生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果.pdf
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1、生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果孟婷婷1,董月群1,闻丞2,薛晓飞1,冒建华1,3*,黄越2,李丹1,汪洋3,徐开翔21.北控水务(中国)投资有限公司2.北京镜朗生态科技有限公司3.清华大学环境学院4.北京净通水环境治理有限公司摘要在再生水补给型河道开展水生态修复并监测分析其效果,有助于提升再生水补给河道的生态健康水平。在北京市萧太后河老河道开展全营养级生态修复并进行为期 1 年的监测,通过生物群落结构、生物多样性指数、水质分析水生态系统变化。结果表明,虽然试验区经历了水质恶化、水量剧减的双重冲击,但河道水生态、水质仍表现出明显改善。生态修复实施后浮游动物、底栖动物、鱼类、鸟
2、类的物种丰富度分别上升为修复前的 6、2、3、2 倍。浮游动物、底栖动物、鱼类优势种数量均明显增加,且表现出耐污型向健康指示型的变化。底栖动物、鱼类、鸟类的 Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数、Margalef 丰富度指数均有上升;鸟类的优势种表现出季节性变化且已出现猛禽。项目区内总磷浓度平均比项目区外低 35%,氨氮浓度平均低 31%,总氮浓度平均低 30%。综合来看,结构完整的水生态系统具有抵抗外界水质、水量冲击的韧性,且能够起到良好的水质改善效果。各生物群落的多样性指数、群落结构均对水质变化有明显的反馈和指示作用,多个生物多样性指数的综合表征效果更全面、更
3、客观。关键词生态系统重建;再生水;生物多样性指数;优势种;指示物种;水质改善中图分类号:X171.4文章编号:1674-991X(2023)04-1552-10doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20221067Biodiversity-oriented water ecological restoration effect in urban river withreclaimed water supplyMENGTingting1,DONGYuequn1,WENCheng2,XUEXiaofei1,MAOJianhua1,3*,HUANGYue2,LIDan1,WAN
4、GYang3,XUKaixiang21.BeijingEnterprisesWaterGroup(China)InvestmentCo.,Ltd.2.BeijingJinglangEcologicalTechnologyCo.,Ltd.3.SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity4.BeijingJingtongWaterEnvironmentTreatmentCo.,Ltd.AbstractThemonitoringandanalysisofwaterecologicalrestorationeffectsareusefultoimprovetheecos
5、ystemhealthofriversreplenishedbyreclaimedwater.Thewaterecologicalrestorationcoveringalltrophiclevelswasconducted,andthecommunitystructure,biodiversityindicesandwaterqualityweremonitoredforoneyeartojudgethechangeofecosystemhealthintheoldriversectionofXiaotaihouRiverinBeijing.Astheresultsshowed,althou
6、ghboththewaterenvironmentalqualityandwaterquantitysufferedgreatdecreasingduringtheexperiment,thewaterecologicalhealthandwaterenvironmentalqualityintheexperimentalzoneallimproved.Afterecologicalrestoration,speciesrichnessofzooplankton,zoobenthos,fishandbirdsincreasedto6,2,3and2timesoftheprevious,resp
7、ectively.The numbers of dominant species of zooplankton,zoobenthos and fish all increasedsignificantlyandthedominantspecieschangedfrompollution-tolerantspeciestoahealthindicatortype.Shannon-收稿日期:2022-10-27基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103-001)作者简介:孟婷婷(1981),女,博士,主要从事水环境治理、水生态修复研究,*责任作者:冒建华(1977),男,
8、博士,主要从事水环境治理、城镇水务先进技术研究,Vol.13,No.4环境工程技术学报第13卷,第4期Jul.,2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月孟婷婷,董月群,闻丞,等.生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1552-1561.MENGTT,DONGYQ,WENC,etal.Biodiversity-orientedwaterecologicalrestorationeffectinurbanriverwithreclaimedwatersupplyJ.Jour
