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【關鍵詞】水體污染生物修復生態塘人工濕地
水是生態環境中最活躍、最重要的因素,構成生態循環的基礎。人類生活生產活動改變了天然水體的物理、化學或生物學的組成性質,其直接結果是造成水體污染和淡水資源短缺。污水也將成為淡水資源之一通過生物修復技術使污水得以有效凈化并最終成為一種十分重要的再生資源。
1水體污染的概念和類型
1.1 水體污染的概念
水體污染是指某種物質進入水體,而導致水體的化學、物理、生物或者放射性等方面特性的改變,從而影響水體的有效利用,危害人體健康破壞生態環境,造成水質惡化的現象。水環境中的污染物常見的有四種,持久性污染物、非持久性污染物、酸和堿、熱。
1.2 水體污染的類型
水中的污染物種類大致分為固體污染物、需氧污染物、營養性污染物、酸堿污染物、有毒污染物、油類污染物、生物污染物、感官性污染物、熱污染等。
2生物修復技術在水體污染方向應用
生物修復又稱生物改良,是它利用生物對環境污染物的吸收、代謝及降解等功能,對環境中污染物的降解起催化作用,加速去除環境中的污染物。這項技術正被用于清除土壤、地下水、廢水、污泥、工業塑料和氣體中的污染物。生物修復與傳統的物理化學方法相比,具有經濟;環保;修復時間短;操作方便等方面的特點。
3.水體修復的主要處理方法
水體修復技術包括以微生物為處理功能核心的生物處理技術、具有復合生態系統的生態塘處理技術、以植物和微生物為主要處理功能體的濕地處理技術、土壤處理技術和河湖等自然凈化能力的處理等。
3.1生物處理技術
生物處理技術包括好氧處理、厭氧處理、厭氧—好氧組合處理。其主要原理是人工馴化、培養適合于降解某種污染物的微生物,通過控制室和微生物生長的環境以穩定和加速污染物的降解。生物處理技術起步較早,現在已有很多成熟的工藝,比如SBR、氧化溝等。
3.2生態塘處理法
生態塘是以太陽能為初始能源,通過在塘中種植水生作物,進行水產和水禽養殖,形成人工生態系統。在太陽能的推動下,通過生態塘中多條食物鏈的物質遷移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化,將進入塘中污水中的有機污染物進行降解和轉化。最后不僅去除了污染物,而且以水生作物、水產的形式作為資源回收,實現了污水處理資源化。
人工生態系統利用種植水生植物、養魚等形成多條食物鏈。其中不僅有分解者生物、生產者生物,還有消費者生物,三者分工協作,構成縱橫交錯的食物網生態系統。若在各營養級之間保持適宜的數量比和能量比,就可建立良好的生態平衡系統。污水進入這種生態塘中,其中的有機污染物不僅被細菌和真菌降解凈化,而其降解的最終產物,一些無機化合物作為碳源、氮源和磷源,實現并從低營養級到高營養級逐級遷移轉化,最后轉變成水生作物,從而獲得可觀的經濟效益。
3.3人工濕地處理技術
人工濕地是近年來迅速發展的水體生物—生態修復技術,可處理多種工業廢水。人工濕地的原理是利用自然生態系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對污水的凈化。這種濕地系統是在一定長寬比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如卵石等)混合組成填料床,污染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動,或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物(如蘆葦等),形成一個獨特的動植物生態環境,對污染水進行處理!
人工濕地的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用,可以很快地被截留進而被微生物利用;廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。
由于這種處理系統的出水質量好,經濟而美觀。英、美、日、韓等國都已建成一批規模不等的人工濕地。
4 總結
目前國內外有很多水體修復的成功工程。例如日本渡良瀨蓄水池的人工濕地,運用生物技術達到對水體進行自然凈化的目的,是世界最大人工濕地。再如李正魁研究了固定化氮循環細菌技術(INCB)在貴陽紅楓湖物理生態工程(PEEN)實驗區的除氮、抑菌效果,結果表明,應用PEEN—INCB技術應用于紅楓湖試驗區總紅楓湖的非離子氨均
參考文獻
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【關鍵詞】景觀水;富營養;技術;生態治理
1.景觀水體的現狀
隨著社會的快速發展,人們對居住質量和居住環境的要求也越來越高,對城市生活區內的景觀水面、河道的清潔提出了更高的要求。但由于城市河湖等景觀水體多為靜止或流動性很差的封閉緩流水體,水域面積小、水生態系統簡單、水環境容量小、自凈能力差,加上外來物質的污染,極易造成水體出現不同程度的富營養化問題。水體富營養化不僅使水體喪失觀賞功能,對周圍環境造成污染,而且暴發的藍綠藻會釋放藻毒素,影響居民的身體健康。因此,對景觀水體采取一定的治理維護措施來保證優美良好的水體環境,成為了社會發展的必然方向。
2.景觀水體富營養化生態治理措施
2.1曝氣增氧技術
2.1.1工藝原理
溶解氧的含量是反映水體污染狀態的一個重要指標,水體的自凈能力受水中溶解氧濃度的影響。當水體中污染物濃度較高,耗氧過度時,單靠自然的大氣復氧和水生植物光合作用復氧不再能滿足水體耗氧。這時可用人工曝氣增氧技術增氧,提高水體溶解氧含量、強化水體對有機污染物的好氧分解,減少水中污染物濃度,為水體中水生動植物的生長提供好的生長環境,給好氧微生物的大量繁衍提供氧源。使水體恢復潔凈好氧水生生態系統,強化其自凈功能。同時,曝氣產生的氣流帶動水體的紊動,使形成的藻類不易集聚,從而防止水華的大面積暴發。
2.1.2曝氣的類型
目前曝氣的種類較多,有跌水曝氣、提水曝氣、推流曝氣、微孔曝氣、水車式曝氣、倒傘曝氣、轉盤/轉刷曝氣、空氣揚水筒等。
2.2生態浮床控藻技術
2.2.1生態浮床工藝原理
生態浮床技術是按照自然界自身規律,人工把高等水生植物或改良的陸生植物種植到污染水域水面上,通過浮床基質、浮床植物的過濾吸收、吸附作用、生物降解等作用去除污染物,達到凈化水質、抑制水體中藻類的生長、防止水體富營養化、提高水體自凈能力的目的,并起到美化景觀的作用。其控藻、凈化機理表現在兩大方面。
首先,發達的植物根系可吸附大量懸浮物,并逐漸在植物根系表面形成一種生物膜,通過生物膜中微生物,吞噬和降解水中的污染物,使其變為簡單的營養物質提供給水生植物,人們通過收割浮床上的植物和捕獲魚蝦,減少水中營養物質。
其次,生態浮床通過遮擋陽光抑制藻類進行光合作用,減少浮游植物生長量,這樣可有效防止"水華"發生,提高水的透明度。在浮床的凈化過程中,藻類的附著、沉降以及浮床的遮光作用有時比植物本身的吸收凈化作用更為顯著。
2.2.2生態浮床功能效果
生態浮床處理工藝主要有以下4個功能:
(1)水質凈化功能:通過基質和植物吸收水體營養鹽、生物脫氮。
(2)生態功能:抑制“藻華”,提供水生動物、鳥類、昆蟲的棲息場所。
(3)景觀功能:陸生和濕生景觀作物。
(4)消浪功能:對湖岸和河岸的侵蝕起保護作用。
2.3生態填料技術
生態填料具有很高的生物附著表面積,除了能起到較強的吸附作用,還能為水中微生物和有益藻類等的生長、繁殖提供巨大的生物附著表面,使大量微生物在材料表面能迅速附著并形成生物膜,以有機污染物為能量來源,通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。在生態填料上,已發現的物種數量多達3000~5000種,有細菌類就藻類和真菌類等。這是其它載體所無法實現的。
利用生態填料一方面可以充分利用微生物群落吸收和降解水體和底泥中的營養物質;另一方面填料可以為水生生物營造棲息環境,從而恢復或建立健康的生態水環境。
生態填料的制造使用百分百的生物惰性材質,在水中不會分解,不會產生二次污染。另外生態填料治理維護系統所需的工程投資低,運行費用為零,實施極其簡單。
2.4底泥疏浚與資源化利用技術
2.4.1底泥疏浚
底泥中含有大量微生物、底棲動物、藻類和水生植物等,在好氧狀態下,這些生物能利用吸收水體中的營養鹽,對有機物進行降解。但在富營養化的水體中,底泥中往往富含過量的營養鹽,這些營養鹽會重新釋放到水體中,造成二次污染。因此,在嚴重富營養化的水體中,就需要進行底泥疏浚消除內源污染。利用專用的底泥疏浚設備清除腐敗的底泥,可以疏通河道,降低底泥污染,增大水體透明度,為水生生態系統的恢復創造條件。
2.4.2污染底泥資源化利用
采用快速干燥措施處理疏挖底泥。快速干燥,干化后的底泥,可結合湖岸景觀綠地建設,用作景觀綠化用土、生產肥料、制作建筑材料等。
2.5水下生態修復技術
水下生態修復技術是基于水生態系統構建的綜合技術,通過對水體生態鏈的調控,實現水下生態系統中生產者(水生植被)、消費者(水生動物)、分解者(有益微生物菌群)三者的有機統一,構建水域生態系統實現水域的自凈。
采用水下生態修復工藝對沉水植被、挺水植被和浮葉植被進行合理分布,對水生動物進行放養,適時適量投放有益微生物,可改善水生物種群結構,促進生物的多樣化,不僅能恢復穩定的水生態系統,有效治理水體富營養化,為水生動植物提供賴以生存的自然生態環境,而且能給人們打造水清、水美的優美生態水景,使水體充分發揮其生態效益和社會效益。
3.總結
目前景觀水體富營養化問題已經成為人們必須解決的一個難題。利用單一的物理、化學方法,如機械過濾、化學潑灑藥劑等方法很難從根本上解決景觀水體的富營養化問題。景觀水體的富營養化治理,需要從生態的角度去考慮,利用各種技術措施,增加水體中的溶氧、增加水體中水生動植物、有益微生物等種群,構建完整的水生態系統。利用水生態系統的自凈能力,從根本上解決水體富營養化問題的發生。 [科]
【參考文獻】
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[2]王治國.關于生態修復若干概念與問題的討論(續).中國水土保持,2003,11:20~21.
