安徽合肥四里河生态修复策略研究

王艳春Wang Yanchun   2018-08-19 10:02:34

摘要:四里河是位于安徽省合肥市庐阳区的一条防汛河道,全长约5.45km。2 000多年来,四里河与南淝河一起见证了合肥古城的兴衰更迭,然而近年来,四里河逐渐出现了水体污染严重、生态系统退化、水陆过渡带消亡等问题。从生态视角出发,运用目标分析法,从河流水质水文整治、多样性地貌恢复以及乡土生物恢复3个方向展开,采用橡胶坝控制水系源头、绞吸船机械清淤和富氧浮选提高河水活性等方式,改善水体质量;通过改建驳岸形式、增建湿地公园和种植水生植物带等工程技术措施,恢复堤岸过渡带,修复湿地地形地貌,恢复乡土生物种群,以期为城市河流的生态修复工程提供参考和借鉴。

关键词:风景园林;生态修复;监测数据;水文恢复;地形地貌;生物恢复;合肥四里河

文章编号:1000-6664(2018)07-0086-05

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2017-06-26

修回日期:2017-09-13

Abstract: Sili River, a flood-discharging waterway, is located in Luyang District, Hefei, Anhui Province, with 5.45 mile length. Sili River and Nanfei River witness the rise and decline of this ancient city for two thousand years silently. However, Sili River is getting polluted seriously, with ecological degeneration, landwater transition zone disappearance and other realistic problems in recent years. This research is based on the ecological view, by using the method of objective analysis, and studies from three aspects: hydrological recovery, geomorphic landscape diversity restoration, landscape promotion and habitat restoration. Setting rubber dam to control the source of river system, dredging by cutter suction dredger mechanically and adopting oxygen-rich floatation method are to enhance the water activity. Recovering the land-water transition zone, restoring topography of wetland and local biological population are achieved by the method of revetments transforming, wetland rebuilding and aquatic vegetation planting. The study can provide reference for ecological restoration projects of urban rivers.

Key words: landscape architecture; ecological restoration; monitoring data; hydrological recovery; morphological landscape; biological recovery; Sili River in Hefei

1 河道生态修复概述

河流穿越我们的土地,是我们生活、生产的主要依赖。在《诗经》的《关雎》《黍苗》等篇章的描述中,河流是“河水清且涟猗”“原隰既平,泉流既清”的。

然而现代河流由于受到人类生产和生活的频繁扰动,存在着诸如河流水体污染、生态系统退化、生态系统破碎,以及过渡带逐渐消失等问题。西方国家在经历对河流大规模开发利用的工程建设之后,从20世纪50年代开始,逐渐把重点从河流的开发利用转向对河流的保护修复上,将河流作为生态系统中重要的一环展开研究[1]。学术界对于河流生态修复的定义表述不尽相同,如2003年,美国土木工程师协会(ASCE)认为:河流恢复是一种环境保护行动,其目的是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[2]。

综合学术界的观点,笔者认为:河流生态修复是指在遵循自然规律的前提下,为了满足河流生态需求,采用多种工程及生物辅助措施,循环利用资源,达到恢复、改善和促进河流生态系统稳定性和多样性的目的。

日本和西方一些发达国家在河流生态修复上起步较早,致力于修复和消除人类活动对河流生态系统产生的不利影响。国际上河流生态修复大致分为3个阶段:第一阶段(20世纪50年代),关注河流水质恢复;第二阶段(80年代初),关注中小型河流的生态恢复;第三阶段(90年代),关注大尺度河流生态整体恢复,并取得了相应成效[2]。成功的河流生态修复案例有:德国索姆河道生态综合性修复工程、德国莱茵河修复计划、美国丹佛樱桃溪生态廊道项目,以及韩国清溪川复原和再发展项目等。总体而言,国际上河流生态修复有三大类任务:改善水质水文、改善河流地貌特征和恢复生物物种;8种方式:缓冲带恢复、植被重建、马蹄形湿地修复、边坡控制、弯曲河谷重塑、浅滩和深塘修复、水陆交界带修复,以及河塘修复[3]。这些修复成果的核心是:控源、截污、清淤、增容、拓岸、筑绿、造景、营栖,为人们提供良好的生态环境,确保经济可持续发展。

