(2)生态工程遵循生态学、生态系统的基础原理以及系统学、工程学原理
①物质循环再生原理物质能够在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环,循环往复,分层分级利用,从而达到取之不尽,用之不竭的效果。
②物种多样性原理物种多而繁杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。生物多样性程度高,可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。众多的生物通过食物链关系相互依存,就可以在有限的资源条件下,产生或容纳更多的生物量,提高系统生产力。
③协调与平衡原理指生物与环境的协调与平衡,需要考虑环境承载力,即指某种环境所能养活的生物种群的数量。
④整体性原理进行生态工程建设时,不但要考虑到自然生态系统的规律,还要考虑到经济和社会等系统的影响力。
⑤系统的结构决定功能原理生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构,通过改变和优化结构,达到改善系统功能的目的。
⑥系统整体性原理系统各组分之间要有适当的比例关系,只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通,并且实现总体功能大于各部分之和的效果。
应用该类技术必须采取综合措施。大体分为营养盐生态控制和藻类生态控制。
8.4.2营养盐生态控制
消除湖泊富营养化的关键在于削减湖泊水体的氮、磷以及底泥有机碳和氮、磷的负荷,从而消除藻类疯长的基础。控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施。按照进入湖泊内营养盐的途径可将富营养化的污染源分为外源污染及内源污染。外源污染主要包括来自流域内城镇生活污水和工业废水的点源污染,以及来自农田径流、禽畜养殖、水产养殖的面源污染;内源污染是由于湖泊内沉积物中液态营养盐向上覆水中释放,在动力作用下营养盐再悬浮造成的。内源污染也是湖体藻类爆发的重要因素之一。
1、内源控制
(1)水生植被恢复
大型水生植物是湖泊主要的初级生产者之一,它在湖泊营养盐控制方面可以发挥重要的作用。水生植物在生长过程中需要吸收大量的氮、磷等营养元素,当水生植物运移出水生生态系统时,被吸收的营养物质随之从水体中输出,从而达到净化水体的作用。水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者。水生植物还能分泌他感物质抑制浮游植物的生长。
恢复湖泊水生植被,重建湖泊良好的水生生态系统是一个相当复杂的系统工程。高等沉水植物种群的减少是健康水生态系统退化的重要标志。由于沉水植被恢复受光照等影响较大,在恢复初期主要引入挺水植物以及漂浮植物逐步改良水质。引进的物种应以湖泊原有的水生植物种类为主,避免造成外来物种的入侵。由于沉水植物生活周期较短,后期植株的衰竭和腐烂容易造成水体的次生污染,因此须对沉水植物进行适度的收割,将其茎、叶移出水体,这才能有效削减氮、磷,促进健康水体形成。沉水植被的控制主要采用人工收割以及机械收割。
本区特有的挺水植物有:芦苇、菖蒲、香蒲、三棱草等。漂浮植物有:小浮萍等。浮叶植物有:眼子菜、芡实、两栖廖等。沉水植物有:金鱼藻、小茨藻、菹草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻等。
(2)生物浮床
生物浮床技术是按照自然规律,在以富营养化为主体的污染水域水面种植粮食、蔬菜、花卉或绿色植物等各种适宜的陆生植物,通过植物根部的吸收、吸附作用,削减、富集水体中氮磷及有害物质,从而达到净化水质的效果。同时又可收获农产品,美化、绿化水域景观。生物浮床不受光照等条件的限制,植物能很好地生长,并且容易对种植的植物进行收割实现污水的资源化利用。
