本發(fā)明涉及一種水體富營養(yǎng)化治理和水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，尤其涉及的是一種提高黑臭水體透明度促進(jìn)沉水植物自然生長的方法。

背景技術(shù)：

黑臭水體透明度低(<30cm)、營養(yǎng)水平高(氨氮>8.0mg/l)，屬于典型的富營養(yǎng)化水體。淺水型富營養(yǎng)水體生態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在兩種典型狀態(tài)：一種為沉水植物占主導(dǎo)的草型清水穩(wěn)態(tài)，另一種為藻類占主導(dǎo)的藻型濁水穩(wěn)態(tài)；而黑臭水體還可能存在連藻類也不能生長的“泥沙濁水穩(wěn)態(tài)”。從水體所能提供的服務(wù)功能來看，草型水體清澈見底、溶氧高、水質(zhì)好，對(duì)于社會(huì)發(fā)展所需的資源與環(huán)境以及支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有更大的服務(wù)價(jià)值。因此，促進(jìn)藻型濁水態(tài)水體向草型清水態(tài)轉(zhuǎn)變一直是水體富營養(yǎng)化治理追尋的目標(biāo)。通過外源污染控制和生物調(diào)控治理水體富營養(yǎng)化是工程界常用的方法。然而，減少外源營養(yǎng)負(fù)荷短期內(nèi)并不一定能取得理想的效果，即使將外源營養(yǎng)鹽輸入降至水域受害前的水平，由于底泥積累的歷史性負(fù)荷的長期影響，使得水域可能無法按照預(yù)想的軌跡恢復(fù)到未受損害前的草型清水狀態(tài)。生物調(diào)控現(xiàn)在還處于試驗(yàn)階段，其過程復(fù)雜、周期長，所采用的方法還要考慮物種間的相互影響、生物種群對(duì)地理環(huán)境的適應(yīng)、水域生態(tài)安全等因素。

對(duì)于富營養(yǎng)水體，光照是影響水生植物生長的首要因素。在某一深度處，植物光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)可以補(bǔ)償其自身呼吸作用的消耗，這一深度稱為補(bǔ)償深度。超過這個(gè)深度，植物光合作用弱，生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)不足以補(bǔ)償其自身呼吸作用的消耗而停止生長甚至死亡。補(bǔ)償深度以上的水層稱為真光帶。黑臭水體真光帶深度通常只有十幾至數(shù)十厘米，對(duì)于水深超過1.0m的水體，沉水植物很難生長。

影響水體透光性的主要因素是濁度。當(dāng)水體總磷濃度大于50μg/l時(shí)，隨著濃度增加濁度急劇上升；當(dāng)葉綠素a含量較高時(shí)，對(duì)濁度影響的權(quán)重也增加。但歸根到底影響濁度的主要因素是水體懸浮物的濃度。懸浮物除了雨水徑流輸入和干濕沉降外，主要來源于泥-水界面強(qiáng)烈的物質(zhì)交換。污染水體泥-水界面間的膠體狀沉積泥一般含有大量極細(xì)的有機(jī)質(zhì)顆粒，受到微小作用力(波浪引起泥-水界面摩擦、魚兒追逐食物和底棲動(dòng)物蠕動(dòng)等)即可上泛且沉積緩慢，使得水體長期處于渾濁狀態(tài)。因此，要提高水體透明度增加真光帶的深度，關(guān)鍵在于除去泥水界面間的細(xì)顆粒污染物，構(gòu)建高穩(wěn)定度的泥-水界面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種提高黑臭水體透明度促進(jìn)沉水植物自然生長的方法，增加真光帶深度，滿足沉水植物光照條件，促進(jìn)藻型水體向草型清水態(tài)轉(zhuǎn)變。

本發(fā)明技術(shù)方案通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)在一個(gè)泥面和固體邊界組成的相對(duì)封閉的水體內(nèi)，通過機(jī)械或射流洗刷，使泥水界面間沉積污染物分散于上覆水，同時(shí)產(chǎn)生固體邊界限制的上覆水紊流；

(2)泥面紊流的剪切應(yīng)力使封閉水體圍成的所有泥水界面間沉積污染物分散于上覆水；上覆水紊流充分蕩滌紊流含有物，使得不同粒度的顆粒物進(jìn)一步分散于上覆水(洗刷水)；

