是ISC。它构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5方面、共计22项指标的评价指标体系,并在对其计分的基础上综合评价澳大利亚80多条河流健康状况。这一方法是对河流各方面特征的综合评价,其结果更加全面、客观,是河流健康状况评价的一种发展方向。另外美国的IBI方法也很典型。多指标法则是不同生物组织层次上多个指标的组合,考虑的河流表征因子远多于预测模型法,所以能够及时地反映这种变化。然而,这种方法也存在如何综合地评价一个生态系统的完整性及如何对这些综合指标进行合理解释等问题,评价标准难以确定,因此精度有所欠缺。4河流治理和修复的阶段受损河流修复的核心并不简单地意味着使河流恢复到原始状态,而是使河流受损功能恢复到接近期望的理想状态,使河流生态系统恢复健康,进而在遵循河流自身发展规律的条件下持续地满足人类社会发展的需要。然而,河流生态修复不能脱离人类和河流关系的发展阶段。在原始纯自然阶段、工程控制阶段、污染治理阶段和生态修复等不同阶段,河流治理与修复的理念和任务有很大不同。原始自然阶段作为人类与河流关系的最初阶段虽未因人类活动受损,但对于河流历史而言,这一阶段忠实地记录了河流生态系统追求动态“平衡”的轨迹,从而为生态修复研究留下了宝贵的参照体系。在该阶段,第二圈层的功能项主要为泄洪、输沙、供水、自净、生态和景观功能。河流系统总体上处于自然健康状态,各层只有实线存在,各项功能基本满足。河流工程控制阶段标志着更多的河流功能为人类所认识和开发。人类从被动转向主动利用河流的功能,泄洪功能、航运功能、供水功能、发电功能得到扩展。在该阶段,由于大坝、水库对河流水体的拦蓄,造成输沙、生态、景观娱乐功能所需水量不足,以及河床形态的改变、植被和生物多样性的减少。河流泄洪、输沙、供水、生态、景观娱乐功能均受到不同程度的损害,使河流系统开始偏离健康状态。河流污染治理阶段的重要标志是河流的严重污染。由于水质恶化,使得除泄洪、航运和发电功能以外的其他大多数功能受到损害,并直接影响到河流生态系统的健康和存亡。河流系统生态修复阶段标志着人类对河流认识的飞跃。在饱吞因河流不当开发造成的恶果后,如何持续维护健康的河流已成为当今重要的治河理念。在该阶段,河流的生态功能、输沙功能、景观娱乐功能受到更多关注,将河流作为生态系统进行综合修复成为主要特点。河流治理和修复必须与所处“人类-河流”关系的相应阶段相适应,必须具备相应的条件。河流污染治理目标远低于生态修复阶段的目标。在尚未完成污染治理阶段目标以前,不可能有效地再造生物的栖息环境、招徕本土生物和增加系统生物多样性。例如,莱茵河生态修复计划明确地把大马哈鱼回到河流作为其标志;英国泰晤士河修复将大马哈鱼、鳟鱼、鳗鱼等作为河流生态修复的重要成效指标;德国众多河流的生态修复也都把河流系统中的各种生物放在十分重要的位置,将水体重建、河流的水文循环恢复、使鱼类和底栖无脊椎动物回到河流以实现河流生态系统完整性作为目标。德国Isar河的生态修复甚至将在河流中安全游泳、洗浴作为修复目标。我国的大部分地区在目前尚无法实现此类修复目标。5受损河流生态修复原则(1)自然循环原则。自然循环原则是生态修复的基本原则。利用河流生态系统的自我调节能力,因势利导地采取适当的人为措施,使河流系统朝着自然和健康方向发展,最大限度地构造人类和河流融洽和谐的环境。自然循环受到众多条件的约束,如气候、地质地貌、植被条件、河流状况、土地利用、城市规划、人口社会、产业结构、污染特征和管理机制等。全面综合考虑这些因素方可查明河流受损的程度和原因,并据此明确河流治理修复的阶段和相应措施。(2)功能性需求原则。河流系统健康依赖于河流各项功能的满足。为了科学评估河流主要功能的状况,需要制定合理的表述各项功能的指标体系,明确各项指标对应平衡状态的标准,建立基于功能需求的受损河流修复的目标函数。(3)主功能优先原则。河流系统各项功能在不同阶段和河段的重要程度有所不同。对于一些经济发展迅速、开发过度、污染问题突出的地区,需要优先恢复其自净功能。对于经济发达但污染问题不突出的地区,可以优先考虑满足生态功能的需求,改善河流生态系统结构和功能。