關鍵詞:水生蔬菜;治理;水體污染
中圖分類號:X52
文獻標識碼:C
文章編號:1005-569X(2010)06-0091-03
1 引言
水是生命之源,目前我國大多數水體受到了嚴重污染,其污染主要是由于富營養化、重金屬含量超標及農藥殘留含量超標等。據報道,我國富營養化和超富營養化湖泊占總量的66%和22%[1] 。我國污染水域主要以有機污染為主,90%以上是因水體中N、P過高引起的[2]。
對受到污染的水體進行修復難度大且成本高,我國投入了910億元治理“三江三河”,但成效不大,就是一個很好的例證。
利用植物治理或修復富營養化水體方面的工作已開展多年,治污效果較為明顯,但由于許多水生植物不能產生直接的經濟效益、易產生二次污染以及管理維護難等原因而未形成一套完整的集成技術,難以實現可持續發展和直接推廣應用。
大江大河水體的污染是由于其支流的污染物流入后引起的,如果消除了支流的污染物,使其流入大江大河的水是潔凈的,可從源頭上控制大江大河水體的污染。控制支流的污染物必需有農民的參與才能實現可持續發展。而農民也只有在其中取得經濟效益才會參與到這項工作中來。種植水生蔬菜既讓農民受益,又能消除了支流的污染物,是一舉兩得的事。
我國水生蔬菜包括蓮藕、菱白、慈姑、水芹、菱角、荸薺、芡實、蒲菜、莼菜、豆瓣菜、水芋和水蕹菜,共計12個種類,除豆瓣菜起源于歐洲地中海沿岸外,都屬于我國原產,是我國的特色蔬菜[3]。1973年,在浙江省余姚縣發現的“河姆渡文化遺址” 中發現了蓮、菱、香蒲等水生植物的花粉化石,經測定,距今已有7000年的歷史。在古代民間食用蔬菜種類中就有了蓮、莼菜、芋、香蒲、荸薺、香菱等的記載。
科學研究表明,水生蔬菜具有營養豐富、美味可口、美容養顏、防病治病、強身健體、美化環境、排污能力強等特點,深受廣大消費者喜愛。我國水生蔬菜已有2500多年的栽培歷史。據調查統計,我國的水生蔬菜種植面積已超過1000萬畝,產值超過300億元,是世界上水生蔬菜種植面積和產量最大的地區。水生蔬菜也是我國出口創匯具有競爭優勢的農產品之一,需要得到高度重視和更大的發展。
2 利用水生蔬菜治理水體污染的案例分析
(1)文輝等在富營養化水體中,利用人工基質無土栽培水生經濟植物凈化水質。結果表明:在5月~10月間,水蕹菜對TN、TP的去除率分別為81.32 %和71.34%;在11月~3月間,水芹菜對TN、TP的去除率分別為82 .77%和94 .77%。經重金屬檢測分析,水蕹菜和水芹菜莖葉部分的Cu、Cd、Pb和Zn含量均處于可食用范圍內。結合現場試驗結果,輪種上述兩種經濟植物,具有顯著的環境效益和經濟效益[4]。
(2)王旭明研究表明,水蕹菜對污水中的N、P、COD均有明顯的去除效果,分別87.36%,76.4%,50.6%。水蕹菜生長迅速,產量高,一般在7.5萬kg/hm2左右,經濟效益可觀[5]。
(3)余俊任等以鳳眼蓮、水蕹菜和生菜作為供試植物對經過稀釋后的厭氧發酵水做后續處理,考察3種植物對污水的耐污性及凈化能力。試驗表明:在170~230mg/L梯度下3種植物均表現出了良好的生長能力及高降解率。水蕹菜對污水總磷降解率達91%,對污水氨氮降解率達98%;生菜對污水CODcr降解率達到64%。在400~450mg/L梯度下,鳳眼蓮逐步枯萎直至死亡,而水蕹菜及生菜生長良好,表現出了較強的耐污能力。水蕹菜對污水總磷降解率達95%,對污水氨氮降解率達99%;生菜對污水CODcr降解率達到80%[6]。
(4)王其超研究表明,在低濃度或高濃度的SO2污染環境中,蓮藕的生長發育無影響[7]。
(5)皮宇等研究發現,水芹在10℃左右時對含銀廢水具有良好的凈化效能;水芹對離子態銀的凈化富集能力大于對絡合銀的凈化富集能力[8]。同時探索了冬季低溫凈化水體。
(6)孫湘寧等通過對有明顯污染地區的蓮藕進行多次分析表明,對所測定的六種金屬元素Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd,都能被蓮藕吸收和富集,富集的規律是藕節大于節間。在有明顯污染區域,藕節和藕間對Pb的富集分別達到104%、85%,對Cd的富集分別達到460.8%,-23%。蓮藕具有一定的耐污染和抗污染的生理功能,在城郊排污水面,種植蓮藕對環境是有增益效果的。若在有毒金屬Pb、Cd嚴重的水面種植蓮藕,僅能發揮其環境效益,其藕不可食用,應引起注意[9]。
3 污染水體的生態恢復技術
污染水體的生態恢復技術是一種通過水體生態系統中各種生物群落的綜合作用而去除其中污染物的技術,該技術不需要大量投資,且生態恢復基地建立后,還可適用于其他類似污染水體的治理。因此,該技術受到了社會的歡迎[10]。
污染水體生態工程治理的主要技術類型有――植物修復技術、動物修復技術和微生物修復技術[10]。如能將三種類型有機的結合起來,發揮其綜合環境效益,將達到理想效果。
3.1 生態浮床技術概念
20世紀80年代以來,為改善污染水體的水質,同時減少傳統的物理方法、化學方法處理(如底泥疏浚、機械撈藻、化學殺藻等)所帶來的投資大、操作難、產生二次污染等問題,生態浮床技術被越來越多地應用于營養化水體的修復研究中[11]。
生態浮床技術是一項水環境治理和生態修復兼顧的實用技術。其內涵是運用無土栽培技術原理,以高分子材料為載體和基質,采用現代農藝和生態工程措施綜合集成的水面無土栽培種植技術。采用該技術可將原來只能在陸地種植的草本陸生物種種植到自然水域水面,并能取得與陸地種植相仿甚至更高的收獲量與景觀效果。該技術治理水環境與生態修復的原理是:通過植物在生長過程中對水體中N、P等植物必需元素的吸收利用,及其根系和浮床基質等對水中懸浮物的吸附作用,富集水體中的有害物質,與此同時,植物根系釋出大量能降解有機物的分泌物,從而加速有機污染物的分解,隨著部分水質指標的改善,尤其是DO的大幅度增加,為好氧微生物的大量繁殖創造了條件,通過微生物對有機污染物、營養物的進一步分解,使水質得到進一步改善,最終通過收獲植物體的形式,將N、P等營養物質以及吸附積累在植物體內和根系表面的污染物搬離水體,使水體中的污染物大幅度減少,水質得到改善,從而為高等水生生物的生存、繁衍創造生態環境條件,為最終修復水生態系統提供可能。生態浮床技術具有造價低、供試植物和載體材料來源廣,結構組裝方便,剛柔兼備,較好抗風浪能力,載體可移動拼裝等特點[2],提倡推廣應用。 3.2 水生植物濾床技術應用
秦雁芳采用的水生植物濾床是借鑒日本的一項技術,是一種新型無基質型人工濕地系統,主要靠水培植物的根系吸收、吸附過濾及共生生物的降解作用對水質進行凈化,主要用于凈化富營養化自然水體。研究了水生植物濾床系統凈化太湖入湖河水, 結果表明:冬季水芹床、黑麥草床能有效去除TN、TP及高錳酸鹽指數;夏季空心菜床對污染有凈化效果,八月份去除率最高;營養物質濃度對水質凈化效果有很大影響,是造成冬季去除率高于夏季的主要原因。茭白、睡蓮床對污染的凈化效果高于冬夏兩季接茬時空心菜、水芹菜床;夏季對空心菜床系統中生物鏈進行擴展,放養大型底棲動物螺螄、泥鰍,系統污染凈化效果有所提高,其中螺螄床效果最好。對水生植物濾床系統進行經濟效益分析,合計水生植物收益、底泥、植物殘留物堆肥技術制成的成品有機肥及水產品的收入,水生植物濾床的凈效益可觀[12]。
4 利用水生蔬菜治理水體污染的建議
(1)實踐證明,利用水生蔬菜治理水體污染是可行的,各級政府應高度重視,在科學研究、政策和投入上進行扶持。
(2)農民應成為應用水生蔬菜治理水體污染的主體和受益者,只有讓廣大農民積極參與到這項功在千秋、利在當代的事業中去,污染水體的生態恢復才能富有成效。
(3)要科學決策,在了解受污染水體的生物狀況、水質和底質狀況后,選擇適宜在該條件下生長的生物種類,將整個需要治理的污染水體納入區域規劃、發展管理方案中,進行總體設計和考慮,并大力開展生物產品的綜合開發利用[10]。
(4)要對收獲的水生蔬菜進行全面檢測,確保其安全性,對廣大消費者負責。
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Suggestion on Remediation of Contaminated Water by Aquatic Vegetable