(3)通過重力和流體力作用，洗刷水中的顆粒物在垂直方向上形成粒度梯度分布；

(4)處于洗刷水下部的粗顆粒沉降，覆蓋底泥形成新的高穩(wěn)定度的沉積層；

(5)分散于上部洗刷水中的懸浮顆粒物隨水泵出，完成泥水界面間易懸浮污染物的轉(zhuǎn)移。

所需裝置由一座可移動(dòng)水上平臺(tái)和懸掛在平臺(tái)前端的水下箱體組成。所述固體邊界包括箱體的長壁面、短壁面、頂蓋和泥面；所述長壁面上垂直設(shè)置若干擋流板，形成壁面限制的高湍度紊流的水力學(xué)構(gòu)型。湍流的湍度越高，顆粒物翻滾、相互碰撞或摩擦越劇烈，有效洗脫面積越大。這樣，隨著蕩滌時(shí)間的延長，顆粒的分散度越高、洗脫得越干凈。

所述箱體上設(shè)置洗刷機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)件、承載板以及潛水泵，所述洗刷機(jī)構(gòu)包括與泥水界面接觸的一組洗刷頭或一排射流管；所述傳動(dòng)件包括機(jī)械臂和導(dǎo)軌，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)洗刷頭在導(dǎo)軌中滑動(dòng)(擺動(dòng))，洗刷泥面并擾動(dòng)上覆水產(chǎn)生紊流；所述承載板安裝在箱體移動(dòng)方向兩側(cè)壁下端；所述潛水泵安裝在箱體的頂部，抽取洗刷水經(jīng)管道輸送至水上平臺(tái)污/水分離槽。承載板的寬度由箱體對(duì)泥面的壓強(qiáng)確定，使得箱體不至于深陷底泥中。

所述水上平臺(tái)配有動(dòng)力、水下箱體起吊搖柄、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及污/水分離槽，所述污/水分離槽包括混凝池和沉淀池，所述混凝池包括絮凝劑投加機(jī)構(gòu)和攪拌漿，使得洗刷水含有物充分混凝形成絮體，絮體在沉淀池沉淀，所述沉淀池包括上層清水集水管和抽取沉積污泥的污泥泵，上層清水通過集水管返回水體，而沉淀的絮體(污泥)定期清出轉(zhuǎn)移上岸，完成某一位置泥水界面間沉積的懸浮顆粒物的轉(zhuǎn)移過程。

取水域不同點(diǎn)、具有不同特質(zhì)的底泥，采用圖1所示的模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行洗刷，模擬泥水界面懸浮顆粒物轉(zhuǎn)移過程，確定水域各點(diǎn)的底泥洗刷時(shí)間，制定整個(gè)水域的底泥洗刷程序。洗刷時(shí)間以達(dá)到圖2所示的洗刷效果為適宜。

對(duì)于實(shí)際水體的底泥洗刷，通常采用圖3所示的洗刷裝置。水域某一位置達(dá)到預(yù)設(shè)底泥洗刷時(shí)間后，洗刷機(jī)構(gòu)停止驅(qū)動(dòng)，污/水分離持續(xù)進(jìn)行，起吊水下箱體使得承載板離開泥面，移動(dòng)水上平臺(tái)至相鄰位置，放下水下箱體，驅(qū)動(dòng)洗刷機(jī)構(gòu)，在新的位置上開始下一輪的底泥洗刷，如此循環(huán)重復(fù)，直到整個(gè)水域泥水界面間可懸浮顆粒轉(zhuǎn)移出水。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明工藝簡單，從流體學(xué)原理上解決了黑臭水體中膠體級(jí)顆粒物的轉(zhuǎn)移問題。在底泥處置過程中隨時(shí)觀察水域的透明度。對(duì)水流緩慢、水深<1.5m的水域，1～2個(gè)月后可能清澈見底，春季可觀察到沉水植物自然生長。對(duì)于春季未見沉水植物自然生長或較深的水域，應(yīng)及時(shí)栽種沉水植物，逐步恢復(fù)水體的自清潔能力，促進(jìn)水生態(tài)的轉(zhuǎn)換。

附圖說明

圖1、底泥洗刷模擬實(shí)驗(yàn)裝置。圖中，1a—底泥，2a—洗刷頭，3a—洗刷水，4a—電機(jī)，5a—污水泵，6a—第一道過濾，7a—第二道過濾，8a—清水池，9a—清水回流泵，10a—洗刷釜。

