国家水体污染控制与治理科技重大专项河流水环境综合整治技术研究与综合示范主题淮河流域水污染治理技术研究与集成示范项目南水北调东线南四湖退化湿地生态修复及水质改善
技术与示范课题
河流水质改善与岸滩生态恢复技术与
工程示范子课题
实施方案
子课题实施方案编制组
二〇〇九年二月
目录
摘要 (3)
一、立项依据与研究现状 (4)
（一）项目背景及必要性 (4)
（二）研究现状 (11)
二、研究目标、内容、方法与技术路线 (17)
（一）研究目标 (17)
（二）研究内容 (18)
1、河流原位修复技术研究 (18)
2、近自然河流生态修复技术研究 (30)
3、小沙河下游空心莲子草的控制和生态修复研究 (36)
（三）研究方法与技术路线 (41)
三、关键技术、考核指标与预期成果 (49)
（一）关键技术 (49)
（二）考核指标 (50)
（三）预期成果 (50)
四、示范区与示范工程 (52)
（一）示范区 (52)
（二）示范工程 (54)
五、研究团队和工作基础 (57)
（一）山东大学研究团队和工作基础 (57)
（二）北京林业大学研究团队和工作基础 (62)
（三）华东师范大学研究团队和工作基础 (64)
摘要
南四湖水质是否达标直接关系到南水北调东线调水水质，影响调水工程的顺利实施。南四湖流域的工农业生产，使入湖河流生态系统遭到破坏，河流水质下降，是造成南四湖水质恶化的原因之一。基于此本课题拟开展河流水质改善与岸滩生态恢复技术，并进行相应的工程示范研究。
针对小沙河实际情况，该子课题主要进行河流原位修复技术研究、近自然河流生态修复技术研究、空心莲子草的控制和生态修复技术研究。西支利用生物岛栅技术控制污水处理厂出水，东支进行河道的综合整治，以提高其自净作用，研究城市截蓄水流的分期排放与控制；在朱桥与蒋集河分洪涵闸之间进行原自然河流生态系统的恢复工程；蒋集河分洪涵闸与入湖口之间河道内主要进行空心莲子草的去除与控制及生态修复研究，研究调水及不同季节南四湖水位变化对小沙河水质及生态系统的影响。通过各项技术的综合应用，最大限度的恢复当地河流生态系统，强化河流的自净能力，使河流水质得到进一步改善，保证小沙河在进入湖滨带人工湿地前水质COD≦35mg/L，氨氮、总磷等指标达到地表水Ⅴ类。通过人工湿地与本课题的综合实施，实现入湖水质达到地表水Ⅲ类水质标准。
本子课题拟申请国拨经费400万元，地方政府和企事业以及社会资金配套经费600万元。
一、立项依据与研究现状
（一）项目背景及必要性
河流系统是自然界最重要的生态系统之一。河流是人类社会的起源地，与人类文明、文化和历史戚戚相关。河流系统具有多种功能，如泄洪、供水、输沙、自净、景观、航运、发电、生态功能等。河流系统功能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年代开始，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。
根据国内外河流水污染治理的经验，河流水污染控制必须有效的利用“控源”、“截留”、“水体治理”、“生态修复”等方面的技术。采用控源和截留的方法能有效控制点源与面源污染，其中第一步是“控源”，即从源头减少污染物向河流的排放；第二步是“截留”，截留主要包括修建截污管网收集城市、农村地区污水及受工业污染初期雨水；通过生物和生态工程技术对河道中的污染物以及营养元素进行“治理”；在控源、截留和水体治理基础上，生态修复技术才能充分发挥良性循环和稳态转换的作用。
南四湖流域河流存在COD、氨氮浓度较高，河流的结构和功能受损，水体自净能力低下等问题，需要对南四湖流域入湖河流进行生态修复，以提高河流的自净能力，改善南四湖水质，推动当地生态系统的可持续发展。
同时，随着南水北调东线工程的实施，以及人们对环境安全、水质安全和景观要求的提高，河流污染治理的压力越来越大。如不尽快加大污染治理和监管的力度，南四湖流域水污染防治形势将十分严峻。