当各项功能不能同时满足时,可以优先考虑河流的主功能,并依此来确定相应的功能指标。(4)多功能协调原则。河流系统健康所需满足的各项河流功能具有不同的指标要求,需要在单项功能指标分析的基础上,按照多功能协调的原则考虑各项功能、各项指标值之间的相互协调。(5)分时段考虑原则。在不同的时间尺度或不同时段,河流系统会因外部条件改变或各项功能主导作用的交替变化而具有不同的动态变化特征。从较长的时段来看,河流系统功能的生态修复不可一蹴而就,对于受损程度不同、约束条件不同的河流,应该根据实际情况合理规划治理修复进程,明确河流当前所处的修复阶段。从每一具体阶段来看,应明确该阶段的治理修复目标,采取恰当的修复措施。对于重度污染、人口密集的城市河流,首要任务是污染控制和水质改善,其后方宜按照更高的修复目标(如招徕鱼类等)进行生态修复。(6)分河段细化原则。一条河流的不同河段可能在河道比降、河道断面和平面形态等方面存在很大差异,而且各项功能在不同河段的指标值以及满足(受损)程度也不尽相同。因此,应该按照分河段细化的原则选择最具优先权的河段入手进行生态修复,通过局部细化与整体优化的结合达到满意的修复效果。处于不同治理阶段的河流,有不同的河段优先次序。对于处于生态修复阶段的河流,有限保护尚处于良好条件的河段,比关注那些已经受损的河段要有效得多。(7)生物多样性原则。生物多样性是河流生态系统平衡和河流系统健康的基础。因此,河流生态修复应该遵循生态学中的生物多样性原则,在防止生物入侵的前提下,引入本土生物,构建生境廊道,保护和增加河流系统生物多样性。(8)景观美化原则。河流生态修复的结果应该带给人们美好的享受。因此,生态修复应按照景观生态学原理,增加景观异质性,保留原河道的自然线形,运用植物以及其他自然材料构造河流景观。(9)综合效益最大化原则。河流生态系统的复杂性决定了最终修复结果和演替方向的不确定性,从而使得河流生态修复具有周期长、风险大、投资高的特点。因此,需要从流域系统出发进行整体分析,将近期利益与远期利益相结合,通过费用效益分析对现有货币条件下的费用、效益进行比较,根据河流所处的治理修复阶段提出河流修复的最佳方案,获得最大的河流修复成效,实现社会、经济和生态环境效益的最大化。(10)利益相关者有效参与原则。河流生态修复需要考虑大众的接受、认同和支持。因此,在整个河流修复的过程中都应贯穿利益相关者有效参与的原则,最大限度地反映不同利益相关者的需求,从而使各方面的利益得以有效协调,使生态修复计划得以顺利实施,使河流系统得以健康维护。6河流生态修复技术河流生态修复的目标是恢复河流系统的各项功能,从而恢复河流系统的健康;而河流系统的健康最终是由各项功能指标来体现的。因此,各项河流生态修复技术也应该具有针对性,从修复各项功能指标入手,修复河流系统健康。河流生态修复的主要技术方法包括缓冲区恢复、植被恢复、河道补水、生物-生态修复、生境修复等技术。其中,生物-生态修复技术是目前河流生态修复的重要方法。缓冲区是河流与陆地的交界区域,如河边湿地、河谷或洪泛平原。在河流两岸各设置一定宽度的缓冲区是重要的河流生态修复方法。缓冲区修复可起到分蓄和削减洪水的功能。其次,河流与缓冲区河漫滩之间的水文连通性是影响河流物种多样性的关键因素。此外,河岸缓冲区还具有其他修复作用,包括将洪水中污染物沉淀、过滤、净化,改善水质;截留、过滤暴雨径流,净化水体;提供野生动植物的生息环境;保持景观的自然特征;为人类提供良好的生活、休闲空间等。植被恢复是最普遍的河流修复的重要技术方法。植被可以通过影响河流的流动、河岸抗冲刷强度、泥沙沉积、河床稳定性和河道形态而对河流产生很大影响。同时,合理分布的植被还有助于减轻洪水灾害、净化水体,提供景观休闲场所和多种生态服务功能。水是河流生态系统中最重要的环境因素,也是维持河流系统健康的重要因素。不论是规定水库最小下泄流量,还是引水、废水回用补水等,都有利于增加河流流量,提供输沙、自净、供水和生态功能需水量。对于水量不能满足其基本功能的河流,补水措施尤为重要。