圖2、實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同水體底泥模擬洗刷前后的形貌。圖中，1—巢湖派河入湖口底泥，左上圖(c0-5洗前)為0-5cm深度底泥洗前形貌，右上圖(c0-5洗后)為洗后形貌，左下圖(c5-10洗前)為5-10cm深度底泥洗前形貌，右下圖(c5-10洗后)為洗后形貌；2—稻香樓水體0-10cm深度底泥洗刷前(左圖)后(右圖)形貌；3—銀河公園水體0-10cm深度底泥洗刷前(左圖)后(右圖)形貌；4—連云港市3條黑臭水體底泥洗刷前(上圖)后(下圖)形貌比較，其中1#是龍尾河底泥，2#是大浦河底泥，3#是大浦副河底泥。

圖3、實(shí)用底泥洗刷裝置原理圖。圖中，1—底泥，2—洗刷機(jī)構(gòu)承載板，3—洗刷頭，4—壁擋板，5—洗刷水，6—污水泵，7—彈性吊繩，8—可移動(dòng)平臺(tái)甲板，9—傳動(dòng)(擺動(dòng))機(jī)械臂，10—攪拌槳，11—絮凝劑投加機(jī)構(gòu)，12—混凝池，13—沉淀池，14—污泥，15—清水排口。

圖4、實(shí)施例1所述實(shí)驗(yàn)水池生態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖中，1—洗刷底泥(右圖)與對(duì)照底泥(左圖)烘干后的形貌，2—實(shí)驗(yàn)水池現(xiàn)狀草型清水態(tài)(左圖)與對(duì)照水池(右圖)藻型濁水態(tài)對(duì)比。

圖5、實(shí)施例2所述某城市公園水體生態(tài)修復(fù)實(shí)況圖。圖中，左——底泥洗刷一年后自然形成的沉水植被，右——治理前的狀況。

圖6、實(shí)施例3所述渤海灣某國家濕地公園排洪河應(yīng)急整治的實(shí)況圖。圖中，左——底泥洗刷一年后沉水植物自然生長，右——底泥洗刷期間兩次洪水沖倒石籠。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1、實(shí)驗(yàn)水池從藻型濁水態(tài)向草型清水態(tài)轉(zhuǎn)換的實(shí)例

本實(shí)施例將長8米、寬2米、深1.5米的儲(chǔ)水池一分為二，分別作實(shí)驗(yàn)池和對(duì)照池。從合肥市南淝河運(yùn)來沉積泥作為底泥，鋪池底厚20cm。上覆水由附近水塘泵入，水深1m。兩個(gè)水池初始總氮4.764mg/l、總磷0.548mg/l、透明度20cm，屬于重度富營養(yǎng)化水體。

實(shí)驗(yàn)池的底泥擾動(dòng)采用氣體射流，洗刷水經(jīng)沙濾回流。試驗(yàn)完成后靜置1天，取兩池表層0～5cm的底泥觀察。實(shí)驗(yàn)池泥質(zhì)松散、含沙量多。取20g泥放入500ml自來水燒杯中攪拌，15分鐘后水基本澄清。對(duì)照池泥質(zhì)成團(tuán)、粘性大，在燒杯中加水?dāng)嚢?，一周后也未完全澄清。將兩池底泥烘干，如圖4(1)所示，實(shí)驗(yàn)池底泥干重15.87g/kg(濕重)，多由～0.1mm的沙粒組成，對(duì)照池底泥干重9.32g/kg(濕重)，干裂、鮮見沙粒，可見洗刷后的底泥結(jié)構(gòu)松散，含水量低；而對(duì)照底泥粘性大含水量高。

實(shí)驗(yàn)池水體逐漸變清，16天后可見底。當(dāng)年秋季，池底可見少量沉水植物生長，到第二年秋季沉水植被基本形成。至今(五年后)實(shí)驗(yàn)池仍維持草型清水狀態(tài)，葉綠素a為7μg/l，總氮1.36mg/l、總磷0.04mg/l。而對(duì)照池至今仍處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，葉綠素a為155μg/l，總氮2.41mg/l、總磷0.12mg/l。圖4(2)為實(shí)驗(yàn)水池(左圖)現(xiàn)狀草型清水態(tài)與對(duì)照水池藻型濁水態(tài)(右圖)對(duì)比圖。