He Jianjun1,2,3,4, Chen Xueling1,2,3, Guan Jian1,2,3, Zhou Ming1,2,3, Wang Jun1,2,3, Gao Hong1,2,3,
Shi Defang1,2,3, Hu Zhongli4,5, Zhou Mingquan4,5
(1.Agricultural Products Processing Subcenter of Hubei Agricultural Science & Technology
Innovation Center, Wuhan 430064; 2.Research Institute of Agricultural Products Processing and
Nuclear-Agricultural Technology, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064;
3. National R&D Center for Edible Fungi Processing, Wuhan 430064; 4.Hubei Engineering
Research Center of Lotus Root, Wuhan 430072;5.Department of Biology, Wuhan University, 430072)
關鍵詞:生態水利 水利工程 建設原則
1 生態水利工程建設
水利工程的生態建設的重要組成部分,與經濟資源合理利用有著密切的聯系,生態水利工程不是一個簡單的項目,而是設計多方面內容的重要工程,生態水利工程的建設不僅可以滿足水利工程原本的防洪,供水,電力等作用,同時生態水利工程可以促進實現生態系統的可持續發展。生態水利工程是經濟和社會可持續發展的必然趨勢和要求,生態水利工程建設是指在水利工程建設過程中應充分注意處理好生態環境保護的問題,進而為進一步實現農業現代化的重要保證。在水利工程建設過程中有必要考慮綜合考慮自然災害承載能力和水利工程的設計原則,同時促進水利工程的設計原則還要能夠滿足水利工程要求同時也必須符合生態學發展原理,進而保證水利工程的安全性和穩定性。
生態水利工程建設需要遵循自然生態發展規律,通過相應的措施來改善和修復水生態環境,實現防止水資源污染以及水資源的優化配置和可持續利用的目的,所以對水利工程實現生態監測,促進生態水利工程建設,是現階段水利工程發展的必然趨勢,同時生態水利工程控制需要實現生態監測,生態安全監測和生態災難預防,發展生態水利工程可以改進和完善水利工程的設計方法,促進水利工程遵循自然生態規律,改善和修復水生態環境保護,優化配置水資源和水資源的可持續利用。
2 生態水利工程建設原則
生態水利工程建設過程中需要按照以下原則進行:
2.1 生態水利工程施工安全經濟的原則 在生態水利工程建設過程中實現有效保障機制,加強施工安全經濟的保障,綜合生態水利建設項目確定生態水利工程施工進程,根據水利工程建設實際,對水生態系統建設過程中嚴格按照可持續的需求,合理安排布置水利工程建設,以滿足水利項目施工達到安全、經濟的原則,從而實現生態水利工程發展與自然生態環境建設的有機和諧統一。
2.2 水利工程建設與自然生態和諧的原則 生態水利工程規劃以滿足水生態系統自我恢復,對生態水利工程建設項目的實施,及時了解地形的形態特征,因地制宜規劃,全面了解河流形態和地理環境,做到與周圍的水生態系統相協調,遵循自然規律,實現人文和自然的有機結合,比如保留和恢復河流本身的原始結構,有利于改善水質和水的原始生物的運動;擴大綠色植物區域,提供水生生物生存地域,確保地下水的有效供給;創建簡單的景觀河,需要協調融入設計;遵循自然生態規律,降低項目運營成本,提高植物的水體自凈能力,從而達到凈化水的目的,還可以減少維護成本。
2.3 生態水利工程建設整體規劃原則 整體性原則是從生態系統結構的角度來分析,針對生態系統中各生態因素提出了系統而總體要求,整體性原則要求不僅要考慮水文系統修復問題,而且要考慮水生態系統動態變化過程,如果不對整個環境生態系統進行考慮,只能暫時緩解問題,甚至會影響水利生態系統的可持續發展,同時水利工程建設整體性原則還要求必須遵循自然生態規律,從生態角度降低工程成本。
3 促進生態水利工程建設的建議
生態水利工程建設是一項復雜的系統工程,需要涉及到資源、環境、經濟、社會等領域。因此,結合生態水利工程建設的具體實際,特提出以下兩方面的對策建議。
一方面是要在規劃設計過程中注重水生態保護。在水利工程項目建設過程中,首先要收集項目所在地的地質條件,做好項目現場水文數據的調查,充分了解當地的生態狀況,在確保水利工程的防洪能力等的同時充分考慮工程的環境承載能力。因地制宜做好生態水利工程的規劃,確定適當的發展目標,對水資源進行合理的規劃,在工程結構設計時必須考慮生態水生物的安全保護,進而實現水資源的良性循環,同時要配備必要的環境監測設備,不斷加強工程的水環境監測,建立合理科學的環境監測項目指標體系和標準,及時做好環境影響評價工作。另一方面是要在水利工程項目建設完成后應該本著減少對當地環境的影響及時采取措施恢復土地生態,做好施工現場修復工作,發揮水利工程所在地的土壤和植被的生態保護作用,同時可以結合具體實際對水資源進行市場配置,在項目建成后應大力推廣供水節水工程,充分利用市場機制和價格杠桿,以滿足生產和生活用水的需求,以解決一些地區水資源短缺的問題。同時要不斷完善相關生態水利工程建設法律規定,合理劃定保護河流和流域保護區,加強對水生態保護區的生態建設和環境保護,并嚴格審批相關生態水利工程建設項目。
總而言之,雖然隨著經濟社會的發展進步,水利工程建設與生態環境的矛盾日益突出,但是只要正確處理水利工程建設與生態環境保護之間的關系,并且做到充分考慮水資源的實際承載能力,不斷發展和建設生態水利工程項目,就可以促進生態水利工程建設項目可持續發展。
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英文名稱:水科學與工程(英文版)
主管單位:教育部
主辦單位:河海大學
出版周期:季刊
出版地址:江蘇省南京市
語
種:英語
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本:16開
國際刊號:1674-2370
國內刊號:32-1785/TV
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創刊時間:2008
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CA 化學文摘(美)(2009)
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聯系方式
經濟功能
在安全得到初步保障后,城市河流的經濟功能逐漸引起重視,它是指水作為一種重要資源所發揮的功能,包括供水、交通運輸、農田灌溉和
水產養殖等作用。
景觀功能
河流景觀側重水景觀,以水為中心軸線向兩岸擴展,包括水域景觀、過度區域景觀以及岸上景觀等。現代城市河流是由若干人工設施和自然存在物共同組成的集合體,各種組成部分形成密不可分的系統關系,充分研究發揮這些系統組成部分之間的關系,并加以利用,可大大增強河流景觀建設的效果。
生態環境功能
生態環境功能主要指水維持自然生態過程于趨于生態環境條件的功能。一個完善的城市河流生態體系,應該具備改善水質及水體的自凈能力、調節局部水溫變化、維持水生態系統的平衡、保持生態多樣性等功能要求。現代的城市河流修復不僅要考慮河流生存的需要,更要保障人類的基本生存安全,因此,如今河流整治工程必須兼顧安全、經濟、景觀與生態環境等多重功能,其中安全、經濟性是基礎,景觀、生態性是體現現代人追求“自然”、“親水”的基本要求。與河流的自然狀況,以及分析河流整治狀況與生態系統的相互影響;1989年,Pabst提出了河流的自然特性盡量要靠外界的自然力來恢復的理念,強調河道要有生態自然修復的功能;1991年,日本開始推行重視創造多樣化河流形態的“多自然型河流建設”。于此同時,國外也開展許多大型的生態修復工程實踐,如1987年,德國萊茵河流域管理委員會提出了重塑萊茵河的生態,使魷魚重新回到萊茵河的“萊茵河蛙魚2000計劃”,隨后萊茵河保護國際委員會(工CPR)又進一步制定了“萊茵河蛙魚2020計劃”;在密西西比河上,Juliann等[5〕在CapeGirardeau附近主河槽內對大型無脊椎動物進行了研究,John等對河上游魚類的時空分布進行了研究;1987年,為解決斯凱恩河(SkjernRiver)的水環境問題,丹麥通過了退耕2200公頃,恢復河流洪泛區地的決議,并于2002年基本完成修復工程。
