湖泊型飲用水源地安全生物保護體系構(gòu)建初探

姚 穎 蒙寬宏 楊 凱*

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱 150081)

近年來我國頻頻發(fā)生的有關(guān)飲用水安全的問題都在深刻地提醒著世人一個嚴(yán)峻的事實——水源地突發(fā)污染事件一般難于預(yù)料和預(yù)測，甚至是難以避免的，是一種人們必須學(xué)會與之共存的嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險事件。因此，為了保證飲用水安全，開展飲用水源地安全生物保護技術(shù)的研究顯得尤為迫切。水源地的安全保障問題日益受到世人的強烈關(guān)注和政府部門的高度重視。

1 設(shè)計思想

湖泊型水源地生物保護體系以大氣降雨在降落到森林生態(tài)系統(tǒng)開始至形成徑流進入湖泊的完整的大氣降雨水文過程觀測為主線，系統(tǒng)地研究森林生態(tài)系統(tǒng)的水文功能與水質(zhì)動態(tài)、人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的徑流凈化功能與水質(zhì)動態(tài)，為湖區(qū)水源涵養(yǎng)林的構(gòu)建與優(yōu)化重建以及人工濕地的建造與改良提供科學(xué)的指導(dǎo)。利用生物措施，對即將匯流進入湖泊水體的水源進行凈化、沉淀、過濾等處理，從而實現(xiàn)對湖泊水質(zhì)的保護。

2 水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)功能研究與高效系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

2.1 水源涵養(yǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)的功能

森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮，主要是依靠森林生態(tài)系統(tǒng)對水分的生態(tài)過程來實現(xiàn)，主要包括：森林生態(tài)系統(tǒng)對大氣降雨的再分配作用、森林生態(tài)系統(tǒng)各組分對水分的消耗、森林生態(tài)系統(tǒng)對水質(zhì)的影響等。一個高效的水源涵養(yǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個功能模塊組成：

(1)林冠層。水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該具有對大氣降雨進行適度截留的林冠層，過高或者過低的截留量都是不適宜的。

(2)灌草層。灌草層對水分的再分配和調(diào)節(jié)作用與林冠層比較相似，但是由于其結(jié)構(gòu)更為多樣，因此其功能的發(fā)揮和功能的測量也更為復(fù)雜。一般來說，由天然林組成生態(tài)系統(tǒng)中，存在著比較良好的喬——灌——草結(jié)構(gòu)，而在人工林構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)中這樣的結(jié)構(gòu)相對較差，—般只具有喬——草結(jié)構(gòu)。

(3)枯落物層。由于地表枯落物層的存在，一方面可以大量地削弱了雨滴對土壤的直接擊濺；另一方面又可以吸收很大一部分的降水，從而減少了到達(dá)土壤表面的降水量；枯落物層對水流的強大機械阻攔作用，極大程度上減少地表徑流的產(chǎn)生，發(fā)揮了重要的水土保持和涵養(yǎng)水源的功能。

(4)土壤層。林地土壤水分對植物——大氣、大氣——土壤和土壤——植物三個界面物質(zhì)和能量的交換過程有著重要的控制作用，直接影響到土壤水分的入滲、林地蒸散和流域徑流。目前林地土壤對于水源的涵養(yǎng)關(guān)系主要分為靜態(tài)涵蓄功能和動態(tài)調(diào)蓄能力兩方面。

林地土壤的靜態(tài)涵蓄功能主要是不同林型對土壤水分——物理性質(zhì)的改善和持水能力影響的分析上。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，土壤蓄水量的大小取決于土壤非毛管孔隙度及土壤厚度。據(jù)測定，森林土壤的蓄水范圍為36.6～149.4mm，平均為72mm。同時也有研究指出，未遭受人為干擾或受干擾程度較小的森林生態(tài)系統(tǒng)，林下土壤的水源涵養(yǎng)能力較其他林分更佳，且水文傳輸機制更為復(fù)雜。土壤的動態(tài)調(diào)蓄能力主要是林地土壤的水分滲透性能，林地土壤較其他類型土壤具有更高的入滲率，良好的森林土壤其土壤穩(wěn)定入滲率高達(dá)8.0cm/h以上，水力傳導(dǎo)率可達(dá)15mm/h以上。

(5)森林植被。森林植被的作用，除了前述的以物理方式實現(xiàn)的對大氣降雨的截留作用之外，森林植被對進入森林生態(tài)系統(tǒng)的大氣降水的影響還包括兩個部分，即森林植被的蒸散消耗以及對水質(zhì)的影響。

森林植被對水質(zhì)影響的研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)本身的營養(yǎng)元素循環(huán)上，植被對水化學(xué)的影響與降雨(降雨量、降雨強度、降雨歷時等)、樹種、林分狀況(林冠的干凈程度、郁閉度、樹皮粗糙度等)、大氣狀況等有很大關(guān)系。

