近几年,随着社会经济快速发展、城市化建设步伐的加快,频繁的人类活动和多变的自然气候使得我国水体富营养化问题日益加重,生态沟渠技术是近几年来随着生态水利环境的发展而提出的一种遵循近自然原则的生态修复工程,经过实践证明,可作为一种有效的富营养化水体修复技术展开实际应用,但在我国北方寒旱地区,由于高寒、降雨少、蒸发强等原因,导致土壤和水体碱化严重,不利于沟渠系统植物和基质的正常发挥,从而限制了生态沟渠技术的应用。本文针对寒旱地区气候条件、地表富营养化水体的特点及治理需求,开展了多介质复合生态沟渠技术的研究和示范,采用室内模拟试验和野外示范工程相结合的方法,从植物和基质的优化配置角度,分析不同填料组合、不同植物搭配方式对氮磷的去除效果,优化确定了适合寒旱地区生态沟渠系统的填料组合和植物搭配方式。并在此基础上以赛汗塔拉湿地公园进水沟渠为研究对象建立生态沟渠示范工程,通过对工程的运行效果、环境效益和经济效益进行分析评价,探索其实际应用的可行性,以期设计出适合寒旱地区控制面源污染的生态沟渠。主要研究成果如下:(1)分别选取废砖块、炉渣、无烟煤、麦饭石、天然沸石五种基质为研究对象,通过等温吸附试验,综合试验结果以及材料的经济性,选择天然沸石、废砖块、炉渣三种基质为生态沟渠填充基质。组合基质筛选试验结果表明,将废砖块、天然沸石、炉渣按质量比1:1:3组合时对氨氮和磷的去除效果最好,去除率达90%以上,并对组合基质进行温度、pH、盐度影响因素试验发现,针对寒旱地区地表富营养化水体的水质特点,组合基质能够很好地发挥其优势。(2)在植物优选试验中,以缓苗时间、成活率、植物生长状况作为植物适应能力指标研究发现,香蒲、鸢尾、千屈菜、水葱能够更好的适应寒旱地区环境;五种植物试验前后生长量变化较大,以香蒲最为突出,由于寒旱地区的独特气候条件导致常年风大,不利于水葱的生长,最终选择香蒲、千屈菜和鸢尾作为生态沟渠栽种植物。通过植物配置方案优选试验发现,三种植物混合组成的处理系统对氨氮的去除率为34.5%,对磷的去除率为21.2%,优于两种植物组成的系统和单一植物系统,最终生态沟渠植物栽种方式选择香蒲、千屈菜和鸢尾混合栽种。(3)对野外生态沟渠示范工程进出水的总氮、氨氮、总磷、COD进行检测,结果表明,生态沟渠系统对总氮、氨氮、总磷、COD均有较好的去除效果,去除率分别为42.2%、36.7%、39.5%和38.4%,根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),氨氮出水浓度满足Ⅳ类水的要求,总磷出水浓度满足Ⅲ类水要求,COD出水浓度满足Ⅴ类水要求。(4)通过分析试验期间的温度、降雨和水力停留时间对水体中污染物去除效果产生的影响发现,在7月3日~9月初,生态沟渠对总氮、氨氮、总磷、COD的去除增长率分别为134.35%、147.59%、42.32%和128.86%。9月10日之后,由于寒旱地区独特的气候条件导致昼夜温差过大,生态沟渠系统对总氮、氨氮、总磷、COD的去除增长率下降,分别为98.79%、106.6%、20.83%和97.94%。降雨导致各污染物进水浓度上涨,污染物去除率波动,在7月份三次降雨中对总氮、氨氮、总磷、COD的平均去除率分别为26.13%、26.91%、21%和24.38%,由于8月份植物的生长和微生物活性均处于活跃期,对污染物的去除能力强,三次降雨过程中各污染物的平均去除率均在30%以上。当水力停留时间为23.89h,总氮、氨氮、总磷、COD的去除率分别为54.15%、47.89%、45.98%和40.04%,去除效果相对较好。(5)该生态沟渠示范工程在试验期间削减总氮2.277kg、氨氮0.823kg、总磷0.108kg、COD19.639kg,具有良好的环境效益。建设和运行总费用为5367.75元,按照试验时间计算,处理成本约为4.5元/m~3,并且可以实现废砖块、炉渣的二次利用,具有因地制宜、经济有效,管理简便、节能减排等诸多优势,充分体现了可持续发展理念。