9、nalofEnvironmentalEngineeringTechnology,2023,13(4):1552-1561.Wiener diversity index,Pielou evenness index and Margalef abundance index of zoobenthos,fish and bird allincreased.Thedominantbirdspecieschangedfromseasontoseason.Thetopspeciesofthefoodchainappeared.Theaveragecontentsoftotalphosphorus,ammo
10、nianitrogenandtotalnitrogenintheexperimentalzonewere35%,31%and30%,respectively,lowerthanthoseoutsidetheexperimentalzone.Inaword,thewaterecosystemwithacompletestructurecouldresistexternaldisturbancessuchaswaterquantityandqualitychangesandimprovewaterenvironmentalquality.Biodiversityindexesandcommunit
11、ystructuresofbiologicalcommunitiescouldrespondandindicatethechangeofthewaterenvironmentwell.Thecomprehensiveevaluationofmultiplebiodiversityindexeswasmorecomprehensiveandobjectivethantheindividualindex.Key wordsecosystem reconstruction;reclaimed water;biodiversity index;dominant species;indictor spe
12、cies;waterqualityimprovement自 2015 年国务院颁布实施水污染防治行动计划(简称“水十条”)至今,我国全国范围内黑臭水体治理任务已基本完成,城市河道水环境质量得到显著提升,但仍面临返黑返臭的风险,有研究证明经生态修复的河道返黑返臭风险明显低于未经生态修复的河道1。而且,随着污水处理规模、水资源循环利用规模的提升,再生水补给的河道、湖泊逐渐增多。2021 年北京市再生水利用量达 12 亿 m3,占北京年度水资源配置总量的近 30%,使用总量居全国第一。但是再生水中相比于天然水较高的有机物、氮磷浓度及 pH 增加了河道爆发藻类水华的风险2。在截污等岸上工程均已完成的情
13、况下,水生态修复成为解决以上问题的必要、有效措施。水生态修复的措施多样,常见的包括曝气复氧、生境修复、生态岸线改造、沉水植物种植等。工程中通常采用2 种或以上措施组合实施3-7。目前工程中所采取的生物群落构建措施往往以单纯的沉水植物种植为主,投放水生动物的工程基本以投放鲢、鳙、鲫、螺等物种为主,从而导致系统不够稳定、运行维护成本较高,较少有将水生植物、水生动物、浮游动物等生态系统全营养级恢复的案例。从工程效果持久性、运营维护难度上来看,只有完整的生态系统才能增强生态系统功能性和不良环境抵抗力,更好地发挥生态系统的营养物质吸收转移和净化能力,减轻后期运行维护压力8。另一方面,生物监测在水环境治理
14、效果评估中也发挥越来越重要的作用。相比于传统的水体物理或化学指标的测定,生物群落监测不容易受到河道水流等瞬时因素的影响,且具有整合不同时间尺度上化学、物理和生物影响,能够反映多种生态胁迫对水环境的累积效应的优点9-10。利用水生生物群落结构、生物多样性指数监测等,可以直观评价工程效果,也可为后期水环境治理和运营提供预警和参考3,5,11-14。目前水生态监测多采用浮游动物、底栖动物多样性指数,少有各营养级生物、多指标全面监测评估的案例。综上,如何在再生水补给型河道中构建包含食物链各营养级的自稳定生态系统,实现水生态快速恢复和生物多样性快速提升,并凭借系统自稳定性实现水质净化效果的持续,是当前水
15、生态修复工程的重点方向和主要挑战。研究水生态修复工程后的水生态指标变化,也可以更好地评价水生态修复工程效果,为后续工程设计提供参考。萧太后河是北京城市副中心文化旅游功能区的核心河道,串联起北京由西向东的南部城区。萧太后河也是北京市 2017年重点整治的53条黑臭水体之一,经过综合治理后已于2017年摘掉“黑臭水体”帽子。但由于北京环球度假区的建设,萧太后河老河道成为断头河,且由于部分补水水源的水质问题河道水质面临返黑返臭的风险。笔者选取北京城市副中心文化旅游功能区的核心河道萧太后河老河道为研究区域,开展全营养级生态系统修复试验,以探索再生水补给型河道以生物多样性提升为导向的生态修复路径,并尝试
16、根据水生态指标监测评价工程效果。1研究区与研究方法 1.1研究区概况研究区域位于萧太后河老河道因北京环球度假区建设截断后的断头处,面积约 1 万 m2(图 1)。本研究开展期间研究区域主要水源为位于西侧上游约 500m 处的生活污水处理站,该处理站设计处理规模 800m3/d,实地监测出水水质低于 GB38382002地表水环境质量标准15中的类水质标准限值,河道平均水位维持在3050cm。上游处理站出水化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)监测结果如表 1 所示。研究区域虽已消除黑臭但仍不满足北京城市副中心要求的类水质标准,更无法满足副中心文化第4期孟婷婷等:生
17、物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果1553旅游核心功能区的生态品质要求,且河道因为断头河而出现返黑返臭趋势。2020 年初开始,由于北京环球度假区外萧太后河上跨河桥梁的修建,南大沟来水被截断无法进入研究区域,上游生活污水处理站出水仅部分进入研究区域,导致 2020 年 10 月2021 年 5 月连续 8 个月水位严重下降至平均不足 15cm,甚至出现部分河床裸露的情况。2020 年 10 月2021 年 2 月持续5 个月上游生活污水处理站出水进一步恶化,导致研究区内水质持续恶化。因此,本研究区域内的生态修复,遭遇了水质、水量的双重考验。1.2生态修复试验以提高水体生物多样性为