國內外河流生態修復研究進展
1國外研究進展
人們對河流的生態環境修復的認知已經經歷了半個多世紀,在德國Seifert首先提出“親河川整治”概念后,EmstBittmann于1965年首先在萊茵河用蘆葦和柳樹進行生態護岸實驗,并取得了很好的效果;Schlueter認為河流近自然治理要在滿足人類對河流合理利用的前提下,保護或促進河流的生物多樣性;1980年,瑞士州河川保護建設局將生態護岸法發展為“多自然型河道生態修復技術”,對河流的治理重視恢復植被和建設自然護岸[3];1983年,Bidner提出河流整治首先要考慮河道的水力學特性、地貌學特點
2國內研究進展
國內開展河流生態修復的研究工作起步相對較晚,但發展非常迅速。有關生態河流治理理念方面,董哲仁首先提出了“生態水工學”的概念,指出改善河流生態系統、修復河流生態環境的工程措施及思路德孫宗鳳認為生態水利是我國新時期水利建設的必由之路,提出了如何把生態建設和水利工程建設有機地融為一體;孫東亞等在流域尺度的河流生態恢復研究中,指出我國現階段河流修復中的首要任務是遏制流域內引起生態系統退化的水污染。在河流生態工程實踐方面,尤其是河道生態護坡的工程應用上,我國在近二十年來做了許多嘗試,如工程中分別采用了植被護坡、格賓網石籠(蜂巢網箱)護坡、生態袋護坡、連鎖式鋪面磚護坡、土工格柵+固土種植基護坡、三維土工網墊護坡、混凝土植生塊護坡、綠色混凝土護坡、土壤固化劑護坡等。總結國內外的城市河流生態修復研究現狀可知,當前國內外展開的河流生態修復工作仍著眼于河流某一方面的功能,如國外在兼顧景觀的同時,更側重生態修復和重建等方面的工作,而國內則較多地考慮護岸措施生態化,對于生態修復理念與生態功能實現還有待進一步加強。
城市河流生態修復方法研究
由前述的河流功能劃分內容可知,生態功能與景觀功能己然成為現代城市河流建設的兩大重要評價指標。
1生態功能修復
河流生態系統中較為重要的物理組成包括河岸、淺灘、潛流帶和生物棲息地等,它們是河流生物生存及完成河流生態過程的基質,其穩定和健康發展對城市河流的生態系統具有重要作用。因此,河流生態功能的修復工程應具有相對完整性和系統性,需涵蓋河流的形態、水體水質、生物群落及棲息地等修復內容。
(1)河流形態修復
自然河流的橫斷面通常由三部分組成,分別為主河槽、洪泛區和高地邊緣過渡帶(見圖1)。
河流形態修復的主要目標是構建近自然型的多樣性河流形態,它是流域生態系統生態環境的核心,亦生物群落多樣性的基礎。對于河道形態多樣性的修復,高永勝等針對我國目前一些中小河流健康受損的實際情況,提出從縱、橫兩方面來提高河流形態多樣性的修復方法:在縱向上,修復河流蜿蜒性,在河床上創建深潭一淺灘序列;在橫向上,構建包括主河槽和洪泛區在內的多樣性斷面形態,并采用生態型岸坡防護結構,避免河流岸坡的硬質化。
(2)水質修復
水質的修復可分置換凈化水和河流水體內修復兩種方式,其中凈化水可通過城市污水集中處理、濕地修復工程等方式獲得;而水體內修復可采用能夠增強河流凈化能力的相關技術實現,如曝氣、引水稀釋、添加試劑、生物操控、恢復水生植被、水體內生物強化等;另外還可以通過底泥疏浚、底泥污染物控制等方式實現河流水質的凈化效果。
(3)生物群落恢復及棲息地修復
河流生態系統的生物群落恢復包括水生植物恢復、底棲動物、浮游生物、魚類等。在河流的形態及水體水質得到改善后,河流生物群落的恢復就變得相對容易,可通過自然恢復或進行簡單的人工強化,必要時采用人工重建措施。另外,恢復河流的生物群落還需要對生物棲息地進行改善,如營造適合生物生存的河流環境和形態,如多樣化的流速、彎曲且深淺不一的河道、合適的水深、溫度和生態狀況。
2景觀功能修復
河流由于其自身的特點,河流景觀與一般意義上的園林景觀、地理景觀不盡相同。河流的景觀側重水景觀,以水位中心軸線想兩岸擴展,包括水域景觀、過渡域景觀及岸上景觀等。,圖2為河道景觀構成示意圖,可見,現代城市河流是由若干人工設施和自然存在物組成的組合體,而研究這些組成部分之間的關系,并在具體的景觀設計中予以應用,則可以大大增強河流景觀建設的效果。在城市河流景觀建設時,要根據河流所處的位置,結合城市規劃,遵循格局連續性、自然和人文相結合、共享性、整體性、可持續性等原則,確定合理的景觀布局。具體構建思路為「17〕:(l)查閱分析河流修復前后在城市發展過程中所扮演的角色,準確地定位城市河流功能;(2)在滿足城市未來發展需求的基礎上,確定景觀設計的主題和亮點;(3)綜合考慮河流的功能多樣性要求,對河流進行合理的形態規劃;(4)完善運行管理措施,以保證景觀的可持續性。
【關鍵詞】:水生植物;特點;功能;資源應用
當前,水生態環境遭到嚴重破壞,可以利用的生物資源不斷減少,為了維護與保持生態平衡,促進生態系統的良性循環和健康發展,2011年昆明市全面啟動城市公共綠地初期雨水處理及資源化利用工程,積極引導生態景觀建設,恢復自然水體景觀,改善水體質量,提升水資源利用率,促進水污染防治,達到環境綜合整治的目的。
西華公園占地83140平方米,其中水面8666平方米,作為2011年昆明市雨水處理及資源化利用工程示范點,公園池塘全部實施清淤,栽種水生植物7847平方米。水生植物應用以沉水植物為主,以浮葉植物、挺水植物和濕生植物為輔。通過近4年的觀察研究發現: 種植水生植物后,很大程度提高水體自凈能力凈化水質,恢復水域中的養分平衡;通過水生植物光合作用釋放氧氣,增加水中溶解氧含量,從而減輕或消除污染;同時利用多種水生植物大量吸收營養物 質,或降解轉化有毒有害物質。因此,如何發揮水生植物的功能以及開發水生植物資源利用,已成為西華公園水生植物研究的焦點問題。
1、西華公園水生植物種類及特點
水生植物包括常年生活在水中以及長期生活在應水環境而形成的趨同性適應類型 , 主要包括非常潮濕或者100%飽和水土壤中的植物 。目前,我國約有水生植物61科155屬437種,西華公園共有11科13屬36種水生植物(詳見表一),主要分為沉水植物4種,其中尤以苦草栽種最為廣泛,面積為6980平方米,浮葉植物8種、挺水植物9種、濕生植物15種。
1.1沉水植物:是指整個植株全部沒于水中,或僅有少許葉尖或花露于水面的水生植物。這類水生植物根莖生于泥中,整個植株沉入水中,具發達的通氣組織,利于進行氣體交換。葉多為狹長或絲狀,能吸收水中部分養分,在水下弱光的條件下也能正常生長發育。西華公園代表性植物:苦草、輪葉黑藻、金魚藻、狐尾藻。
1.2浮葉植物:是指葉片浮在水面的水生植物。這類水生植物的根狀莖發達,花大,色艷,無明顯的地上莖或莖細弱不能直立,葉片漂浮于水面上。西華公園代表性植物:睡蓮。
1.3挺水植物:是指莖出水面的水生植物。這類水生植物的植株高大,花色艷麗,絕大多數有莖、葉之分;直立挺拔,下部或基部沉于水中,根或地莖扎入泥中生長,上部植株挺出水面。挺水型植物種類繁多,西華公園代表性植物有荷花、水蔥、再力花、梭魚草、水莎草、水生美人蕉、紫莎草等9種。
1.4濕生植物:西華公園代表性植物就是濕生型鳶尾,種植在水邊或淺水中,喜水、喜肥,包括西伯利亞鳶尾、日本鳶尾、路易斯安那鳶尾等15種。
2、西華公園水生植物的功能
2.1生態功能
2.1.1凈化水質,抑制藻類生長。
水生植物的生態功能主要體現在對水質的凈化上。它們可以對水域中污水進行直接吸收,并對其內部營養成分進行利用,轉化為自身生長的所需養分。因此,水生植物具有去污凈水,增強水體自凈能力。
有研究表明,苦草在水中擔當著“造氧機”的角色,為池塘中的其他生物提供生長所必需的溶解氧;同時,還能夠除去水中過剩的養分,因而通過控制綠藻、藍藻生長而保持水體的清澈。黃花鳶尾對水體中的總氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽等營養鹽有較好的去除效果,能改善水質,有效控制水中葉綠素,抑制藻類的繁殖生長。
2.1.2微生物的棲息地
