CN107261567B - 一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，即在泥面和固体边界组成的一个相对封闭的水体内，通过机械或射流洗刷，使泥水界面间沉积颗粒物分散于上覆水，同时产生固体边界限制的上覆水紊流。上覆水紊流充分荡涤紊流含有物，使得不同粒度的颗粒物进一步分散于上覆水。在重力和流体力作用下，沿重力方向形成粒度梯度分布。粗颗粒沉降覆盖底泥形成稳定的沉积层，细颗粒即悬浮颗粒经絮凝沉淀而转移出水。一段时间后水体可能清澈见底，满足沉水植物光照条件。对于春季未见沉水植物自然生长或较深的水域，应及时栽种沉水植物，逐步恢复水体的自清洁能力，促进水生态的转换。

Description

一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法

技术领域

本发明涉及一种水体富营养化治理和水生态修复技术，尤其涉及的是一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法。

背景技术

黑臭水体透明度低（<30cm）、营养水平高（氨氮>8.0mg/L），属于典型的富营养化水体。浅水型富营养水体生态转换过程中存在两种典型状态：一种为沉水植物占主导的草型清水稳态，另一种为藻类占主导的藻型浊水稳态；而黑臭水体还可能存在连藻类也不能生长的“泥沙浊水稳态”。从水体所能提供的服务功能来看，草型水体清澈见底、溶氧高、水质好，对于社会发展所需的资源与环境以及支撑社会经济活动具有更大的服务价值。因此，促进藻型浊水态水体向草型清水态转变一直是水体富营养化治理追寻的目标。通过外源污染控制和生物调控治理水体富营养化是工程界常用的方法。然而，减少外源营养负荷短期内并不一定能取得理想的效果，即使将外源营养盐输入降至水域受害前的水平，由于底泥积累的历史性负荷的长期影响，使得水域可能无法按照预想的轨迹恢复到未受损害前的草型清水状态。生物调控现在还处于试验阶段，其过程复杂、周期长，所采用的方法还要考虑物种间的相互影响、生物种群对地理环境的适应、水域生态安全等因素。

对于富营养水体，光照是影响水生植物生长的首要因素。在某一深度处，植物光合作用生产的有机物质可以补偿其自身呼吸作用的消耗，这一深度称为补偿深度。超过这个深度，植物光合作用弱，生产的有机质不足以补偿其自身呼吸作用的消耗而停止生长甚至死亡。补偿深度以上的水层称为真光带。黑臭水体真光带深度通常只有十几至数十厘米，对于水深超过1.0m的水体，沉水植物很难生长。

影响水体透光性的主要因素是浊度。当水体总磷浓度大于50μg/L时，随着浓度增加浊度急剧上升；当叶绿素a含量较高时，对浊度影响的权重也增加。但归根到底影响浊度的主要因素是水体悬浮物的浓度。悬浮物除了雨水径流输入和干湿沉降外，主要来源于泥-水界面强烈的物质交换。污染水体泥-水界面间的胶体状沉积泥一般含有大量极细的有机质颗粒，受到微小作用力（波浪引起泥-水界面摩擦、鱼儿追逐食物和底栖动物蠕动等）即可上泛且沉积缓慢，使得水体长期处于浑浊状态。因此，要提高水体透明度增加真光带的深度，关键在于除去泥水界面间的细颗粒污染物，构建高稳定度的泥-水界面。

发明内容

本发明提供了一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，增加真光带深度，满足沉水植物光照条件，促进藻型水体向草型清水态转变。

本发明技术方案通过以下步骤实现：

（1）确定水域不同质地底泥洗刷时间，取水域不同位点、具有不同特质的表层底泥进行模拟淘洗，确定其转移可悬浮颗粒物、形成高稳定度沉积层所需的时间。

（2）根据模拟洗刷结果，原位对整个水域各区域逐一进行底泥洗刷， a）在一个泥面和固体边界组成的相对封闭的水体内，通过机械或射流洗刷，使泥水界面间沉积污染物分散于上覆水，同时产生固体边界限制的上覆水紊流；b）泥面紊流的剪切应力使封闭水体围成的所有泥水界面间沉积污染物分散于上覆水；上覆水紊流充分荡涤紊流含有物，使得不同粒度的颗粒物进一步分散于上覆水（洗刷水）；c）通过重力和流体力作用，洗刷水中的颗粒物在垂直方向上形成粒度梯度分布；d）处于洗刷水下部的粗颗粒沉降，覆盖底泥形成新的高稳定度的沉积层；e）分散于上部洗刷水中的悬浮颗粒物随水泵出，完成泥水界面间易悬浮污染物的转移。

