河道整治中水生生态系统的构建

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1、河道整治中水生生态系统的构建目录1概述1.1 水生生态系统 1.2 围隔 31.3 生物操纵法 31.3.1 定义 31.3.2 生物操纵基本原理 41.3.3 生物操纵理论发展综述 41.3.4 生物操纵运用进展 51.4设计原则 61.5 环境现状调查 61.6应用限制 61.7 预处理 72 水生生态系统构2.1 围隔结构组成 72.2 设计要求 82.3 水生生态系统结构设计 93运行管理措施 103.1 日常维护 103.2 水质及生态系统结构维护 10河道整治中水生生态系统的构建1 概述1.1 水生生态系统是地球表面各类水域生态系统的总称。水生生态系统中栖息着自养生物 （藻类、水草

2、等）、异养生物（各种无脊椎和脊椎动物）和分解者生物（各种 微生物）群落。各种生物群落及其与水环境之间相互作用，维持着特定的物质 循环与能量流动，构成了完整的生态单元。1.2 围隔用塑料薄膜等材料在水体中围出具有一定体积、内含现场水、泥和各种生 物群落的可控生态单元。1.3生物操纵法1.3.1 定义生物操纵法分经典的和非经典的生物操纵 2 种。经典的生物操作法，就是通过改变捕食者（鱼类）的种类组成或多度来操纵 植食性的浮游动物群落的结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物，特别 是枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，可提高水的透明度，改善水质。 主要运用于小型的、封闭的、且浮游植物群落不是由水

3、华蓝藻而是由绿球藻、 小型硅藻和包括隐藻在内的鞭毛藻等组成的浅水水体。由于水体中的浮游动物 普遍存在且存在时间较长，与浮游植物具有同步性，春末的“清水期”表现出 了自然的生物操纵作用；并且浮游动物种群变化迅速，对藻类水华的突然爆发 具有针对性。非经典性的生物操纵法是以滤食性鱼类为基础的，通过控制凶猛鱼类或放 养食浮游生物的滤食性鱼类（鲢、鳙）来直接取食藻类特别是蓝藻水华的生物 操纵。1.3.2 生物操纵基本原理生物操纵也称食物网操控，其基本原理是通过对水生生物群及其栖息地的 一系列调节，以改变水生生态系统中营养级间相互作用，最终促使浮游植物生 物量下降。1.3.3生物操纵理论发展综述国外对水体

4、富营养化研究已有数十年研究历史。长期实践形成了截污+生态 恢复的治理策略。大量现象表明，对于浅水湖泊来说，单独截污措施并不能使 污染水体富营养化状况显著改善，原因是沉积物中的氮磷营养元素会释放到水 体，使得藻型浊水稳态得以维持。而大型水体进行底泥疏浚成本太高，而且疏 浚过程打破泥水界面平衡，有时反而加重水体的富营养程度。早在上世纪六十 年代，Hrbacek等(1961)发现鱼类群落结构变化对水质和营养水平有显著影响， 提出浮游植物的生物量不仅与营养物质负荷有关，而且取决于鱼，鱼的存在将 会减少浮游动物的数量，转而引起浮游植物生物量的增加。Shapiro 等在1975 年正式提出生物操纵方法的理

5、念，即增加肉食性鱼类， 通过捕食作用减少浮游生物食性鱼类，操纵植食性的浮游动物群落结构，促进 大型滤食性浮游动物种群得以增长，特别是枝角类种群的发展，从而促进其对 浮游植物的摄食，降低水体浮游植物密度，增加透明度和溶氧，使沉水植被得 以恢复，从而加速水体从藻型稳态向草型清水稳态转换，恢复健康的水生态系 统。这种方法也被称作食物网操纵。具体方法为减少50%100%的浮游生物 食性鱼类或者高密度放养肉食性鱼类来减少浮游生物食性鱼类。具体操作多有 化学方法(如鱼藤酮)毒杀、电捕、选择性网捕、垂钓、增加鱼食性鱼类控制或 清除以浮游生物和底栖生物为食的鱼类来促进大型浮游动物发展。1985年，生物操纵理论