生物-生态修复技术主要包括人工曝气复氧、底泥污染控制、生物强化人工河道、自然河道生态塘、生态沟渠、生态修复耦合系统、生态护岸等技术,是生态修复和构建自然环境和人居环境和谐统一的主要技术。裁弯河流的恢复则可利用弯曲河流消耗河流能量强化河流的自净功能,同时恢复河流的天然景观,是实现流域中河流回归自然的重要改造措施。鱼道恢复则是近年来河流系统生态修复中最受关注的问题之一。西方国家在进行河流修复时普遍注意了鱼类通道的重建。水生生物群落修复技术利用生态学基本原理以及水生生物的基础生物学特性,以人工和生物调控相结合的方式改善水体生态环境条件,通过引种移植、保护和生物操纵等技术措施,系统重建水生生物多样性。河流生态修复技术是与河流各项功能相对应的。通过这些修复技术,使得各项功能恢复到可以接受的程度,从而达到恢复河流系统健康的目标。由于生态修复技术是将河流作为一个生态系统进行整体考虑,因此每一项恢复技术都可能对多项功能修复产生作用。河流生态修复的步骤可以归纳为:(1)制定总体目标;(2)协调分目标(包括分析约束条件);(3)分析目标要素(包括功能指标阈值与功能受损程度);(4)确定修复方案。河流生态修复的总体目标是恢复河流系统健康,实现河流和人类的和谐发展。对于特定的河流,应具体分析河流的主要功能以及它们之间的关系,明确各要素对诸项河流功能的重要性以及各项功能对河流系统健康的权重。功能分析的主要工作是功能指标的亏值比较和约束条件分析,明确受损的河流功能要素及其受损程度。约束条件分析重点对气候、地形条件,河流现状,污染源状况,人口规模和结构,社会经济水平,利益相关者,土地利用,城市规划,城市相关管理机制等九个方面进行分析,以便确定河流治理修复的阶段和相应的修复措施。修复方案的确定需要包括四个步骤:明确修复阶段,排列优先次序,制定修复措施,维护修复成果。在搞清具体河流的受损功能、受损程度和河流所受的约束条件后,便可首先确定河流修复所处的阶段。然后,据此根据对各个河段特征和问题的认识、受损程度和修复的难易程度对河段修复次序进行排列,因地制宜地选择合理、有效的修复方法。受损河流系统修复是一个十分复杂而漫长的过程,各种措施带来的最终效果具有一定的不确定性。为了全面、谨慎地考虑各种可能的负面效果,避免或减小负面影响,必须对河流进行适时的监测和评估,以便在必要的时候及时更改修复措施,调整和完善修复工程。另外,河流系统非常复杂,它对各种措施所作出的反应非常慢,这就需要对河流治理和修复给予长期、持续的监测和评估,判断河流治理修复的成效,总结治理修复工程的经验教训。河流生态修复的总体目标是恢复河流系统健康,但河流的生态修复实际上是一个多目标、多层次、多约束条件的综合问题。在目标层面,需要通过协调满足河流各项功能获得相对满意的优化结果;在措施层面,需要有针对性地找到有利于河流各项功能修复的有效措施。7结论河流是人类赖以生存的水环境,是人类社会生存和发展的摇篮。纵观人类与河流的共存发展历史,大致经历了原始自然、工程控制、污染治理和生态系统综合修复四个主要阶段。在不同阶段,河流系统的主要功能的相对重要性和诸项功能的健康(或受损)程度不同,河流系统的健康状况不同,因而河流治理和修复的任务也有所不同。河流生态修复的总体目标是恢复河流系统健康。河流生态修复需要遵循自然循环原则、功能性需求原则、主功能优先原则、多功能协调原则、分时段考虑原则、分河段细化原则、生物多样性原则、景观美化原则、综合效益最大化原则、利益相关者有效参与原则。河流生态修复主要技术包括:缓冲区修复、植被恢复、河道补水、生物-生态修复、生境修复、水生生物群落修复技术等。河流生态修复是一个多目标、多层次、多措施、多约束条件的复杂问题。为了更好的实现这一过程,我们需要继续加强理论研究和工程示范,加强监测工作,长期积累数据。还需要不断总结经验,加强相关技术标准和规范的编制工作。本文以河流系统诸功能与河流健康之间的关系为主线,分析了各阶段河流系统平衡的特征和功能指标,初步建立了河流功能健康诊断指标体系,指出了不同阶段实现河流治理和生态修复的方法和步骤,对今后的河流生态修复具有指导意义。
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