（3）根据底泥洗刷效果、水体透明度和沉水植物自然生长状况，采取相应的运维和预防方法，促进沉水植被逐步形成，实现黑臭水体生态系统向草型清水状态转换。

底泥模拟淘洗过程在小型底泥洗刷模拟实验装置（图1）内进行。取水域不同深度、不同泥厚，以及具有不同特质的各点5-10cm的表层底泥适量。所述洗刷釜装配有洗刷头，分散底泥于上覆水并产生上覆水湍流。上覆水紊流充分荡涤含有物，随着时间的延长，颗粒的分散度越来越高、表面洗刷得越干净。污水泵汲取上层淘洗底泥的污水送至二级过滤池进行污/水分离，清水泵回洗刷釜。记下所有底泥样本的淘洗时间，作为质地与之相同或相近的水域各位点的底泥洗刷时间。编制整个水域底泥洗刷程序。

水域原位底泥洗刷所需装置由一座可移动水上平台和悬挂在平台前端的水下箱体组成（图3）。所述箱体为长方体、敞口，作业时倒扣泥面，箱体重量由短壁面（箱体移动方向）下沿固接的承载板承载。承载板的宽度由箱体对泥面的压强确定，作业时使得箱体不至于深陷泥中。

所述水下箱体长壁面垂直方向设置若干挡流板，与短壁面、顶盖和泥面构成固体边界限制的高湍度紊流的水力学构型。 箱体内设置洗刷机构，包括与泥水界面接触的一组洗刷头或一排射流管。洗刷头由机械臂驱动在导轨中往复滑动。

水上平台配有动力、箱体起吊摇臂、机械臂驱动机构，以及污/水分离槽。所述污/水分离槽包括混凝池和沉淀池。所述混凝池包括与水下箱体顶盖固接的潜水泵、连接管道，以及絮凝剂投加机构和搅拌浆。所述沉淀池包括上层清水集水管和抽取沉积污泥的污泥泵，上层清水通过集水管返回水体，而沉淀的絮体（污泥）定期清出转移上岸

作业时，所述平台抵达预定位置。放下箱体，启动洗刷机构、潜水泵和污/水分离程序。所述洗刷机构分散泥水界面间沉积污染物，同时产生上覆水紊流。泥面紊流的剪切应力进一步分散箱壁围成的所有泥水界面间沉积污染物；上覆水紊流充分荡涤紊流含有物，使得不同粒度的颗粒物进一步分散开来，在垂直方向上形成粒度梯度分布；处于洗刷水下部的粗颗粒沉降，覆盖底泥形成新的高稳定度的沉积层；分散于上部洗刷水中的悬浮颗粒物由潜水泵泵出、经管道输送至水上平台进行污/水分离，完成泥水界面可悬浮颗粒物的转移。，，

当该位置底泥洗刷时间达到模拟淘洗时间后，洗刷机构停止驱动，污/水分离持续进行。起吊箱体使得承载板离开泥面；移动平台，在与上一位置相邻的位置放下箱体，启动洗刷机构重复作业。如此循环，直到整个水域泥水界面间可悬浮颗粒转移出水、构建高稳定度沉积层，提高水体透光性，满足沉水植物生长的光照条件，促进沉水植物自然生长。

在底泥处置和其后的系统运维中，随时观察透明度，对清澈见底的局域检查沉水植物自然萌发和生长状况，缺乏种源的应补种；对水深大于真光层深度的局域，可补栽一定苗高的沉水植物。促进沉水植被逐步形成，实现污染水体生态向草型清水稳态转换。

与现有技术比较本发明具有以下优点：（1）工艺温和：不影响底栖生物、不干扰周边水体；（2）一举多得：重构高稳定度沉积层，阻挡底泥污染释放，改善水质，提高透明度；（3）路径快捷：污染水体生态转型技术复杂、路径长。本发明路径快捷，可在一年内实现浅水型生态系统浊水-清水稳态转换；（4）生态安全：纯物理方法，无化学品入水，无次生污染。

附图说明

图1、底泥洗刷模拟实验装置。图中，1a—底泥，2a—洗刷头，3a—洗刷水，4a—电机，5a—污水泵，6a—第一道过滤，7a—第二道过滤，8a—清水池，9a—清水回流泵，10a—洗刷釜。

图2、实验装置对不同水体底泥模拟洗刷前后的形貌。图中，1—巢湖派河入湖口底泥，左上图（C0-5洗前）为0-5cm深度底泥洗前形貌，右上图（C0-5洗后）为洗后形貌，左下图（C5-10洗前）为5-10cm深度底泥洗前形貌，右下图（C5-10洗后）为洗后形貌；2—稻香楼水体0-10cm深度底泥洗刷前（左图）后（右图）形貌；3—银河公园水体0-10cm深度底泥洗刷前（左图）后（右图）形貌；4—连云港市3条黑臭水体底泥洗刷前（上图）后（下图）形貌比较，其中1#是龙尾河底泥，2#是大浦河底泥，3#是大浦副河底泥。