按控制单元内的行政区划、河流汇流特征、控制断面和主要治理项目覆盖范围，将薛城小沙河控制单元划分为3个子控制单元，即薛城小沙河、新薛河、薛城大沙河。各单元情况见下表：
表1 各子单元基本情况
表2 水质目标要求
《南水北调东线工程治污规划》对该单元的总量控制要求为COD排放量3364 t/a，氨氮171 t/a，非汛期控制单元各河流禁止排入调水主干线——南四湖。
薛城小沙河控制单元主要接纳枣庄市新城区、薛城区、山亭区和鲁南化工园区的全部工业废水和生活污水，结合控制单元各河流污染情况，主要存在以下几个方面的问题：
一是该区域工业基础较好，工业污水虽经过治理达标排放，
但工业污染物排放总量较大。
二是城市污水处理厂建设滞后。随着城市化水平快速提高，城镇生活污水排放量逐年增加，生活污水所占比重逐年增大，而城市生活污水处理厂建设滞后，特别是管网不配套。薛城区污水处理厂于2003年底建成试运行，配套污水管网建设严重滞后。
三是生态径流量不足。由于枣庄市地势呈东高西低，北高南低走向，地表径流北部为自东北向西南入南四湖，特别是北部河流汛期地表径流快，枯水期无稀释水量，加上大量的工业生活废水排入河流，致使河流污染较重。
小沙河河道长度仅16km，西支主要来源于污水处理厂出水。东支主要是薛城区城市生活污水，河流水质较差，自净能力低下，由于永福橡胶坝的截蓄作用大部分水量被截留在东支上游，现阶段东支无水流进入小沙河干流。但是当蓄水达到一定容量之后必然需要排放，这时候水质较差的城市污水排放进入小沙河干流必然造成小沙河水质的恶化。东支河道较长，在对河道进行综合整治，提高其自净能力的基础上，研究永福橡胶坝截蓄污水的分期排放，研究河道自净所能消纳的污水量，在水质达标的基础上实现对河流的有效控制。
图1 西支污水处理厂排放口
图2 东支永福橡胶坝下游
在东西支交汇处下游的朱桥橡胶坝形成了较大面积的回水
区域，下游溢流堰已经损坏，溢流堰下方的河道没有开挖，但生
物种类较少，在目前水量较小的情况下对水质具有较好的净化效果，在蒋集桥与蒋集桥分洪涵闸之间河道已经开挖，堤岸、岸滩及河道内几乎无任何生物群落，河道生态系统单一。
图3 朱桥橡胶坝形成的回水区域
图4溢流坝
图5 溢流坝下游没有开挖的河道
图6 开挖的河道
在蒋集桥分洪涵闸与入湖口之间的区域，部分河道已经开挖，但是该区域内空心莲子草大量繁殖，对河道生态系统造成不良影响；南四湖水位的变化会对此区域内的水质起到稀释作用，并对此区域内的生态系统造成很大的影响；该区河道经过开挖生态系统遭到严重破坏，生物群落结构单一，有必要对此部分河道进行生态修复研究。
（二）研究现状
西方国家在经历了一百多年对于河流大规模开发利用的工程建设以后，从20世纪50年代起，西方国家把河流治理的重点放在污水处理和河流水质保护上。为恢复河流水质，政府投入了
巨额资金。通过加强管理，强化污水处理和控制排放，推行清洁生产。著名的工程案例是美国俄亥俄河、英国泰晤士河等的水质恢复工程。河流水质恢复的努力一直持续至今。
自20世纪80年代初期开始，河流保护的重点从认识上发生了重大转变，河流的管理从以改善水质为重点，拓展到河流生态系统的恢复，这是一种战略性的转变。人们认识到河流不仅是可供开发的资源，更是河流系统生命的载体；不仅要关注河流的资源功能，还要关注河流的生态功能。典型的案例是阿尔卑斯山区相关国家，诸如德国、瑞士、奥地利等国开展的“近自然河流治理”，20多年取得了斐然成效，积累了丰富经验。这些国家制定的河川治理方案，注重发挥河流生态系统的整体功能；注重河流在三维空间内植物分布、动物迁徙和生态过程中相互制约与相互影响的作用；注重河流作为生态景观和基因库的作用。河川的生态工程在德国称为“河川生态自然工程”，日本称为“近自然工事”或“多自然型建设工法”，美国称为“自然河道设计技术”。一些国家已经颁布了相关的技术规范和标准。同一时期，一些科学家和工程师对河流生态恢复工程开展了一些科学示范工程研究，较为著名的有英国的戈尔河(Gole)和思凯姆河(Skeme)等科学示范工程。