6、又有了新的发展，Carpenter等提出了营养级联反 应，这一观点是对生物操纵理论的有利补充，它引入了营养物质的作用，认为 综合生态系统是由营养物质和高级捕食者共同调节的。这一学说的主要观点 是，某一营养级的生产力由其捕食者的生物量限定；食物网顶端生物静群的变 化，通过体型大小的选择性捕食，在营养级中自上向下传递，对初级生产力产 生较大影响。1986年，McQueen等提出了上行-下行理论，综合了资源的影响（营养物质- 浮游植物-浮游动物-鱼类的上行作用）和捕食者（鱼类种群生物量和组成变动的下 行作用）。该理论认为，营养物质决定最大可达生物量，但实际的生物量取决 于上行力与下行力共同决定，而非

7、营养物质单独决定的。 1.3.4生物操纵运用进展经典生物操纵已经在北美、欧洲、大洋洲的富营养水体进行了多年大量应 用实践。基于对欧美生物操纵案例分析， Sierp 等总结出经典生物操纵技术易于 成功的条件：水体透明度冬春季节交替明显、面积不宜过大以防风浪扰动大、 浅水水体（平均水深3m）、磷80150“g/L、有大型滤食性浮游动物如枝角类 大型溞属Daphnia、鱼类现存量50100kg/ha、避免高浓度蓝藻水华 （80000cells/mL）、沉水植被后期能恢复到水体总面积的25%以上。并且，他同 时指出，这些条件与欧美的气候条件、鱼类、滤食性浮游动物的种类特点密切 相关，在其他地区可能会因

8、地而异。近二十多年来，我国对湖泊富营养化治理研究也积累了不少研究资料。特 别是近年来随着国家水污染治理专项研究的开展，我国湖泊富营养化治理形成 了在流域规模上控源（内源、外源）+水生态恢复的思路。但在水生态恢复研究方 面，由于我国湖泊以微囊藻为主的蓝藻水华比较严重，考虑到经典生物操纵中 大型滤食性浮游动物对微囊藻等大型浮游植物摄食作用弱，因此经典生物操纵 方法的研究没有受到重视。上世纪九十年代，针对我国的水污染特点，中科院 水生所刘健康、谢平为主的科学家提出了广受关注的“非经典生物操纵”理 论，即利用我国特有的鲢、鳙滤食性鱼类直接摄食水华藻，达到控制水华的目 的。非经典生物操纵的实践效果来看，

9、即有成功的，也有不明显的。由此带来 一些质疑，比如鲢、鳙等滤食性鱼类同时摄食大型滤食性浮游动物、其排泄物 会加速营养返回水体、以及造成浮游植物小型化而Chia和氮磷下降不明显等， 且不容忽视的是，非经典生物操纵最关键的条件是，滤食性鱼类的生物量必须 达到 50g/m3 才有效果，这在许多湖泊中是很难达到的，对于某些湖泊来说，大 量放养鲢鳙甚至会成为入侵种，对当地的土著鱼类种群构成威胁。非经典生物 操纵的提出者谢平教授等强调，这种措施只适合用于较大个体浮游植物种类如微囊藻、丝状蓝藻）的控制，而对小型浮游植物的控制并不有效。实践结果表明，生物操纵技术的实施能增加水体透明度、降低浮游植物密 度、增加

10、下层水体溶氧、增加生物多样性，使水体恢复健康生态系统，已成为 富营养化浅水湖泊生态恢复的核心理论和有效措施，获得广泛认同，并且其应 用范围和条件也在进一步扩展。1.4设计原则水生生态系统构建设计应遵循以下原则：（1）利用围隔，控制水生生态系统构建范围；（2）所构建的水生生态系统结构不应过于复杂；（3）结合其他水环境生态修复工程；（4）维护简单，费用低。1.5环境现状调查由于生物操纵具有一定的特殊性，因此设计前应充分掌握项目所在地的地 理位置、气温、降雨量、日照、风速、无霜期、水文、水温、水质、水功能区 划、水生生态现状等资料，同时应注意项目涉及水体是否具有防洪、灌溉、航 运、水产、旅游等功能。