随着我国人口的快速增长和经济社会的高速发展,生态系统尤其是水生态系统所承受的压力越来越大,出现了水源枯竭、水体污染和富营养化等问题。河道断流、湿地萎缩消亡、地下水超采、绿洲退化等问题[4]主要表现为:城市河流开发过度,城市对饮用水、工业用水、绿化用水、景观用水等的需求挤占了城市河流自身生态恢复需水,造成水源枯竭、湿地萎缩消亡等现象;城市河流受到严重污染,成为生活污水、工业废水和农灌污水等的主要纳污载体,导致城市河流自净能力降低,水质不断恶化和富营养化,鱼类和微生物大量死亡,生物种数急剧下降。

中国从20世纪90年代起开始对城市河流的近自然化治理和生态修复进行广泛探索[5]。在随后的20多年中,国内研究主要集中在河流生态修复理念、修复方法与评价,以及河流水质净化等方面,相关实践工程有:上海梦清园水系生物净化、浙江海宁河道生态整治、重庆苦溪河生态治理,以及上海世博园后滩湿地生态修复等[6]。其中,上海梦清园和世博园后滩湿地采取生物方式修复和净化水体[7];浙江海宁河道和重庆苦溪河则采取了丰富断面形式、营造水域栖息地和岸坡防护等措施。这些项目的实施有效改善了水质,修复了生态栖息地。

国内外河流生态修复案例研究表明:河流生态修复的重点是要解决3个方面的问题:“一是水质条件、水文条件的改造;二是河流地貌特征的改善;三是生物物种的恢复[4]”。当然,国内河道生态修复方面的研究还处于初级阶段,除理论研究外,工程技术方面主要围绕护岸改造技术和生物修复技术开展。因此,从宏观视角来看,全方位、多层次、多学科的共同协作是河流修复研究发展的重要方向。

2 合肥四里河项目概况及问题

2.1 四里河概况及存在的问题

四里河位于安徽省合肥市庐阳区,又名三岔河。其发源于长丰县土山乡青峰岭,南流至大杨店乡赵山村进入合肥郊区,最后注入南淝河,全长约5.45km,常水位时河道平均宽度约为25m,生态修复及景观提升工程规划设计范围约87万m2(图1)。自20世纪90年代起,由于城市建设的发展,四里河在见证了合肥古城兴衰更迭的同时,也变成了一条水体污染严重,独立于城市生活之外的密闭廊道。

为了切实解决和修复四里河的生态问题,本研究选取四里河具有代表性的3个采样点对河底底泥进行监测,主要测试指标包括pH值、汞、铅、铬、砷、铜、镍、锌、总氮和总磷。参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)进行评价,评价结果详见表1、2。

监测报告表明,四里河水体污染情况如下:1)河道水环境质量较差,属于地表水V~劣V类,3号区域水质最差;2)底泥中的各项重金属污染物含量不高,但河道水体中总氮和总磷严重超标,即有机物和氮污染严重;3)河道水体营养水平处于轻度至中度富营养化,存在爆发蓝绿藻的隐患。

图1 区位图

图2 原状照片(潘怡宁摄)2.2 问题分析

通过监测数据、现场踏勘及社会调查,分析四里河水系存在的主要问题及成因如下。

1)污水纳管建设滞后,污染直排。

河道周边不少区域生产生活污水未纳管处理,部分污水处理系统破损废弃,产生的污水直接汇入河道。

2)水生态结构紊乱,富营养化。

四里河整体生态结构紊乱,水系自净能力弱,水质恶化,浮叶类植物缺失,有机物、总氮超标严重,造成水体营养状况呈现轻度至中度富营养化水平,有爆发蓝绿藻的隐患(图2)。

3)水陆过渡带消亡,设施陈旧。

在城市开发建设进程中,硬质驳岸代替了自然生态水系驳岸,虽然解决了防洪问题,但也造成水陆过渡带消失,影响了生态环境。在四里河与南淝河相连处,原有的拦水坝工程及其他相关设施建设年代较早,现已破损锈蚀,需要频繁维修。