實(shí)施例2、某公園水體生態(tài)修復(fù)

長江南岸某城市公園水體位于市中心，由南小湖和北大湖組成，水深1.5～1.9m、水面7.5萬m²。2006年以后，水體呈現(xiàn)重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)為劣v類，常年均有水華發(fā)生并伴有黑臭。曾經(jīng)采取清淤和自來水補(bǔ)水等措施，富營養(yǎng)化狀態(tài)仍未消除。2012年8月設(shè)計(jì)加工了如圖3所示的底泥原位洗刷裝置，水上平臺(tái)長15m、寬4m，吃水深度0.6m。半潛式洗刷水凈化池長8m、寬2m、深0.6m；水下箱體長(行進(jìn)方向)0.4m、寬4m、高0.5m，底泥擾動(dòng)采用洗刷頭機(jī)構(gòu)。底泥洗刷先在南小湖(面積約2.5萬m²)運(yùn)行75天，水體變清；春節(jié)后轉(zhuǎn)移到北大湖運(yùn)行5個(gè)月至9月驗(yàn)收。8月，該市環(huán)境監(jiān)測站取水檢測，主要水質(zhì)指標(biāo)由治理前的劣v類提升到iii類。

第二年春季，南小湖沉水植物自然生長，底棲植被占水面約40％；秋季北大湖沉水植物約占水面20％，促進(jìn)了百荷公園水體從藻型濁水態(tài)向草型清水態(tài)轉(zhuǎn)變。圖5顯示該水體底泥洗刷完工一年后自然形成的沉水植被(左圖)，與治理前狀況(右圖)形成鮮明對(duì)比。

實(shí)施例3、渤海灣某國家濕地公園排洪河應(yīng)急整治

渤海灣某國家濕地公園是世界四大候鳥遷徙通道之一，每年吸引國內(nèi)外鳥類專家、學(xué)者和愛好者前來研究和觀鳥，地理位置十分重要。然而，近年來園區(qū)水體受到嚴(yán)重污染，特別是兩條穿園而過的市區(qū)排洪河藍(lán)藻泛濫、黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。

兩條河流經(jīng)園區(qū)的長度分別為1.3km和0.9km、寬10～30m、水深1.0m～2.5m。由于抵近河道的道路窄且拐彎半徑小、河上橋梁木棧道多，如直接使用實(shí)施案例2所述的裝置，抵達(dá)施工現(xiàn)場的運(yùn)輸、吊裝，以及運(yùn)行都不可行。2015年5月設(shè)計(jì)加工了三套適應(yīng)不同河道結(jié)構(gòu)的底泥處置簡易裝置。裝置由浮塊拼裝成供一人操作的水上平臺(tái)，洗刷箱體吊掛在平臺(tái)上。為不妨礙鳥類棲息，平臺(tái)不帶發(fā)電機(jī)而由岸邊臨時(shí)布設(shè)的配電箱供電。洗刷水則直接噴入距河岸20m以外的林地，經(jīng)林下地被植物過濾，清水返流河道。裝置6月1日運(yùn)行，8天后先行洗刷的河段水體變清。兩條河道底泥處置工程歷時(shí)25天，感官和景觀效果有較大提升，確保了兩條河道7、8兩個(gè)月對(duì)外開放時(shí)水體較清澈，無藻華、無黑臭現(xiàn)象發(fā)生。

冬季(12月至次年2月)河水結(jié)冰，第二年河水化凍不久，就觀察到沉水植物生長；到秋季，沉水植被占水面約20％。

值得提出的是，施工第11天遇一場暴雨，市政排洪涌入大量漂浮物。為此，在河道入園口構(gòu)筑了石籠；工程完工后的第四天又一場暴雨沖倒石籠。盡管如此，第三方于第二場暴雨19小時(shí)后取樣檢測：總氮、總磷和底泥中的有機(jī)質(zhì)去除率分別達(dá)到64.8％、78.8％和80.9％；一年后，總氮、總磷和底泥中的有機(jī)質(zhì)又下降了54.3％、93.6％和71.8％，說明沉水植被的形成使河道水體自潔能力得到一定程度的恢復(fù)。

圖6所示，左圖為工程完成一年后沉水植物自然生長，右圖為底泥洗刷期間兩次洪水沖倒石籠。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。