水生植物通過光合作用,為微生物輸送氧氣。同時通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用,使氮、磷從水體中去除。
水生植物具有W絡狀結構根系,并在植物根系附近形成好氧、缺氧、厭氧的不同環境,為各種不同微生物的代謝與吸附提供了良好的生存環境,間接提高水質凈化率。
2.2景觀功能
2.2.1豐富景觀
水生植物以其灑脫的姿態、優美的線條和絢麗的色彩,點綴著形形的水面和岸邊,并容易形成水中美麗的倒影,具有很強的造景功能。不同類型的水生植物均具有各自不同的資韻。荷葉青翠而潔凈,荷花淡雅清香;路易斯安那鳶尾是常綠的水生植物,其花色極為豐富,或清新淡雅,或嬌艷濃烈;日本花菖蒲,春夏季節開花不斷,給水體景觀帶來一道亮麗的色彩。
2.2.2創造意境
水生植物歷來是構建水景的重要素材之一,水生植物景觀常構成一種獨特的、耐人尋味的意境。像杭州十景之一的“曲院風荷”就是意境創造的成功范例,將植物景觀形態美升華到意境美,含義深邃,達到了天人合一的境界。
2.3防護功能
水生植物的生長蔓延繁殖,增加了土壤中有機質的含量,提高了土壤的持水性,改善了土壤的結構與性能。另外,水生植物栽于水陸交界之處,其發達根系較強的扭結力,能減少地表徑流,防止水的侵蝕和沖刷。
2.4保存生物多樣
西華公園水生植物群落為親水的水鳥(鷺鷥、鴛鴦)、昆蟲(食藻蟲)和其他動物(螺類、青蝦)提供食物來源和棲居場所。水生動植物以及非生物物質的相互作用和循環往復,使得水體成為具有生命活力的水生生態環境,從而保存了水生環境的生物多樣性。
3、西華公園水生植物的資源應用現狀
由于水生植物具有諸多的功能,在營造園林水景中是不可缺少的材料;加之水生植物具有凈化和防治水污染的功能,因此其已成為城市生態水體景觀設計的必要元素。
3.1水生植物在池塘、駁岸及盆栽中的應用
3.1.1池塘是較小的水體景觀,西華公園在池塘里種植沉水植物,池面點綴浮葉植物睡蓮,池邊栽種挺水植物,這樣可分割空間、增加層次,彰顯“以小見大”的效果,創造寧靜優雅的生態景觀。
3.1.2把硬質駁岸改造成為以水生植物為主的生態駁岸,可以使陸地與水系融為一體,又對水面空間的景觀起主導作用。我們選擇鳶尾科的黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、路易斯安那鳶尾,紫莎草、再力花等種類,在綠化美化的同時,還起到改善水體,加固駁岸的作用。
3.1.3在室內擺放一盆水生植物,會給生活帶來更多的溫馨和浪漫,如紫莎草、水蔥、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾等。
3.2發揮水生植物生態功能作用。
在水生植物生態應用方面,多種植物的組合能發揮不同植物的優勢,有效改善水體景觀和其自凈能力。
2011年西華公園作為昆明市雨水處理及資源化利用工程示范點,公園綠地低凹處設置了7座下沉式污水過濾池,步行道兩側,埋設了1100多米雨水收集管道,這些設施,能將公園范圍內的降水(除地表吸收部分以外)、昆明市第一污水廠的中水經沉淀過濾后,就近排入公園內的池塘。池塘沿岸寬約1.5米的淺水區,植以沙草、再力花、鳶尾等挺水植物,池塘中部水深可達1.3至1.5米,大面積地栽種苦草等沉水植物。池塘水面栽種睡蓮等浮葉植物。
由于西華園水生植物物種多樣性,使其在生長過程中對水體中的氮、磷、重金屬離子等多種營養物質進行吸收,并向水體提供大量氧氣,為微生物的存在和分解污染物|起到關鍵的作用。西華公園以水生植物為主的污水處理濾池,通過對富營養化水體凈化,水質指標已接近Ⅳ類水。水生植物不僅促進污染水體的修復,又可以從中獲取自身生長的養分和能量,實現了雙贏局面。
同時公園草坪都布置了自動噴灌系統,水源全部來自臨近的池塘。這種通過水生植物凈化水質對城市污水的再利用是值得推廣和借鑒的。
3.3開發水生沉水植物資源。
從凈化水質方面考慮,水生植物的凈化能力與其面積成正比。由于苦草生產力比挺水植物低,加上根系占生物量比例很小,莖葉很容易被收獲利用或者被水體中其他生物所利用,凋落物量比較少,因而腐爛分解率比較低(李文朝等,2001)。因此,在水生植物選擇中,要盡可能縮小挺水植物和浮葉植物的比例,以沉水植物為主。
但目前在西華公園園林水景中對沉水植物的應用種類較少,僅有四種沉水植物,除去人工大量種植苦草以外,其余輪葉黑藻、金魚藻,狐尾藻等均為野生品種。為此,在以后的水景營造中應有意識的篩選適宜于西華公園自然環境的沉水植物,以豐富物種多樣性。
3.4重視常綠水生植物及鄉土水生植物的應用。
西華公園除了濕生鳶尾是常綠植物以外,挺水植物和浮葉植物冬季都枯萎進入休眠期,導致整個水面或空空蕩蕩,或枯枝殘葉,景觀效果極差。因此,水生植物的冬季景觀營造與改善是迫在眉睫的問題。
鄉土種是指通過自然選擇證明適宜生長于本地生境的物種(潮洛蒙,俞孔堅,2005)。鄉土種不僅文化底蘊充分,而且通過多年的物種選擇,生態適應性較強、性能價格高,管理較方便,還有利于增加本地區的生物多樣性。昆明地區常用的鄉土種水生植物大多有莎草、菖蒲、慈姑、茭瓜、蘆葦、蓮花、睡蓮,鳶尾等等。我們應該重視鄉土種的開發利用,營造一個種類豐富、結構合理、生長旺盛,抗逆能力強、管理低廉又具有地域特色的西華公園水生植物景觀。
結語
總而言之,2011年昆明市全面啟動城市公共綠地初期雨水處理及資源化利用工程后,西華公園引導生態景觀建設,提升水資源利用率,促進水污染防治,起到積極促進作用。實踐證明,西華公園水生植物具有修復水環境和治理水污染的生態功能,使得池塘水質無色無味,指標除總磷為五類水指標外,其余均達到了二類水指標,并且能夠四年保持1.5米以上透明度。但是,目前西華公園對于水生植物研究尚處于初級階段,如何合理利用水生植物來營造生態水景,提高水體自凈能力,以更好的發揮景觀功能和生態效益研究等存在不足。因此,應繼續加強對水生植物功能和資源應用的研究。
【參考文獻】:
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[2] 吳建強、黃沈發、丁玲,水生植物水體修復機理及其影響因素[J].水資源保護,2007年7月,第23卷,第4期
Abstract: The city wetland patches have the ability of self-repair and sustainable development, and play an important role in improving the urban ecological environment at city landscape restoration. Based on discussion of Sponge City, and Elastic Restoration theory, this paper takes the wetland patches restoration in Dounan district of Dianchi Lake as an example to analyze the importance of urban wetland elasticity landscape patches, describes the relationship between urban elasticity landscape patches and ecological environment construction of the city, and proposes the ideas and methods about reorganization of landscape patches, water network repairing, etc. It is aimed to find the entry point of the implementation with the landscape toughness development and sponge city, in order to build more way to get a solution to restore elasticity and toughness of the city.