大型河流生态恢复工程大约始于20世纪80年代后期。具有典型性的项目是莱茵河的“鲑鱼-2000计划”和美国密苏里河的自然化工程。从恢复目标来看，大体是按照“自然化”的思路进
行规划设计。从20世纪90年代开始，欧盟已经把注意力集中在河流及流域的生态恢复上，《生命计划和框架计划Ⅳ．V》已经通过，其目的是增进人类活动对于生物多样性冲击的认识，恢复生物多样性的功能。从1993年开始，欧盟生命计划开始在丹麦和英国的主要河流上实施，主要是开展示范工程建设。
以流域为尺度的整体生态恢复，是20世纪90年代提出的命题。美国已经按照这种思路进行了部分河流恢复规划，未来20年美国将恢复60万km的河流或溪流。已经开展的大型河流按流域整体生态恢复工程的实例有上密西西比河、伊利诺伊河和凯斯密河。
我国河流保护工作总体处子水质改善阶段，河流水质恶化趋势未能有效遏制，全面进入河流生态恢复建设尚待时日。不过近年来，我国水利部门开始关注河流生态建设问题，提出了保持河流最低生态需水量的问题，开展了相关的科学研究和试点工作．同时，连续几年实施了塔里木河、黑河等调水行动，改善河流的水文条件，对于遏制这些河流生态系统退化发挥了明显作用．从2000年国家实施黑河水资源统一调度以来，连续4年完成了黑河分水任务，实现了国务院提出的居延海“碧波荡漾”的目标，对全流域的生态恢复起到了积极作用，下游的生态得到了明显改善，水鸟栖息，游鱼欢跃，“金秋胡杨”的盛景再次展现在世人面前。从2001年起，国家已投资上百亿元治理我国最长的内陆河—塔里木河的工程已经初见成效。这条下游断流已经
20年的河流，河道周边地下水位平均回升3.07m，枯死多年的胡杨树，又吐出了新绿。
但是河流生态建设问题，对于我国工程界毕竟还是一个新的技术领域，对于流域规模的生态建设的目标、重点、方法和关键技术，还缺乏整体的把握；河流与周围的动物、植物及微生物组成了生机盎然的河流生态系统，治理河流，不应孤立地处理河道里的水体，而要综合恢复整个河流的生态系统，促进其健康和具有可持续性。
目前国内外很多国家利用生态学理论，采用生态技术修复河道内受污染水体，恢复水体自净能力，具有工程造价少、能耗和运行成本低、净化效果显著等特点，积累了很多实践经验。
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。
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。在河流两岸各设臵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。生境修复技术涉及多个领域的技术，其中浅滩-深渊结构的再造有助于植被的良好发育和构建多样性的生物栖息地，还可营造天然的河流景观。目前，在德国、日本和我国的台湾等都有示范工程。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。
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。
多种河流生态修复技术是相互联系的，通过这些技术的综合应用，提高河岸的生态功能，提高水体自净能力，逐步恢复河流的原自然形态和功能。
二、研究目标、内容、方法与技术路线
（一）研究目标
受损河流修复的最终目标并不是简单的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。河流治理必须与所处“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。