图3、实用底泥洗刷装置原理图。图中，1—底泥，2—洗刷机构承载板，3—洗刷头，4—壁挡板，5—洗刷水，6—污水泵，7—弹性吊绳，8—可移动平台甲板，9—传动（摆动）机械臂，10—搅拌桨，11—絮凝剂投加机构，12—混凝池，13—沉淀池，14—污泥，15—清水排口。

图4、实施例1所述实验水池生态状态转换。图中，1—洗刷底泥（右图）与对照底泥（左图）烘干后的形貌，2—实验水池现状草型清水态（左图）与对照水池（右图）藻型浊水态对比。

图5、实施例2所述某城市公园水体生态修复实况图。图中，左——底泥洗刷一年后自然形成的沉水植被，右——治理前的状况。

图6、实施例3所述渤海湾某国家湿地公园排洪河应急整治的实况图。图中，左——底泥洗刷一年后沉水植物自然生长，右——底泥洗刷期间两次洪水冲倒石笼。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1、实验水池从藻型浊水态向草型清水态转换的实例

本实施例将长8米、宽2米、深1.5米的储水池一分为二，分别作实验池和对照池。从合肥市南淝河运来沉积泥作为底泥，铺池底厚20cm。上覆水由附近水塘泵入，水深1m。两个水池初始总氮4.764mg/L、总磷0.548mg/L、透明度20cm，属于重度富营养化水体。

实验池的底泥扰动采用气体射流，洗刷水经沙滤回流。试验完成后静置1天，取两池表层0~5cm的底泥观察。实验池泥质松散、含沙量多。取20g泥放入500mL自来水烧杯中搅拌，15分钟后水基本澄清。对照池泥质成团、粘性大，在烧杯中加水搅拌，一周后也未完全澄清。将两池底泥烘干，如图4（1）所示，实验池底泥干重15.87g/kg（湿重），多由~0.1mm的沙粒组成，对照池底泥干重9.32g/kg（湿重），干裂、鲜见沙粒，可见洗刷后的底泥结构松散，含水量低；而对照底泥粘性大含水量高。

实验池水体逐渐变清，16天后可见底。当年秋季，池底可见少量沉水植物生长，到第二年秋季沉水植被基本形成。至今（五年后）实验池仍维持草型清水状态，叶绿素a为7μg/L，总氮1.36mg/L、总磷0.04mg/L。而对照池至今仍处于富营养化状态，叶绿素a为155μg/L，总氮2.41mg/L、总磷0.12mg/L。图4（2）为实验水池（左图）现状草型清水态与对照水池藻型浊水态（右图）对比图。

实施例2、某公园水体生态修复

长江南岸某城市公园水体位于市中心，由南小湖和北大湖组成，水深1.5~1.9m、水面7.5万m²。2006年以后，水体呈现重度富营养化状态，水质为劣V类，常年均有水华发生并伴有黑臭。曾经采取清淤和自来水补水等措施，富营养化状态仍未消除。2012年8月设计加工了如图3所示的底泥原位洗刷装置，水上平台长15m、宽4m，吃水深度0.6m。半潜式洗刷水净化池长8m、宽2m、深0.6m；水下箱体长（行进方向）0.4m、宽4m、高0.5m，底泥扰动采用洗刷头机构。底泥洗刷先在南小湖（面积约2.5万m²）运行75天，水体变清；春节后转移到北大湖运行5个月至9月验收。8月，该市环境监测站取水检测，主要水质指标由治理前的劣V类提升到III类。

第二年春季，南小湖沉水植物自然生长，底栖植被占水面约40%；秋季北大湖沉水植物约占水面20%，促进了公园水体从藻型浊水态向草型清水态转变。图5显示该水体底泥洗刷完工一年后自然形成的沉水植被（左图），与治理前状况（右图）形成鲜明对比。

实施例3、渤海湾某国家湿地公园排洪河应急整治

渤海湾某国家湿地公园是世界四大候鸟迁徙通道之一，每年吸引国内外鸟类专家、学者和爱好者前来研究和观鸟，地理位置十分重要。然而，近年来园区水体受到严重污染，特别是两条穿园而过的市区排洪河蓝藻泛滥、黑臭现象严重。

两条河流经园区的长度分别为1.3km和0.9km、宽10~30m、水深1.0m~2.5m。由于抵近河道的道路窄且拐弯半径小、河上桥梁木栈道多，如直接使用实施案例2所述的装置，抵达施工现场的运输、吊装，以及运行都不可行。2015年5月设计加工了三套适应不同河道结构的底泥处置简易装置。装置由浮块拼装成供一人操作的水上平台，洗刷箱体吊挂在平台上。为不妨碍鸟类栖息，平台不带发电机而由岸边临时布设的配电箱供电。洗刷水则直接喷入距河岸20m以外的林地，经林下地被植物过滤，清水返流河道。装置6月1日运行，8天后先行洗刷的河段水体变清。两条河道底泥处置工程历时25天，感官和景观效果有较大提升，确保了两条河道7、8两个月对外开放时水体较清澈，无藻华、无黑臭现象发生。