關鍵詞: 景觀斑塊;彈性修復;海綿城市;濕地
Key words: landscape patches;elastic restoration;sponge city;wetland
中圖分類號:F205 文獻標識碼:A 文章編號:1006-4311(2016)20-0181-04
1 背景
城市景觀是自然與人力在不同條件相互作用的產物。一個城市長期生產力、繁榮度和宜居性,從根本上由城市的可持續性(承載能力)和彈性(應對能力)決定。[1]我國以農業立國,在歷史長河中,城市被良田所圍繞,對于自然災害與環境問題具有一定的防御能力。隨著經濟發展,昔日城市中的綠地斑塊如農田、濕地、林地等被各類建筑、道路、廣場等人工斑塊所代替。城市化地表斑塊變化的一個重要特征是不透水斑塊取代了透水良好的自然斑塊,自然水過程受到影響,城市環境惡化失去原有彈性,導致城市生態系統嚴重退化[2]。
過度開發使得城市景觀破碎化,許多涵養水源的綠色彈性空間相繼消失,城市綠網破壞,河流、湖泊等水體受到污染甚至斷流。如此矛盾的局面正需要城市規劃師在城市規劃中找到人與自然和諧共處的關鍵點,建設具有良好生態基礎設施系統的城市[3],保護好城市的彈性景觀斑塊,通過綠色、藍色以及灰色廊道的連接形成生態屏障,組建城市韌性(抵抗災害的能力),從而創造彈性宜居的城市環境。
2 相關概念辨析
城市過度發展,生態環境變化,水土流失、洪澇災害等“城市病”被廣泛關注,傳統觀念中被認為是廢棄物的雨水,也被重新審視,[4]人們逐漸意識到雨水作為一種可循環資源,影響城市居民的日常生活,關系城市的生態健康狀況,塑造城市的景觀斑塊,組織城市的緩沖空間。城市綠色緩沖空間往往是城市彈性斑塊的有機構成體,反作用于城市景觀及生態系統,確保了城市的物、能平衡與資源的良性循環。(如圖1)
2.1 海綿城市與彈性景觀
海綿城市(Sponge City)是指城市能像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“韌性”與“回彈”能力,有效保護和修復城市水生態,緩解城市內澇,削減城市徑流污染負荷,涵養城市水資源,復興城市水文化[5]。在一定程度上提升城市生態系統功能減少城市洪澇災害發生。西方國家對雨水的利用由來已久,形成了最佳管理實踐(Best Management Practices,簡稱BMPs)、低影響開發(Low Impact Development,簡稱LID)、水敏型城市設計(Water Sensitive Urban Design,簡稱WSUD)、綠色(雨洪)基礎設施(Green Infrastructure,簡稱GI)等措施。這些都是海綿城市(Sponge City)雨水管理的重要理論基礎。(如表1)。
彈性景觀(Resilient Landscapes)是城市中用于抵抗自然災害,維持城市生態系統穩定的重要韌性空間,強調基于人工參與的同時注重自然生態系統自我修復的能力。合理設計城市的彈性景觀斑塊,將不同功能的生態空間與雨水管理、生物棲息、公共休閑和審美需求相結合,連接城市“綠色”和“藍色”斑塊,為城市生態環境搭建起重要的生態保障屏障。城市濕地斑塊構成城市景觀,組織城市能源循環,如“海綿”一般,在應對城市生態失衡與自然災難時,為城市生物提供安全庇護港,保護生物的多樣性,保證城市景觀的穩定與持續發展。
2.2 濕地斑塊與彈性修復
濕地斑塊是城市生態系統的重要組成部分,具有城市其他生態系統不可替代的多種生態服務功能,被認為是陸地生態系統的最佳利用方式。[10]國內許多學者認為,濕地(Wetland)是陸生生態系統和水生生態系統之間的過渡帶,是一種復雜的生態系統。城市濕地(Urban Wetland)是指位于城市中,由水文、地貌、植物、動物等要素構成的,要素之間相互聯系相互作用形成的具有防洪、污水凈化和氣候調節等特定功能的一種水陸生態系統。[11-12]濕地斑塊對城市的建設貢獻主要在于連接了城市(人工斑塊)與水域(自然斑塊),形成了半自然半人工的中間過渡地帶,是重要的城市水陸樞紐與彈性緩沖空間,是城市與自然間的天然屏障,具有以下的生態學意義:
2.2.1 疏導水流,涵養水源
對于城市,濕地斑塊無疑是良好的水流“儲藏器”,隨著城市無序擴張,河渠硬化,防浪堤高筑屢見不鮮。城市給、排水不暢,下雨時地表徑流增大,形成快速排水模式,水資源難以保存。[13]城市污水處理不當,水體受到污染,濕地斑塊支離破碎,蓄水能力嚴重不足,導致城市土地河流的水源安全問題。
2.2.2 凈化水體,形成良性水網
濕地的植物,在長期自然演替過程中,對水體中的污染物有著一定的過濾、吸附和降解作用。“以綠養水”的生態支持模式[14],在其自身生態承載力允許條件下,會促進水循環,形成良性水網絡。在城市生態環境中,許多濕地斑塊以及綠地斑塊被河流廊道等聯系成綠網,對城市水流起到層層凈化的作用,形成天然依水而生的緩沖空間。
2.2.3 可持續發展,形成城市綜合“海綿體”
可持續發展,需要可持續經濟,首要就是對環境的低影響開發,低成本維護,低干擾管理,讓城市可以自由的呼吸,要做到這一點最重要是城市中水的資源化,從而進行景觀的彈性組織與資源循環利用。[15]水流的循環利用帶來的是能流的循環持續,既促進了城市的物質、能量循環,又可以調節城市的自然環境。[16]
將濕地的彈性修復融入城市建設中,恢復景觀斑塊在應對城市問題中的穩定作用,從廣義的角度理解海綿城市理論,發揮城市綠河流濕地等水陸交界面對雨水的吸納、緩解作用,充分發揮城市綠地斑塊對自然災害的預防和緩解的能力,采用融、滯、消、散等措施,建設具有自然緩解、自然容納、自然重構的城市綜合“海綿體”(如圖2)。[17]
總體來說,濕地的彈性修復設計,需要城市在防御自然災難時做到以下4方面內容:
①了解水資源的重要性及在城市生態系統中扮演的角色,形成城市應對自然災害的屏障和緩沖空間;②調節城市旱澇的基礎上,加強綠地應對災害的能力;③以城市綠色空間涵養水源,從而調節城市生態,減少自然災害;④形成綠色彈性景觀斑塊,化對抗為共生,使城市生態自我修復能力提升。
3 城市的彈性景觀――濕地斑塊修復設計
3.1 研究區概況
云南滇池是城市發展中與湖爭地,導致城市生態破壞的例子。1950年-1970年隨著“圍湖造田”運動,滇池先后萎縮近30km2水域。1990年“防浪堤”建造工程的啟動,阻斷水陸能量交流,沿湖濕地斑塊嚴重破壞,城市生態系統失穩,蓄水、凈水能力下降,自然災害頻發,昆明城市人居環境受到嚴重威脅。
研究區位于滇池湖岸東側水陸交接處,北緯24°53′11″-24°53′34″,東經102°46′4″-102°46′30″,面積約24hm2,是斗南片區城市空間與滇池水域空間最后的生態屏障。研究區全年平均降雨789.6mm,有旱、雨季之分,降雨量集中于5-10月占全年降水量的86%-90%。隨著斗南片區發展,城市生活生產廢水肆意排放,導致滇池水體富營養化,維持該地區生態平衡的彈性景觀――濕地斑塊,在“造田”運動中消失殆盡,植被減少,生物生存環境受到威脅,研究區主要面臨以下城市問題(如圖3):
①濕地退化,蓄水困難,內澇嚴重,交通受限。研究區較為平坦,在雨季后存在內澇問題,主要道路被雨水淹沒,嚴重影響區域交通。濕地斑塊退化,場地無法儲存雨水,造成二次污染。
②水體富營養,水陸交接面硬化,生態失穩。作為水陸媒介的駁岸系統有著重要的生態學作用。研究區均為水泥駁岸,阻隔水陸物質能量傳遞,造成濕地景觀斑塊彈性缺失,水體富營養化嚴重。
③水體分離,排水困難,濕地斑塊缺乏彈性。研究區水體分離,水網不聯通,不能引導排水,造成雨季水體倒灌,植被受損,動物生境破壞,濕地斑塊彈性不足,應對措施不夠,無法達到濕地生態系統的自我修復與穩定。
3.2 彈性修復設計與措施
彈性修復,即在分析場地存在的主要城市問題基礎上,運用生態設計、柔性恢復等方式進行場地各個景觀斑塊的修復和重建設計,以較低影響,增強其景觀與生態系統應對生態擾動、人類活動及自然災害時自我修復與重回穩定的能力。