3 解决策略

四里河生态问题是我国城市河流存在的典型问题。本研究的目标是从河流水质水文整治、多样性地貌恢复和乡土生物恢复三大方向立体、多层次地展开研究,寻求恢复四里河“源清流洁,本盛木荣”的生态系统措施,为同类型城市河流生态修复提供数据参考和经验启发。

3.1 研究方法及解决策略

四里河生态修复技术方法及措施主要包括河流水质水文整治、多样性地貌恢复,以及乡土生物恢复3个方向。其中,河流水质水文整治方向包含改善水体质量措施;多样性地貌恢复方向包含恢复堤岸过渡带、修复湿地地形地貌2项技术措施;乡土生物恢复方向包含恢复乡土植物种群的技术措施。

3.1.1 改善水体质量措施

改善水体质量措施包含2个技术点:一是从源头控制水质;二是对水质进行净化。

1)源头控制。

河道底泥监测表明,四里河受到的污染主要源于周边未经处理的生活污水和淝南河不良水质的交换。因此,生态修复的首要任务是进行水质净化工程,以物理干预方式,会同相关部门协调整治周边污水排放管网系统,要求未经处理或处理不达标的污水不得排入河道。

图3 拦水坝分布图

图4 浮选系统图

5-1

5-2图5 生态护岸剖面图拦水坝按形式可分为土石坝、重力坝、拱坝、支墩坝和橡胶坝等。考虑到丰水期和枯水期地表降水会使整个城市水网的水位变化明显,因此,四里河需要设置专门的橡胶坝代替原有拦水坝(图3),达到与其他城市河道隔离,旱季拦蓄水体,隔离污水交换,汛期打开堤坝,防汛行洪的作用。

2)净化措施。

四里河河道水系流速缓慢,长年积累造成淤泥层较厚,藻类大量繁殖,水质恶化。针对淤积问题,在测算出四里河总清淤量约为13.597万m2的基础上,本研究采用移动式脱水站进行机械清淤。由绞吸船吸入的底泥,经管道压入岸上移动式脱水站的污泥脱水设备中,分离砂石、垃圾及淤泥。针对四里河藻类蔓生的问题,采用富氧浮选系统,分别在上游、中游和下游定点设置充氧循环浮船和增氧机,通过内循环水泵带动四里河内部循环,提高河水活性,打破静态水体的垂直分层现象,抑制蓝绿藻生长(图4)。

3.1.2 恢复堤岸过渡带措施

虽然在物理干预下,四里河水质总氮、总磷含量迅速降低,减少了淤泥层,控制了水质,但由于行洪及航道要求,四里河的原状驳岸多为直线化、硬化处理,由此造成水陆交错过渡区域生态结构紊乱和过渡带消亡,使植物生存条件降低,鱼类生存和产卵的场所受到破坏。恢复河岸自然的植被缓冲带、构建生态河堤、恢复河道的自然形状和自然的河床物质组成可以恢复河流生态系统的活力和生态服务功能[8]。为此,需要人工修复和改善较陡处的直立式硬质驳岸,在驳岸外侧增加水生植物植栽带,形成水陆交错的植物带(图5-1)。具体措施为拆除硬质护岸,改为自然缓坡驳岸,增加水与土壤、空气的接触面,利于物质交换,通过植物完成水体净化,为微生物和鱼类提供生存空间(图5-2)。新增加的水陆交错带营造出植物层次丰富的景观效果,同时为人们提供亲水活动平台。

图6 河洲湿地科普园剖面图

图7 修复后现状(王艳春摄)