生物浮床种植的陆生植物有:水稻、生菜、苋菜等。
(3)生态疏浚
湖泊底泥是湖泊生态系统重要组成部分,是湖泊营养物质循环的中心环节,也是水土界面物质(物理的、化学的、生物的)积极交替带。各种来源的营养物质经一系列湖泊物理、化学及生化作用,沉积于湖底,形成疏松、富含有机质和营养盐的灰黑色淤泥,在湖泊各种水动力、生态动力作用下或湖泊环境变化时,沉积物中营养盐溶出或再悬浮,形成湖泊富营养化的内负荷。同时底泥对环境作用具有累积性和滞后性,内源污染控制主要就污染底泥中积累与释放的营养物质进行控制。
生态疏浚不同于普通的物理疏浚工程,生态疏浚的目的在于清除高营养盐含量的表层沉积物质,属于生态工程范畴。疏浚工程清除了污染底泥而保留了泥炭层,这为湖泊内大型水生植物恢复提供了基本条件,有利于生态系统恢复,生态疏浚是解决内源污染的一种重要措施。
生态疏浚强调对疏浚底泥的后续处理,以防止造成二次污染或污染物的转移,底泥含有丰富的氮、磷营养物质,可以作为农田、林地以及果园的肥料,也可用于沼气池发酵,实现底泥的资源化利用。
2、外源污染控制
(1)湖滨带湿地恢复
位于水体和陆地生态系统之间的生态交错带具有过滤缓冲器功能。它不仅可吸附和转移来自面源的污染物、营养物,改善水质,而且可截留固定颗粒物,减少水体中的颗粒物和沉积物,同时湿地可以提供生物繁育生长的栖息地。在湖泊周边建立和修复水陆交错带是整个湖泊生态系统恢复的重要组成部分和最后的保护屏障,加强管理和重建湖滨带工程是湖泊环境保护的重要工作。
湖滨带湿地恢复的植物选取应注意当地生长适宜性强的、较强污染物净化能力的,较好经济价值以及与周围环境协调的物种。湖泊周围一般有很多坑塘或藕塘等,可改造为湿地净化系统,增设配水和排水系统。
(2)人工湿地
人工湿地系统是利用天然湿地净化污水能力而人为建设的生态工程措施,是指人为地将石、砂、土壤、煤渣等材料,按一定的比例组成基质,并栽种经过选择的水生植物,组成类似于自然湿地状态的工程化湿地状态系统。人工湿地根据湿地中的主要植物形式分为浮生植物系统、挺水植物系统、沉水植物系统。人工湿地具有低成本、低能耗、低技术要求及高效的氮、磷去除率,适合于对进入湖区污水量大以及湖泊富营养水体进行净化。但人工湿地占地面积大,在人地矛盾日益突出的今天,其应用还是受到一定的限制。人工湿地的净化效率随季节的变化非常大,在低温的冬季,植物大量死亡,其处理效果随之下降。
(3)生物塘系统
生物塘又称为稳定塘或氧化塘,是室外污水生物处理的一种设施,其基本原理是污水在塘内停留一定时间,经过塘内微生物与藻类的共同作用,将污水中复杂的有机物质分解成简单的无机物质,从而使污水水质得到改善。它具有运行管理费用低、操作管理简易、高效的除污染效能等优点,能有效地去除有机污染物、COD、BOD、N、P等营养物质及病菌和病毒等,同时通过种植水生植物、养殖鱼类和水禽等实现污水资源化。
8.4.3藻类直接生态控制
富营养化问题的核心是浮游植物的过量生长。通过控制凶猛鱼类及放养食浮游生物的滤食性鱼类(鲢、鳙)来直接牧食蓝藻水华的生物操纵方法,称之为非经典的生物操纵。非经典生物操纵是利用有特殊摄食特性、消化机制且群落结构稳定的滤食性鱼类来控制水华。滤食性鱼类具有特殊的滤食器官,鲢、鳙、罗非鱼都属于滤食性鱼类,在水体中居于上层。鲢、鳙鱼体长15~19mm由吞食向滤食转化,30mm以上为滤食阶段。
鱼群结构调整的方法是根据富营养化湖泊的浮游植物群落结构、湖泊类型(不同地域、形态),在湖泊中投放、发展不同比例、密度的滤食性鱼种,投放肉食性鱼类来控制滤食性鱼类。并根据各鱼类的生物学和生态学特性,加强对各鱼类数量的控制和评价,采用主动工具捕获被动鱼群(聚集地),采用被动工具捕获主动鱼群(迁移鱼群),适宜削减鱼载量。最终达到改善水质、增加水体透明度控制藻类目的。
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