通過對景觀斑塊的研究比較,依據研究區獨特的水文、地理氣候等條件,進行濕地生態系統的韌性修復,形成城市中良好的彈性景觀斑塊。尊重場地原有景觀記憶,延續場地景觀斑塊的演變脈絡,減少對場地的破壞。通過水體網絡的重構組織場地綠地斑塊的修復與更新引導場地產業的轉型達到濕地景觀斑塊的韌性修復,做到低成本修復、少管理維護和弱生態破壞,營造良性、有序的城市景觀過渡帶。柔化城市邊界,促進水陸生態系統物、能循環,形成依托于滇池周邊城市的彈性濕地景觀斑塊。(如圖4)基于對水陸交接帶濕地斑塊修復設計的研究,主要有以下幾種方式:
3.2.1 整合地形,構建濕地骨架,通過水網聯通形成彈性蓄水空間
在原有肌理基礎上,根據場地降水、污染物種類等影響因素,利用研究區原有魚塘,緩和邊形成曲線水陸界面,增加水岸邊長,創造供濕地鳥類等生物生存的小環境。增加觀賞度的同時活化了水岸,使水、陸之間的物質、能量傳遞界面增長。
梳理地形,將研究區低洼內澇地塊整理開發形成“濕地泡”,設置長淹沒區、半淹沒區域、偶爾淹沒區域,與邊界原有魚塘鏈接形成凈化網絡,恢復濕地斑塊的生態功能,創造動植物的生活生境,形成應對雨水的彈性空間。
3.2.2 軟化駁岸,路網修復,形成多級式水體凈化模式
進行水循環交流,將防浪堤岸進行適度開口,形成沿堤內流濕地泡,在防浪堤外增加立體綠化,形成水陸生態廊道,解決水泥堤岸高筑的生態隔離問題,同時也阻止雨水倒灌造成的堤頂路塌方,路網斷裂。運用廠區拆卸廢料加工形成空中景觀高架系統,為濕地恢復提供空間,借鑒海綿城市理論形成水網凈化系統,通過過濾池、氧化池、潛流濕地凈化泡、表流濕地凈化泡、末端強化池等多級式水體凈化池,形成彈性可淹沒區,收納雨水,在必要時業區轉型后的花卉大棚澆灌使用。
3.2.3 更新地塊產業,借鑒海綿城市等理論,形成水循環系統及景觀修復機制
海綿城市是關于水循環的智慧,城市濕地作為彈性景觀的重要組成部分,作為城市綠地斑塊的緩沖空間,為城市的生態健康及經濟發展做出貢獻。在研究區中依據不同條件,設置雨水的儲存裝置利用自然集水槽與大棚集水設施,從源頭留住雨水。
通過產業更新,在溫室大棚區通過立體綠化、無土栽培等技術栽植花卉、中草藥等植物。防止澆灌廢料中氮、磷等物質流入場地水系統,抬高廠區地平面在其底部形成1m的水槽用于收集雨水與澆灌用水,應用生態、物理等水處理方法,由濕地泡凈化后排入研究區水網系統,既能夠保證水體的自然循環,又能夠最大限度的保護濕地、湖泊的水體安全。在濕地內部形成完整水循環系統,從而完成濕地斑塊的景觀修復,達到城市水陸交界帶的柔性回歸。
3.3 小結
對滇池斗南片區濕地斑塊的修復研究,通過梳理研究區存在的主要生態問題,找到濕地斑塊恢復的切入點,重構濕地斑塊水網,以海綿城市理論研究入手,形成水循環系統網絡,組織濕地斑塊的柔性恢復,為動植物生存創造條件。另一方面,將研究區融入城市環境,尊重場地記憶,促使產業轉型,把斗南片區的經濟支柱產業――花卉貿易與地塊產業銜接,形成特色鮮明集聚科研與生態旅游為一體的城市彈性斑塊,達到水陸交接面濕地與城市發展的和諧,使城市中的景觀斑塊得到彈性修復,韌性重構及景觀更新。
4 結語
城市發展對自然的掠奪造成綠地斑塊支離破碎,水生態惡化、生物生境缺失,城市失去彈性和應對災害的韌性。海綿城市理念對城市建設帶來了健康發展的契機,為僵硬的城市加入地下和地上水系統的互動[18]。城市中的彈性景觀空間、綠地斑塊等在應對自然災害時扮演著城市保衛者的角色。濕地作為城市景觀斑塊的一員,人們更應該意識到保護城市彈性空間與水環境安全的重要性與必要性。在城市彈性空間的景觀修復研究中應該站在建設廣義的“城市海綿體”水循環的角度上,對綠地斑塊進行組織與重構,尊重場地精神,保證場地內部與外部生態循環的自我穩定。
濕地斑塊是城市水岸空間的有機組成部分,提供城市中動物生存的必要環境。對城市濕地景觀斑塊的修復研究,既能對城市景觀斑塊的彈性進行重構,也能對城市的水安全、水循環和水環境進行恢復,達到城市生態系統的自我穩定與長久發展。濕地景觀是海綿城市組成的一個重要環節,斑塊間的連接性十分重要。單一的濕地僅僅是城市眾多彈性景觀斑塊中的一員,對水循環、水網絡的影響有限,需要在城市規劃與設計中考慮綠色生態斑塊、藍色水體斑塊與灰色基礎設施斑塊的連通性,通過韌性修復與設計形成統一的綜合網絡,才能使彈性斑塊在城市的資源循環及應對自然災害中達到生態效益的最大化。
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【關鍵詞】生態需水量; 環境需水量; 水質目標; 河道濕地; 耦合研究; 黃河
黃河是中華民族的母親河, 是我國西北、華北地區最大的供水水源, 論文 以其占全國河川徑流2%的有限水資源, 承擔著本流域和下游占全國15%耕地面積引黃灌溉、12%人口及50多座大中城市的供水任務。
近20年來, 隨著流域經濟社會的快速發展, 黃河水資源的過度開發以及日益增加的污染排放量, 致使流域水資源的供需矛盾和水污染問題愈加突出, 也導致了諸如河道頻繁斷流、河槽萎縮、水質惡化、魚類產卵場退化、河口濕地面積萎縮等一系列問題, 黃河流域生態系統整體呈惡化趨勢。
1 黃河生態環境需水量概念及內涵
國外對生態環境需水的研究始于20 世紀40 年代, 主要側重于河道內流量的研究, 這期間有很多定量研究的方法( tennant, 7q10法, 河道濕周法, if-im法, r-cross法等等) 。在我國, 更多的是對流域生態需水和區域生態需水的研究, 特別是對西北內陸河生態需水和黃淮海流域生態需水的研究。盡管目前國內外有關“生態環境需水量”方面研究很多, 但對其概念界定尚無統一的認識, 研究者多根據其研究目標及其要保護的主要功能提出相應的定義[ 1 - 3 ] 。
基于對黃河生態系統、水文水資源特性、水資源開發利用程度及水環境狀況的認識, 本文認為黃河生態環境需水量概念為: 生態需水量是指為維持黃河水生生物特別是魚類的正常生存繁殖, 滿足河道濕地、河口濕地生態系統基本功能和維持一定規模的水量。環境需水量是指為改善黃河水體水質, 基本滿足其環境功能所需要的水量, 環境需水量實質上有著滿足水量和水質的雙重概念。其內涵主要包括以下幾個方面:一是保護河道內水生生物正常生存繁殖的水量; 二是維持河流水體功能水質的水量; 三是滿足河道濕地基本功能的水量; 四是維持河口一定規模濕地的水量;五是有利于河口水生生物生存及河口生態修復的水量。
黃河適宜生態環境水量是指維系黃河生態系統良性循環的較佳水量, 此時系統狀態較理想, 能夠發揮較好的生態環境功能。在此狀態下, 黃河系統的恢復目標為: 一是黃河水質滿足水功能目標要求, 水環境質量有明顯改善; 二是黃河主要保護物種魚類能夠獲得一定的生存空間, 遭到破壞的魚類產卵場得到逐步恢復; 三是河道濕地和河口濕地生物多樣性、生態完整性能夠得到維持, 發揮濕地應有的生態環境功能。
最小生態環境水量是指維持系統生存所需的最低水量或底限閾值, 若低于該水量, 系統會發生退化。畢業論文 對于黃河下游河道來說, 最小生態環境水量也是為了防止河道水體斷流并發生功能性裂變, 維持河道水流循環的最小流量。
2 理論及方法
2.1 生態需水量
根據黃河生態系統和水環境的特點, 一方面由于黃河缺乏長期的水生生物的調查及其生長習性的觀測數據, 缺乏相應典型河段主要保護物種生理需水的基礎研究支持, 另一方面考慮黃河水生生物并不豐富的實際, 因此, 現階段很難做到完全生態學意義上的定量研究。足夠流動的水體是構成河流生態系統的基礎, 從水量及其相關因子考慮, 目前國內外有很多學者利用歷史流量法和水力學參數法來計算研究河流生態環境需水量。這種保持河流一定流態的流量可認為是維持河流生命的基本水量。因此研究利用歷史流量法(tennant法和90%保證率設定法)計算河道基流,在環境水量研究的基礎上, 考慮河口生態修復需水,結合水力學參數法, 對該流量級下的水文要素(如水深、流速、濕周等) 能否滿足黃河魚類的生存空間進行判別, 以體現保護魚類生存繁衍和維持生境的生態水量需求。