3.1.3 修复湿地地形地貌措施

为了修复四里河多样性地貌景观,确保河流水质得到长期、稳定控制,因此在河道上游和中游水面开阔区域修复和重建湿地。其中,上游保留原有湿地,改建为净化湿地生活园;中游根据河道改道情况,增设河洲湿地科普园。湿地的恢复既可增加河流的蜿蜒性,又可丰富四里河地貌,使河道具有曲水之美。

1)净化湿地生活园。

保留和适当重建基地最北端的湿地,使之成为净化湿地生活园。园内由多个小的湿地水塘组成,在现有湿地植物基础上增加水生植物种类,改善水生植物的搭配方式和群落关系,在上游形成多样的地形地貌,净化水质。

2)河洲湿地科普园。

在四里河中游地带,由于河流改道,形成多个生态湿地小岛,由此构成花园、荷塘、绿岛等景观,同时在湿地中适当增加木栈道,使市民可以在湿地中自由穿行,在欣赏湿地之美的同时,科普湿生植物知识,观赏鸟类活动(图6)。

3.1.4 恢复乡土植物种群措施

水生植物种群修复对日常河道水质净化作用明显,实验表明,水生植物中的芦苇、香蒲、美人蕉、风车草、花叶芦竹等在污水中均能正常生长发育,对于去除氮、磷,控制蓝藻大面积爆发作用明显[9]。如美国NASA在密西西比州建立的人工湿地处理系统,在滤床上种植芦苇、香蒲等植物能在12~14h将生活废水中的生化需氧量(BOD5)浓度从110ml降低到102ml,并能快速去除苯、甲苯[10];中国科学院武汉水生生物研究所建立的人工湿地系统,采用茭白-石菖蒲系统,苦草-苔草组合,对城镇生活污水中总磷、无机磷的去除率在冬季可达40%以上,夏季60%以上,出水达到国家地面水3级标准[11];云南滇池种植美人蕉去除的总氮、总磷含量,分别达到70.60%和88.27%[12]。

因此,在四里河上游净化湿地生活园和中游河洲湿地科普园形成的复杂地貌的基础上,建立各种生物滤池和植物净化水系统模块,种植经过实验验证的千屈菜等7种净化功效不同的植物,达到降低河道水体中氮、磷含量的作用。而水生植物也为微生物及鱼类提供了良好的生境,确保四里河生态系统不再需要人工措施,靠自身就能完成日常自我循环净化的运转(表3)。同时,水生植物群落和重新繁殖的鱼类又成为自然生态景观中的一环,为人们提供观赏动植物形态,观察叶色、花色变化和体验生态水环境的场所。

在众多措施的联合干预下,四里河河水恢复清澈。经监测,河水中各类污染元素含量均有所下降,总氮、总磷含量降为0,河水无黑臭现象,达到IV类水标准(表2)。四里河重现了其原有的自然风貌,成为合肥市滨水生态公园(图7)。

4 结语

“源清流洁,本盛木荣”,河道生态系统是完整的生态系统,是水-土-生物之间物质、信息和能量合理交换、循环的结果。通过四里河生态修复案例研究,我们认识到河流生态系统的修复和保护不应以短期治理为终点,而应以“先治污,后生态”的长期治理和控制为目标,综合运用多种技术措施,从立体、多层次的角度建立健康的河道生态系统。

本文只是根据四里河存在的问题,选取改善水体质量、恢复堤岸过渡带、修复湿地地形地貌,以及恢复乡土植物种群4项技术措施进行了研究。对于重塑弯曲河谷,修复浅滩、深塘、河塘和生物系统等更宏观、更大规模的河道修复技术措施仍有待进一步深入研究。

注:文中图片除注明外,均引自四里河生态修复工程及景观提升工程设计方案。

参考文献:

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[12] 高天霞,李毅,郭婷,等.人工湿地系统改善滇池入湖水水质[J].净水技术,2011,30(2):28-32.

(编辑/刘欣雅 马琳)

作者简介:

王艳春

1975年生/女/江苏南京人/上海市园林工程有限公司副总工程师/研究方向为风景园林规划与设计(上海 200071)

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