18、导向,结合经典生物操纵,试验区域于 2020 年 7 月 31 日10 月 15 日开展水生态修复。具体措施包括在试验布置区(图 1)设置里外 2 道透水性围网,形成物种修复种源区。首先在其中构建水生植物群落,种植轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、金 鱼 藻(Ceratophyllumdemersum)、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum);待水生植物系统稳定后,投放浮游动物和底栖动物,浮游动物物种包括隆线溞(Daphnia carinataking)和仙达溞(Limnosida frontosasars),底栖动物包括铜锈环棱 螺(Bellamya
19、aeruginosa)、中 华 圆 田 螺(Cipangopaludina cathayensis)、背角无齿蚌(Anodontawoodianawoodiana)和黑壳虾(Atyoidaesp.);待上述系统稳定后,分批投放鱼类,包括中小型功能鱼类草金 鱼(Carassius auratus)、餐 条(HemicculterLeuciclus)、鳑鲏(Rhodeinae sp.)和大型食肉鱼类黑鱼(Ophiocephalus argus)、鲶(Silurus asotus)。浮游动物、底栖动物和鱼类均选择幼体种苗,避免使用成体个体。物种投放后定期监测,避免物种大规模流失。本次试验过程中未发生
20、该类情况。1.3水质监测与生物调查1.3.1水质监测在图 1 试验布置区及上游污水处理站出水口处分别设立水质监测点。2020 年 7 月2021 年 3 月及 2021 年 8 月每月进行 1 次水质监测,监测指标包括城市黑臭水体指标氨氮、溶解氧(DO)、氧化还原电位及地表水常规水质指标总磷、总氮、化学需氧量。1.3.2水生态调查对浮游植物、浮游动物、大型底栖动物(不含水生昆虫)、鱼类、鸟类开展监测,方法如表 2 所示。对浮游植物、浮游动物、大型底栖动物在现场取样图 1 研究区域位置示意Fig.1Positionofthestudyarea表 1 研究区域上游污水处理站出水水质Table1Ef
21、fluentqualityoftheupstreamsewagetreatmentstationofthestudyareamg/L采样日期化学需氧量总氮浓度氨氮浓度总磷浓度2019-02-0119951.9943.424.082019-11-14204.300.49810.102019-12-012311.501.91016.401554环境工程技术学报第13卷后将样品带回室内开展物种鉴定及密度检测工作。鱼类、鸟类开展现场物种鉴定和相对丰度估算。1.4数据处理与方法数据分析及相关图表制作在 Excel 软件中完成。通过计算藻类、浮游动物、底栖动物、鱼类和鸟类的物种丰度(S),即某一群落包含的
22、物种种类数以及底栖动物、鱼类和鸟类的优势度(Y)、Shannon-Wiener 多样性指数(H)、Pielou 均匀度指数(J)和Margalef 丰富度指数(D),对生态修复区的生物群落结构特征进行分析评价。计算公式如下:Y=(ni/N)fi(1)H=Si=1(ni/N)log2(ni/N)(2)J=H/log2S(3)D=(S 1)/lnN(4)式中:ni为群落中第 i 个物种的个体数;N 为群落中总个体数,二者之比为物种 i 的丰富度;fi为该种在各位点中出现的频率。本研究中因每次调查均统计各样点每个物种的总数,或者采用样线法,因此 fi均为 1。Y0.02时定义为优势种16,鱼类、鸟类
23、丰富度柱状图中将非优势种合并统称为其他。2结果与讨论 2.1水质指标的变化本研究表明,水生态系统逐步建立后,对水质具有很好的改善作用,尤其是对总磷、氨氮、总氮有明显的降低作用。在为期 1 年的水质监测期内,虽然试验区与上游来水的总磷、氨氮、总氮基本保持同样的变化趋势,但是在 2020 年 10 月生态系统基本建立后试验区内水质总体明显优于上游来水水质,其中总磷浓度平均低 35%,氨氮浓度平均低 31%,总氮浓度平均低 30%(图 2)。本研究中重建的水生态系统,不仅发挥了沉水植物通过生物吸附、富集作用去除氮、磷污染物并为底栖动物、小型鱼类提供避难所和栖息地的作用3,4,17-22,而且通过水生
24、植物浮游动物底栖动物鱼类的序批式投放,能在 2 个表 2 生物调查方法Table2Methodsofbiologicalinvestigation生物类群监测方法监测内容浮游植物样点法现场取样、室内物种及密度检测浮游动物样点法现场取样、室内物种及密度检测底栖动物样点法/直接观察法现场取样、室内物种及密度检测鱼类样点法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查鸟类样线法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查图 2 试验区内外水体总磷、氨氮、总氮浓度变化Fig.2Changesoftotalphosphorus,ammonianitrogenandtotalnitrogeninandoutoftheexper
25、imentalarea第4期孟婷婷等:生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果1555月内快速建立稳定的生态系统,从而发挥整个生态系统更持久、有效的水质净化作用。也有指标表现出相反趋势。试验区内的化学需氧量在 2020 年 10 月2021 年 2 月均高于上游来水,平均高 15%,2021 年 38 月均低于上游来水,平均低 30%(图 3),这可能是因为冬季鱼类生命活动不活跃而浮游动物相对较多,水体中出现大量浮游动物尸体而导致有机质含量升高。试验区内水体溶解氧浓度在 2020 年 12 月2021 年 5 月均低于上游来水,平均低 23%(图 3),可能是由于试验区水体水生动物丰
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