(1)tennant法: 脫離特定用途的生態環境用水量計算方法, 也叫tennant法或montana法, 是非現場確定河流生態環境需水的典型方法。該方法以河流水生態健康情況下的多年平均流量觀測值為基準, 將保護水生態和水環境的河流流量劃分為若干個等級,推薦的標準值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分數為基礎。tennant法生態環境水量計算的核心問題是必須給出一個預先確定的年平均流量。本研究采用黃河尚屬“天然”或尚未大規模開發利用和徑流調節情況的徑流量, 即黃河干流第一個大型水庫尚未建成運用, 河流水生態、水環境尚屬于健康狀態的20世紀50年代(1952~1959年)平均徑流量為流量基準。
研究將黃河生態環境用水的季節分為4 ~6 月、7~10月、11~3月三個時段[ 5 ] , 各時段的生態環境水量低限標準以河流水生態、水環境尚屬于健康狀態的20世紀50年代平均流量為基準, 計算平均流量的不同百分比流量。并認為, 各水期流量平均值的100%~60%為最佳范圍, 60% ~40%為較好狀態,40%~30%為尚好狀態, 30% ~20%為尚可狀態,20%~10%為較差狀態, 10%和5%為可忍受的最小流量和極端最小流量。對于每個河段生態流量的取值, 根據河段生態環境功能的重要性進行判定。根據黃河水生態與水環境的功能類型和特點, 將生態環境功能分為4個不同重要程度級別: ①魚類產卵場、棲息地, 重要程度, ⅰ級; 4~6月生態環境需水量保持在最佳狀態, 其他季節保持在較好狀態。②國家級或省級重點觀光旅游區, 重要程度, ⅱ級; 4~6 月生態環境水量保持在較好狀態, 其他季節保持在尚好狀態。③沒有劃定為觀光旅游區的大中城市河段和國家一級交通干線與黃河相交河段, 重要程度, ⅲ級;4~6月生態環境需水量保持在尚好狀態, 其他季節保持在尚可狀態。④沒有特定要求的河段, 應達到魚類能夠暢通洄游和整條黃河(下游)不斷流的基本流量, 重要程度, ⅳ級; 一般情況下應不低于同期基準流量的10%, 極端情況下不低于5%。
(2) 90%保證率最枯月流量法: 90%保證率最枯月流量法, 是7q10 法的延伸。7q10 法是指采用90%保證率最枯連續7 d的平均水量作為河流最小流量設計值, 該方法傳入我國后主要用于計算污染物允許排放量。本研究采用1970~2000年31年實測水文系列, 計算90%保證率最枯月流量, 該系列基本涵蓋了黃河20世紀70年代以來的豐、平、枯水期, 具有較好的代表性。
2.2 環境需水量
根據黃河水污染特征和水流狀況, 選擇codcr和氨氮作為主要污染控制因子, 采用一維水質模型進行計算。河流納污水平和水質目標是計算環境水量的兩個重要輸入條件, 水質目標采用黃河干流水功能區劃目標, 河段納污水平按現狀納污水平、目標控制水平和污染可控水平三種情景設定。計算模型如下
q = σqici exp ( - kxi /8614u) ? σqics/cs ? c0 exp ( - kx /8614u)(1)
式中, q為計算河段上斷面需下泄流量(即所求環境水量) (m3 / s) ; qi 為旁側入流量(m3 / s) ; c0 為計算河段上斷面污染物濃度(mg/l) ; cs 為計算河段下斷面污染物濃度(mg/l ) ; ci 為旁側入流污染物濃度(mg/l) ; k為污染物綜合降解系數(1 /d) ; u為平均流速(m / s) ; x為計算單元長度( km) ; xi 為旁側入流i距下斷面距離( km) 。
3 環境水量計算結果及分析
現狀納污水平下環境水量即指研究河段在現狀納污狀況下, 稀釋污染物使河段水質滿足功能要求的水量。研究統計分析了2003年入黃排污口和入黃支流污染物實測入黃量, 職稱論文 個別支流根據多年監測資料進行調整。
目標控制水平是國家環保政策能完全落實的一種理想狀態, 即指研究河段所納污染源達標排放, 入黃支流滿足入黃水質要求, 在這種理想狀態下, 稀釋入黃污染物使河段水質滿足功能要求的水量。
所謂污染可控水平, 即考慮在現有的社會經濟發展、污染治理水平下, 全部實現達標排放難度極大,河流水功能區水質規劃目標的實現需要比較長的時間。因而需對污染可控水平進行研究, 意在找到流域經濟可持續發展和水域水環境承載能力的結合點, 即對研究河段污染源的可控制性進行研究, 也就是說要根據流域社會經濟發展水平、國家宏觀政策及相關規劃等,設定一些原則, 最后要達到的目的就是給出研究河段一些支流及排污口的控制指標, 從而確定河段納污水平。采用數學模型對上述三種納污水平下所需環境水量進行計算。并考慮河流水體的連續性及枯水徑流保證機率, 給出黃河干流重要水文站點環境水量要求。具體見表1。
通過上述環境水量的研究, 可以得出以下結論:
(1)現狀納污水平下, 黃河干流所需環境流量很大,在目前水資源條件下很難實現, 其水質達標不可能得到保證。(2)要實現黃河干流水體功能目標, 入黃支流必須滿足入黃水質目標要求, 入黃排污口必須滿足國家排放標準。(3)污染可控水平下, 龍門以上河段所需流量基本可以得到保證, 但龍門以下河段在枯水時段難以得到保證。
4 生態水量和環境水量的耦合研究
黃河的水生態和水環境功能, 各種生態功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環境功能之間存在著交叉和重復, 各種功能所需水量可以兼顧, 需對滿足多種功能需求的不同量級的水量進行耦合。考慮黃河生態系統特點及黃河水資源的調控性, 生態水量和環境水量耦合的原則如下。( 1 )全河段綜合考慮: 重要水文斷面流量整合時, 要考慮上下斷面之間流量的匹配性、水流演進等多種因素, 經綜合優化后給出。( 2)不考慮河段取水及水量損失: 黃河干流取水口眾多且分布復雜, 本研究關注的是生態基流, 對河段內取水以及因蒸發、滲漏等水量損失未予考慮。( 3)水質保證優先: 水質改善是河流生態系統恢復的首要目標, 只有良好水質保證的水資源才能滿足河流其他的生態功能和經濟功能。在考慮水質問題時, 適宜水量主要依據污染可控水平下環境水量, 而最小水量主要考慮目標控制下環境水量。( 4)水資源可調控性: 黃河干流已建和規劃修建的大型水利樞紐較多, 徑流可控性強, 在水量耦合時不但考慮水流的上下傳遞, 同時考慮大型水利樞紐的調節控制。( 5 )河口生態保護優先: 黃河下游生態水量的給出, 優先考慮河口近海生態、三角洲濕地生態和魚類洄游等需求。
根據上述耦合原則, 考慮河口近海魚類、河口三角洲濕地需要, 同時滿足各河段的水生態和水環境功能需求, 給出黃河干流10個重要水文站斷面的推薦水量, 生態環境水量耦合結果見表2。
5 小 結
(1)有關稀釋污染的環境水量研究是本次研究的重點, 也是我國北方河流面臨的現實問題。研究根據黃河水污染特征和水流狀況, 選擇codcr和氨氮作為主要污染控制因子, 采用一維水質模型進行計算, 研究方法帶有一定的探索性。本研究推薦的生態環境水量, 是在關注研究河段生態問題的同時, 著重解決水質保證問題, 只有水體質量變好了, 黃河生態系統才可以逐漸得以恢復。
(2)在當前黃河流域粗放式經濟發展模式下, 水資源的過度開發利用和污染超負荷排放, 是導致黃河生態危機的主要因素, 黃河面臨的一些生態問題無不由此而引發。研究中生態水量沒有和黃河主要保護物種的生態機理緊密聯系,留學生論文 這是本研究的一個缺陷, 但這也和黃河特殊的河情以及我國發展進程有關。在以后的研究中, 隨著相關資料的豐富和積累, 必將加強這方面的機理研究。
(3)河流的各種生態功能如棲息地功能、景觀功能等, 和環境功能之間存在著交叉和重復, 滿足各種功能的水量耦合是本研究的難點。研究優先考慮河口近海魚類、河口三角洲濕地生態需水, 提出了基于全河段綜合考慮、水質保證優先、黃河水資源的可調控性等水量耦合原則, 特別在水資源可調控性以及水生態與水環境保護目標耦合方面, 既符合黃河實際, 又具有水量調度的可操作性。
(4)黃河生態問題突出, 究其原因主要是水量貧乏、水資源的過度開發利用以及污染排放所致。要使黃河河道內保持一定的生態環境水量, 必須有一定的工程措施和非工程措施, 如實施調水工程補充黃河河道內生態環境水量, 提高水資源的利用效率, 加強區域產業結構優化調整和污染控制, 注重流域生態建設等措施來支撐和保證。
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