河海大学水利水电工程学院 南京 210098
摘要：文章对常见的水生态修复技术进行研究，根据本工程实际情况分析，推荐采用河道曝气和人工浮岛工艺，对两种工艺的实施进行详细分析，并提出合理的设计参数，供其他类似工程实践作为参考。
关键词：河道水生态； 水生态修复； 河道曝气； 人工浮岛
1.前言
一般而言，水生态修复包括三个方面的内容：环境（主要指栖息环境和生态景观）恢复、水质恢复和河流湖泊生态系统的结构功能恢复。常见的河道水生态修复措施包括生态护岸、植物缓冲带、人工湿地、水生植物重建等。在实际工程上各种技术的应用应结合河道现状，因地制宜采用一种或多种技术进行工程实施。
2.本工程河道现状分析
本工程河道周边建筑群十分拥挤，部分临河建筑区由于与周边道路地势低，生活污水无法接入市政管网，导致河道沿线生活污水溢流入河十分严重，河道上漂浮大量垃圾，河道散发异味，水体能见度低。河道岸边可以利用作为水生态修复的区域较少，现状如图1所示。结合现状条件，在河道中大量种植水生植物并不可行，因此本工程推荐的河道水生态修复技术采用河道曝气和人工浮岛工艺。
图1 河道现状
3.工艺介绍
3.1.河道曝气技术
河道曝气技术是根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气（或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质。该方法可以改善河道中底泥厌氧发酵污染，增强河道溶氧浓度，强化河道微生物活性，提高河道中好氧微生物的活动，达到水体自净能力提升的目的。
实践证明，在减少有机物排放的同时增加水体中的溶解氧为河道曝气，是解决河道污染的一个重要而且有效的方法。本工程中河道新采用太阳能河道曝气复氧系统，将光能转化为电能取代常规电网带动增氧气泵为河道曝气增氧，可以摆脱对电网的依赖，无需投加任何化学药剂，无二次污染，具有较好的移动性，能达到节能环保的目的。
曝气充氧需要结合水体水量和性质确定水体需氧量，需氧量取决于水体类型、水体水质指标及预期治理目标确定。而曝气设备的主要技术参数是动力效率，根据计算得到的氧转移率与设备的动力效率确定太阳能曝气设备的总功率和数量。曝气设备容量参照污水处理工程设计手册的相关内容进行计算。
3.2.人工浮岛技术
是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水域水面上，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观。它的主要机能可以归纳为四个方面：
（1）水质净化；
（2）创造生物(鸟类、鱼类)的生息空间；
（3）改善景观；
（4）消波效果对岸边构成保护作用。
该方法对水深较深，护岸缓冲带较窄的河道水生态修复效果较好。
人工浮岛是一种典型的生态处理手段，适用于水位较深，透明度较低的深水区域，在这种区域种植沉水和挺水植物的可能性不大，但是大面积湖面的自然裸露与其他的景观氛围相比显得单调乏味，这时候生态浮岛在打造所谓“水上花园”上具有独特的优势。植物选择上偏重于颜色和花季的搭配，以观叶草本植物、花色艳丽花期长的草本和色块类灌木为主。备选种类有：水芹菜、水蕹菜、黑麦草、红莲子草、花叶芦竹、紫叶美人蕉、石竹等。这些植物同时也具有非常强的污染物吸附和去除能力，通过植物根系吸附、根系附着微生物降解、植物收割后移除等方式达到去除水中富营养污染物的效果。
此外，浮岛下还可悬挂生物载体填料，填料所特有的多孔结构具有较大的比表面积，微生物、细菌、藻类、原生动物及轮虫类、贫毛类等以生物膜的状态固着在填料上，同时又有部分絮体或碎裂生物膜悬浮于处理水中。最初，稀疏的细菌附着在填料表面，随着细菌的繁殖逐渐形成很薄的生物膜。在溶解氧和食料（有机物）都充足的条件下，微生物的繁殖十分迅速，生物膜逐渐加厚。生物膜的厚度通常为1.5～2.0mm，其中外表面到1.5mm深处为好气菌，1.5mm深处到内表面与填料壁相接的部分为弱厌气菌。废水中的溶解氧和有机物扩散到生物膜内为好气菌利用。但是当生物膜长到一定厚度时，溶解氧无法向生物膜内扩散，好气菌死亡，融化，而内层的厌气菌得以繁殖发展。经过一段时间后，厌气菌的数量已开始下降，加之代谢气体的逸出，使内层生物膜出现许多空隙，附着力减弱，终于大块脱落，在脱落的填料表面上又会重新生长出新的生物膜。在此过程中水中的有机物不断被代谢掉，污水得以净化。