11、1.6 应用限制相比利用物理和化学方法技术净化水体，生物操纵法具有经济方便、能耗 低的特点，且收效显著、环保效益好等特点，但仍有以下限制：（1）主要应用于富营养化浅水湖泊，河流中应用较少，有热 分层的深水湖泊中应用效果不明显。（2） 一般条件下，水体中TP浓度应低于0.25mg/L，在N元 素为水体营养限制因素时，TP浓度应低于0.79mg/L；水体中TN浓 度适应范围一般为2.015.0mg/L。（3）时间每年36月份，水温1523C条件下效果较好。（ 4） 如水体水华藻类为蓝藻，则生物操纵难以成功。由于水生生态系统具有复杂性，单纯利用生物操纵难以长期、显著地达到 水环境治理目标，需配合其他

12、辅助措施。1.7 预处理 水生生态系统构建前，应尽量针对构建区域生境进行预处理。预处理包括 工程区杂草清理、场地平整、消毒等措施。(1) 底质消毒与改良 根据需要对整个构建区包括沿岸的土壤进行消毒处理，消毒剂采用生石 灰，其使用量应不小于100g/m2，选择晴天施用。消毒剂的泼洒应均匀、不遗 漏，确保整个施工区域的土壤都进行彻底的消毒。生石灰泼洒完毕后，需暴晒 一周。同时配合使用底质改良剂对土壤进行改良处理，以满足水生植物的种植 要求。(2) 平整 采用人工和机械相结合的方法，对构建区域底部进行平整。平整过程中， 需清理大块的建筑垃圾、树枝等各类影响植物种植的各种杂物。(3) 拦网或围隔 主要

13、针对构建区的水体沟通处采取拦网或围隔措施对污染物进行拦截，以 控制构建区的范围和水质稳定。2 水生生态系统构建 在不便进行预处理的水域，可直接使用利用围隔，控制水生生态系统构建 范围。2.1围隔结构组成围隔主要组成部分为浮体、围隔裙体、裙体下部配重和桩体 4 部分组成， 工程应用过程中为方便生产、组装、布放和维护等，常将浮体、裙体和配重制 成相对独立的围隔单元，再由扣搭等将若干围隔单元连接起来，使用灵活。浮体一般露出水面，主要为围隔裙体提供浮力，兼具拦截水面漂浮杂物、 浮叶植物和藻类等功能。目前制作浮体的材料类型、形式均多样化，工程上常 用抗老化PVC布、尼龙布包裹硬泡沫组成；外形有圆柱状、水

14、滴状、球状等, 可结合工程目标和景观需要确定。围隔裙体立于水体中，起到阻隔围隔内外水体交换的功能。多采用宽幅彩 塑布、土工布或其它复合型材料。也有大型围隔工程使用硬性材料，可增加稳 定性，但也有施工复杂、价格相对软性材料较高、不能随水面变化上下浮动等 缺点。综合软性材料和硬性材料优点，裙体可由加筋布缝制而成，配合加筋带 加强拉力，以一定长度分段通过夹板加固，接头由毛刺接合并用绳索拴系。裙体下部配重具有保持裙体垂直、确保在风浪作用下不离开水底的功能。 一般使用材料有沙袋、石笼、铁链等重物。桩体具有确保围隔不被水流或风浪带走，固定围隔范围的功能。一般使用 材料有木桩、毛竹、钢材等，下部夯入河、湖等

15、底部泥土中。将围隔裙体上制 作的锚环或绳索固定于桩体上，即可保持稳固。2.2设计要求围隔可根据工程目标、水生生态系统构建范围、水深及其它特殊需要向厂 家定制，围隔一般要达到以下要求：(1) 围隔工程可抵御一定高度风浪袭击；(2) 可随湖泊水位变化而上下浮动；(3) 浮体可抗紫外辐射，3 年时间基本不发生老化现象；(4) 与沿岸或桩体连接需做技术处理，保持稳定；(5) 选择的浮体不发生塌陷，并保持围隔美观。围隔设计要求及有关实例见表 1.3-1所示。围隔设计要求及实例参考一览表表 1.3-1特性要求某厂家供应围隔参考总高度(mm)根据水位而定900干舷(mm)根据浮体需要而定300裙体高度根据水

