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城市河流是城市生态系统中不可或缺的自然地理要素,受到了人类活动的严重干扰。合肥市南淝河作为典型的城市河流,受城市建设与排水的影响,水体流通性差,水质和底质污染严重,生态系统结构和功能薄弱,是巢湖最大的污染来源之一。本文以南淝河为研究对象,以示范工程为基础,研究了应用组合人工湿地和美人蕉生态护坡削减入河面源污染的效果和机理,以及通过构建以挺水植物为主的水陆交错带来修复受损河岸带的可行性和生态效果;并探讨了以底栖动物为主的生物群落对生态修复的响应和示范段的工程修复效果,旨在为受污染城市河流的生态建设与效果评价提供借鉴和参考。 主要结果与结论如下: 1、本研究中,组合人工湿地系统(ICW)和美人蕉生态护坡对入河面源污染均有良好的控制效果,可作为有效的生态修复技术应用于受污染城市河流的水环境质量改善中。ICW对污水中COD、TSS、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为63.6%、91.9%、38.7%、43.0%和70.0%,相应的出水浓度分别为49.9 mg/L、0.6 mg/L、14.1 mg/L、19.2 mg/L和2.7 mg/L,均达到城镇污水处理厂污染物一级B排放标准(GB18918-2002)。水力负荷(HLR)和温度是影响人工湿地系统对污染物去除效果的两个关键因子。研究表明,HLR=200 mm/d和水温<15℃对ICW的TSS和COD去除效果无显著影响,但对NH4+-N和TN的去除率影响显著。此外,基于旱季污水水量小、污染物浓度高(TSS含量相对较低)、且水温低,雨季则相反的进水特征,在应用ICW处理此类污水时,建议最佳的运行模式为旱季采用较低的水力负荷,雨季采用较高的水力负荷。 美人蕉护坡对径流污水中营养盐及TSS均有较好的截留效果,对TSS、TN、NH4+-N、TP和COD的平均去除率分别为:76.4%、45.6%、57.5%、40.1%和29.0%。另外,护坡植物还可改善土壤的物理性质,增强其渗透作用和丰富微生物群落,美人蕉护坡微生物(细菌、真菌、放线菌)数量显著多于无植物裸坡(P<0.01)。 2、在ICW对污染物去除机制的研究中发现,基质酶活性是影响湿地系统污染物去除效率的关键因素之一,系统对TN的去除率和脲酶活性显著正相关(P<0.05),TP和COD的去除率和磷酸酶活性显著正相关(P<0.05),且基质酶活性和植物的生长参数之间也存在一定的相关关系。同时,基质酶活在ICW中具有不同的时空变化特征:从空间变化来看,磷酸酶、脲酶和硝酸盐还原酶的平均最高活性均出现在下行流单元中;从时间变化来看,其最高酶活性均出现在植物生长最为旺盛的夏秋季节。 钢渣(SFS)对磷吸附性能的研究表明,Langmuir模型较为适合模拟SFS的磷吸附等温线,且SFS的理论饱和吸附量(PMax-C)并未随着其在湿地系统中服务周期的延长而降低,仅通过室内实验得出的PMax-C来预测基质在湿地中的使用寿命和作为筛选标准是不可靠的,应与野外试验相结合。 3、水陆交错带挺水植物群落的成功构建,不但景观效果良好,而且可在一定程度上改善局部水环境质量。四种目标恢复植物中,以梭鱼草(Pontederiacordata)成活率最高、扩繁最快(水线下宽度从初植时的1m到次年的1.5-2 m)。夏秋季节,梭鱼草生长旺盛、生物量和盖度较大,对水质的改善作用明显;相反,冬春季节,植株地上部分枯萎,凋落物腐烂分解,对水质的改善作用相对较弱。同样,夏秋季节根际泥的平均脲酶(Urease)和磷酸酶(Phosphatase)活性也高于冬春季节,但差异性不显著(P>0.05)。此外,挺水植物群落恢复还在一定程度上提高了河岸带的物种多样性。 4、基于上述研究和结论,近4年的监测表明,生态修复对示范段底栖动物的种群密度无显著影响,但在一定程度上提高了物种丰富度和生物多样性。修复后底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数总体上高于修复前,修复前平均为1.21±0.25,修复后,从2010年到2013年,其平均指数值分别为1.35±0.83、1.90±0.68、2.03±0.62和1.97±0.18,种类数由修复前的2-3种升至修复后的6-9种。另外,底栖动物的物种组成发生了一定的变化,修复前主要以寡毛类等耐污种为主,修复后出现了对污染相对敏感的软体动物和摇蚊幼虫。基于修复前后四年的监测数据,运用层次分析法(AHP)对修复效果进行了评价,得出生态修复后示范段的综合评分为3.4分,略高于修复前的2.5分,表明修复后示范段的水环境质量有一定程度的改善。