本课题的目标是充分考虑河流地形地貌特征和污染特征，通过河流生态修复对河流污染负荷进行削减，最大限度的改善河流水质，使河流水质在进入湖滨带人工湿地前COD降到35 mg/L，氨氮、总磷等指标达到地表水Ⅴ类水的标准，并增强河流景观的美化功能。在此基础上逐步使河流生态部分地返回到生态系统受干扰前的结构和功能，建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统。
南四湖流域的53条河流水质情况是南四湖水质改善的关键要素，小沙河流域是南四湖入湖河流的典型区域，小沙河水质河道长度较短，吸纳大部分生活污水和城市污水处理厂出水，河道自净能力低下。在南四湖流域小沙河具有典型性和代表性，通过
河流及入湖口人工湿地的修复和研究，使小沙河入湖水质达到地表Ⅲ类水标准。
（二）研究内容
针对小沙河内，河水COD、氨氮浓度较高，河流的结构和功能受损，水体自净能力较差等问题，本项研究的内容主要集中于以下几个方面：
1、河流原位修复技术研究
河流原位修复分为两部分：第一部分是西支通过生物岛栅的建设，进一步改善污水处理厂出水，降低出水的COD、氮、磷等指标，并形成良好的河道景观，人工岛栅的设计不仅要求能在调水期间起到净化水质的作用，而且在非调水期间或者汛期能够能够拆除，不影响河流的正常泄洪；第二部分是小沙河东支的河道修复工程，通过河道平整及近自然水体自净河道的建设，研究水体自净规律、自净能力及影响因素，在满足水质达标的基础上实现东支截蓄污水的分期排放，并确定不同条件下的排放量。
1）西支河道内生物岛栅/悬浮生物床构建技术
小沙河西支主要吸纳薛城区污水处理厂的排水，该污水处理厂排放标准是一级A标准，COD低于50 mg/L，总氮低于15 mg/L，氨氮低于5 mg/L，总磷低于1 mg/L。
1995 年日本研究者在霞浦湖进行一次隔离水域试验,结果
表明:在生态浮岛占有率只有25 %的条件下,削减了94 %的植物性浮游生物;宋祥甫等于1999～2000 年在无锡东五里湖总面积为3600 m2的围隔试验区内开展浮岛净水研究,试验结束时旱伞草和美人蕉的生物量高达7156 kg/ m2和5122 kg/ m2 ,收割植物所带走的营养盐总量甚至超过了水体本底值。因此，这种技术对于水质净化、水体富营养化控制有非常重要的作用。
针对小沙河西支由于朱桥橡胶坝的截蓄作用，导致河流较深，区域内光照和溶解氧不足，植物和浮游生物生境恶劣、生长困难，水质净化效果差等问题，在河流深水区开发一体化生物岛栅和悬浮生物床技术，改善河流内生物的生境条件，提高生态系统的生物多样性和生产力，防止水体的富营养化，强化河流的水质净化功能。具体研究内容如下：
○1生物岛栅/悬浮生物床的研究
根据工程示范区的地形和水深，选择适宜的岛栅/悬浮床构架材料以及水下固定技术，设计合适的植物和悬浮微生物填料的荷载，为深水区植物、悬浮微生物的生长和繁殖创造必需的生境条件。
在进行设计和构建实施时, 需考虑以下5 方面的问题, 其集中点在于浮岛的结构问题。
稳定性: 为防止被风浪冲走, 或者单元与单元之间的碰撞, 浮岛应该具有足够的稳定性, 以保持其位臵和形状。
耐久性:尽量选择无污染、抗老化、耐腐蚀的材料, 否则不仅
管理困难, 更易造成浪费。
经济性: 在达到设计效果的同时, 设计要力求减少投资成本, 降低运行费用。
景观性: 不仅能形成优美的景观, 而且能使其与周围的景观相协调。
施工性: 便于运输, 易于拼接, 连接、移动和维护, 依据不同的工程规模要求, 可拼接成所需的大小和形状, 这也是一个很重要的方面。
另外, 还要注意维护工作, 如检查单元的稳定性、修复被破坏的部分、监测水质等。因此，在设计生物岛栅/悬浮生物床时必须选择合理的浮岛平台支撑材料、植物浮床悬浮材料等，以及充分考虑各材料的机械性能。在本方案中拟采用竹子、PVC管作为浮岛平台，两者具有成本低、耐水浸、不易腐烂等有点。植物浮床材料拟采用椰子纤维或树脂材料，这些物质做成的浮床既有利于植物根系的缠绕，又不不易散落、经久耐用、不会污染水体。工程设计示意图如下：