冬季（12月至次年2月）河水结冰，第二年河水化冻不久，就观察到沉水植物生长；到秋季，沉水植被占水面约20%。

值得提出的是，施工第11天遇一场暴雨，市政排洪涌入大量漂浮物。为此，在河道入园口构筑了石笼；工程完工后的第四天又一场暴雨冲倒石笼。尽管如此，第三方于第二场暴雨19小时后取样检测：总氮、总磷和底泥中的有机质去除率分别达到64.8%、78.8%和80.9%；一年后，总氮、总磷和底泥中的有机质又下降了54.3%、93.6%和71.8%，说明沉水植被的形成使河道水体自洁能力得到一定程度的恢复。

图6所示，左图为工程完成一年后沉水植物自然生长，右图为底泥洗刷期间两次洪水冲倒石笼。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）确定水域不同质地底泥的洗刷时间，取水域不同位点、具有不同特质的表层底泥进行模拟淘洗，确定其转移可悬浮颗粒物、形成高稳定度沉积层所需的时间；

（2）根据不同质地底泥所需的洗刷时间，原位对整个水域各区域逐一进行底泥洗刷，a）在一个泥面和固体边界组成的相对封闭的水体内，通过机械或射流洗刷，使泥水界面间沉积污染物分散于上覆水，同时产生固体边界限制的上覆水紊流；b）泥面紊流的剪切应力使封闭水体围成的所有泥水界面间沉积污染物分散于上覆水；上覆水紊流充分荡涤紊流含有物，使得不同粒度的颗粒物进一步分散于上覆水/洗刷水；c）通过重力和流体力作用，洗刷水中的颗粒物在垂直方向上形成粒度梯度分布；d）处于洗刷水下部的粗颗粒沉降，覆盖底泥形成新的高稳定度的沉积层；e）分散于上部洗刷水中的悬浮颗粒物随水泵出，完成泥水界面间易悬浮污染物的转移；

（3）根据底泥洗刷效果、水体透明度和沉水植物自然生长状况，采取相应的运维和预防方法，促进沉水植被逐步形成，实现黑臭水体生态系统向草型清水状态转换。

2.根据权利要求1所述一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，取水域不同位置、具有不同特质的表层底泥适量，放入模拟实验装置洗刷釜内加水淘洗，所述洗刷釜配有洗刷头，洗刷头分散底泥于上覆水并产生上覆水紊流，污水泵汲取洗刷釜上层污水送入过滤池，清水返回洗刷釜，如此循环，直到洗刷釜中沉降层呈现清晰的泥水界面为止；记下所有底泥样本的淘洗时间，作为质地与之相同或相近的水域各位点底泥的洗刷时间。

3.根据权利要求1所述一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，水域原位底泥洗刷所需装置包括一座水上可移动平台和由弹簧吊绳悬挂在平台前端的水下箱体；所述箱体为长方体、敞口、作业时倒扣泥面，由箱体移动方向两侧壁下沿固接的承载板承载；所述水上平台配有动力、箱体起吊机构、机械臂驱动机构，以及污/水分离槽。

4.根据权利要求3所述一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，所述箱体长壁面垂直方向设置若干挡流板，与短壁面、顶盖和泥面构成固体边界限制的高湍度紊流的水力学构型；箱体内设置洗刷机构，包括与泥水界面接触的一组洗刷头或一排射流管；洗刷头由机械臂驱动在导轨中往复滑动。

5.根据权利要求3所述一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，所述水上平台污/水分离槽包括混凝池、沉淀池；所述混凝池包括与水下箱体顶盖固接的潜水泵、输送洗刷水的管道，以及絮凝剂投加机构和搅拌浆；所述沉淀池包括上层清水集水管和抽取沉积污泥的污泥泵，上层清水通过集水管返回水体，而沉淀的絮体定期清出转移上岸。

6.根据权利要求1或权利要求3所述的一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，水域某一位置达到预设底泥洗刷时间后，停止洗刷，污/水分离持续进行；起吊箱体使承载板离开泥面，移动平台，在相邻的下一位置放下箱体，启动洗刷机构；如此循环重复，直到整个水域泥水界面间可悬浮颗粒转移出水。

7.根据权利要求1所述的一种提高黑臭水体透明度促进沉水植物自然生长的方法，其特征在于，随时观察透明度，对清澈见底的局域检查沉水植物自然萌发和生长状况，缺乏种源的应补种；对水深大于真光层深度的区域，补栽一定苗高的沉水植物；促进沉水植被逐步形成，实现污染水生态向草型清水稳态转换。

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