16、位而定根据水位而定单体节长(m)根据工程需要确定20抗拉强力(kN)不低于40kN65单体重量(kg)根据材料确定8.4浮重比根据材料确定6.2抗波高(m)不低于1m1.8抗风速(m/s)不低于15m/s18抗流速不低于1.5m/s2桩体高度(m)根据工程需要及水深确 定无2.3水生生态系统结构设计水生生态系统构建主要通过使用围隔确定构建区域，在该区域内设计水生 植物、浮游动物、底栖动物、鱼类等生物群落，最终形成完整的具有一定稳定 性、自维持功能的生态系统。其中水生植物设计部分可参考水生植物群落构建 技术导则，本导则重点介绍水生动物设计。(1) 动物种类浮游动物种类主要有以藻类为食的枝角类和轮

17、虫类，如溞状溞 Daphnia、 象鼻溞Bosmina等，枝角类投放前可驯养2个月(光照45pmolm-2s-l,光暗比 14h L:10h D),喂以112pm的浮游生物网过滤四次的湖水，并定期添加斜生栅 藻(S. obliquus)和蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)。将准备好的大型浮游动 物投加至围隔中,使其密度达到 100ind./L。底栖动物有可滤水性的河蚌、河蚬、螺蛳等,可购买。鱼类以滤食性(白鲢、花鲢)和杂食性的鱼类为主,待水生植物成活后再 投放少量的草食性鱼类(如草鱼)。通过水体滤食性鱼类对藻类的摄食以及水 生植物对营养物质的吸收、水生动物对营养物质的转

18、移及富集,最终达到水质 净化的目的。(2) 投放时间鱼种最适宜的放养时间在当年12月至次年2月底。投放夏花的最佳时间为6月,其余大型水生动物可在12月底至1月中旬进行投放。底栖动物对投放时间没有严格要求。水生动物种类投放密度特性鱼类鲢、鳙3050 g/m3上层鱼类，滤食性，营养级联作用 控制藻类大量繁殖。细鳞斜颌鲴底层鱼类，杂食性鱼类，能摄食底 层丝状藻类。草鱼草食性鱼类，合理的数量能保证沉 水植物的生长，又能控制恣意蔓 延。底栖动物环棱螺2040 g/m2刮食性，水底附着生活。分泌粘液 絮凝水中悬浮物质，增加透明度。河蚬滤食性，水底埋栖生活，滤食水体 中藻类和悬浮物质，净化水质。河蚌滤食性，

19、水底埋栖生活，滤食水体 中藻类和悬浮物质，净化水质。三角帆蚌滤食性，水底埋栖生活，滤食水体 中藻类和悬浮物质，净化水质。虾类青虾2040 g/m2（参考 底栖动物）摄食有机碎屑浮游动物轮虫根据现场水体环4*亡 aa* nn捕食藻类、小型浮游动物等，也捕 食其他轮虫、甲壳类等较大浮游生 物。枝角类境等因糸而定滤食水中的细菌，单细胞藻类和原 生动物。3运行管理措施3.1 日常维护定期检查围隔，发现损坏应及时修理或更换围隔单体。对水体内的垃圾杂物、树叶、动物残尸等进行清理和打捞。观察指标性生 物是否正常。除草工作，主要是割除湿地内、岸边的野草等，维持挺水植物、 湿地植物的基本景观并避免入侵性或外来性植物影响水生植物的生长。3.2 水质及生态系统结构维护定期对工程区水质进行检测，依据水质检测结果判断水质变化趋势，以便 采取相应补充措施。水生植物的维护是针对原位生物修复部分所栽种的水生植物。对于水生植 物的维护包括杂草清除、水生植物修剪、植物残体清理和枯死水生植物补种， 以保持水生植物群落的稳定性。对水生动物的维护包括：捕捞和放养工作。对于水生动物的维护应及时清 捞动物残尸并视具体情况适量补充，对总量过多、单一物种优势过于明显、雌 雄比失调等现象，采取轮捕轮放地方式进行水生动物的管理，确保生物链的结 构稳定和生物操纵的持续效果。11