生物填料按形状分类有蜂窝状、束状、波纹板状、圆环辐射状、不规则颗粒状等；按性状分有硬性、软性、半软性；按材质分有天然材料与人工合成材料（如矿石、塑料、玻璃钢、纤维等）。填料的选择一般从生物膜的附着性、水力学特性、经济性等三个方面考虑。
生态浮岛的大小一般来说边长1～5m不等，考虑到搬运性、施工性和耐久性，边长2～3m的比较多。形状上四边形的居多，也有三角形、六角形或各种不同形状组合起来的。以往施工时单元之间不留间隙，现在趋向各单元之间留一定的间隔，相互间用绳索连接。这样做可以：（1）可防止由波浪引起的撞击破坏；（2）可为大面积的景观构造降低造价；（3）单元和单元之间会长出浮叶植物、沉水植物，丝状藻类等也生长茂盛，成为鱼类良好的产卵场所、生物的移动路径；（4）有水质净化作用。
生态浮岛的水下固定设计是一个较为重要的设计内容，既要保证浮岛不被风浪带走，还要保证在水位剧烈变动的情况下，能够缓冲浮岛和浮岛之间的相互碰撞。以前日本在研究海洋的浮防波堤的时候，曾对水下固定部分的安全性提出过怀疑。水下固定形式要视地基状况而定，常用的有重量式、锚固式、杭式等。另外，为了缓解因水位变动引起的浮岛间的相互碰撞，一般在浮岛本体和水下固定端之间设置一个小型的浮子的做法比较多。人工浮岛的设计示意如图2所示。
图2 生态浮岛示意图
4.工程设计
4.1.曝气充氧
本工程河道采用曝气充氧设备的数量根据河道污染程度确定。本方案规划在设计河道中安装5套曝气充氧设备，由专业厂家供货并负责安装和调试。依次放置在河道每隔200m的范围，可以人为地将河道溶氧量提高到4～6mg/L。曝气设备可采用太阳能作为能源，驱动曝气机，有效的节省能源，减少供电设施的投入。
曝气设备选型推荐采用太阳能表面曝气机，该设备依靠太阳能驱动位于河道水体上层的空气释放器，给水体曝气，使水体与空气充分接触，形成汽水混合体，其密度远低于周围水体，形成密度差，下层水体挤压汽水混合体至水体表面，周围水体源源不断的进入低密度的空气释放器处，形成垂直环流，达到充氧和混合的要求。
4.2.人工浮岛
本方案拟在河道沿线近岸处布设人工浮岛，通过浮岛的形式丰富水体生态景观。选用的人工浮岛由一块一块的1m*1m的薄膜塑料块组装而成，然后拼装成宽为2m的浮岛组合沿着河道布设。浮岛组合外围用塑料管固定，以避免浮岛位移导致破裂，浮岛采用麻绳拴在河道边的桩上，靠近河中心的浮岛采用配重块拉在河底固定。浮岛造型随河道样式人为设计，整体上为沿着河道分布的长条形。浮岛每隔20m预留宽为5m的通道，以方便检修和船只通行。
整个河道总长1000m，需要建设人工浮岛宽度2m，预留部分通道和桥涵通道。故设计浮岛面积计算约为1000平方米。人工浮岛施工之前需要先对河道进行清淤和护岸整治，然后在具备生态修复的条件下进行人工浮岛建设。
人工浮岛设计基本要求如下：
（1）人工浮岛单个的小单元长1m、宽1m，材质为泡沫，厚80mm，颜色推荐墨绿色。浮岛块由多个小单元拼装成不同规格和形状。
（2）人工浮岛单元分布有若干植物种植孔，植物种植孔上部尺寸为φ80mm、下部尺寸为60mm。
（3）每块人工浮岛由若干浮岛单元拼接而成，设计沿河方向浮岛宽度2m。
（4）每块人工浮岛外围DN50框架管连接。
（5）浮岛修复区下方可选择性悬挂条状生物填料，以增加浮岛处理效果。
（6）水生植物外围DN110墨绿色塑料管，并通过木桩固定。
（7）人工浮岛通过钉子或预制砼压重块固定在池底，或通过绳子牵引在岸边。或者在浮岛周边设置木桩栓住浮岛块。
本方案人工浮岛设计如图3所示。
图3 人工浮岛设计剖面图
5.结语
本工程根据河道实际情况，采用人工曝气和人工浮岛技术相结合，既做到选用技术的适用性及成熟性，又兼顾低运行管理成本和容易维护。当然，本工程的生态修复工程作为河道整治工程的一部分，还需配套其他工程措施，如污水截流与收集处理工程、护岸整治工程、面源污染控制工程、清淤及淤泥处理工程、河道引水工程、监测管理等，最终实现河道整治和生态修复的目标。
通过对河道生态系统保护和控制，能逐步恢复水体活性，提高环境容量，提高水体生态承载力，进而提高城市生态承载力，对生态系统的稳定和良性循环有明显的作用，可以取得显著的生态效益，从而保障城市可持续发展。
参考文献
无
论文作者:周殊凡
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/20
标签：河道论文; 水体论文; 曝气论文; 工程论文; 生物论文; 填料论文; 植物论文; 《基层建设》2017年第32期论文;