2.2 水源涵養(yǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)的組成

基于對水源涵養(yǎng)林各組成部分功能的研究，對高效水源涵養(yǎng)林的設(shè)計應(yīng)該包括以下幾個方面的內(nèi)容：(1)植被耗水規(guī)律研究；(2)水源地森林生態(tài)系統(tǒng)對水質(zhì)的影響研究；(3)水源地植被分布與演替規(guī)律研究；(4)水源涵養(yǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能研究；(5)樹種選擇技術(shù)研究；(6)水源涵養(yǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)植被空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究。

3 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)功能機理與關(guān)鍵技術(shù)研究

濕地具有十分強大的生態(tài)功能，在污水凈化方面，濕地被認(rèn)為是“天然的污水凈化器”。相對常規(guī)的污水處理系統(tǒng)而言，濕地處理技術(shù)具有廉價、易操作和能長久維持等優(yōu)點，而且在運行過程中幾乎不需要消耗化石燃料和化學(xué)藥品。

人工濕地(constructed wetland)也叫做構(gòu)建濕地、構(gòu)筑濕地等。人工濕地就是利用自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生物的三重協(xié)同作用，通過人工設(shè)計和建造的一種新型污水處理工藝。對于湖泊型飲用水源地而言，在入湖口設(shè)置人工濕地，對于保護湖泊水體免受富營養(yǎng)化的危害具有積極的意義。

3.1 人工濕地的除污機理及類型

成熟的人工濕地系統(tǒng)中的填料表面及植物根系生長著生物相較為豐富的生物膜。廢水流經(jīng)濕地床時，大量的懸浮固體被填料和植物根系截留，其他污染物則通過生物膜的生物降解與植物的吸收等作用而被去除。濕地床中植物的光合作用及植物莖、根系對氧的輸送和傳遞，使根系周圍的水環(huán)境中依次呈好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，即具有有機物、氮磷去除所需的環(huán)境。通過對濕地床中填料的定期更換或栽種植物的收割，最終使污染物從系統(tǒng)中去除。

3.2 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

(1)人工基質(zhì)的選擇?；|(zhì)是人工濕地的重要組成部分，濕地中的基質(zhì)一方面為微生物生長提供穩(wěn)定的依附表面，同時也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)，此外基質(zhì)自身亦可通過一些物理、化學(xué)的途徑(如吸收、吸附、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等)來去除污水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。

大部分學(xué)者研究認(rèn)為，充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料，是構(gòu)建人工濕地、提高人工濕地凈化能力的關(guān)鍵措施。但目前在國內(nèi)外人工濕地中，采用潛流人工濕地處理以SS、COD和BOD為特征污染物的污水時，根據(jù)水力停留時間、占地面積和出水水質(zhì)等限制因素，可以選用土壤、細(xì)沙、粗沙、礫石、碎瓦片或灰渣中的一種或幾種為基質(zhì)；以除P為目的的人工濕地最好選擇飛灰或頁巖為基質(zhì)；其次是鋁礬土、石灰石和膨潤土。表面流人工濕地多采用當(dāng)?shù)赝寥雷鳛榛|(zhì)材料。

建立人工濕地污水處理系統(tǒng)，基質(zhì)所需費用在整個人工濕地系統(tǒng)建設(shè)費用中占較大比重。因此，在基質(zhì)種類選擇過程中，應(yīng)在考慮所選基質(zhì)經(jīng)濟可行性的基礎(chǔ)上，評價其技術(shù)可行性。

(2)凈水植物的篩選。人工濕地構(gòu)建中所選用的植物，可以使用的植物種類范圍涉及較為廣泛，從類型上來說，從花卉植物到農(nóng)作物，從草本到木本，從水生到陸生，有幾十種之多。總體而言，人工濕地構(gòu)建過程中，植物的選擇應(yīng)遵循以下原則：

①耐污力強。植物自身的耐污力是在人工濕地構(gòu)建的植物選擇工作中的最首先要考慮問題。選擇自身耐污力強的植物，既保證了在人工濕地環(huán)境中植物可以正常生長，也有利于提高人工濕地總體凈化能力。最重要的一點在于，可以增強植物——微生物根際系統(tǒng)的作用，達(dá)到凈化的最佳效果。

②凈化能力強。每種植物對污水中污染物的吸收能力不同，也就是凈化能力不同。凈化力越強的植物，單位面積的污染物去除率就越高。研究表明，水生植物可積累大量的氮，占進水可溶有機氮的66%～100%，最大占進水可溶性無機氮的24%，而植物的吸收占據(jù)重要的作用。由此可見，選擇凈化能力強的植物栽種在污染區(qū)是非常重要的。

③根系發(fā)達(dá)。植物的吸收、吸附和富集作用與植物的根系發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)。植物的根系可以保持水土、維持植物與微生物旺盛的生命力，對保持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。根據(jù)Kieukth的根區(qū)法理論可知，根系發(fā)達(dá)的植物，其對污染物的吸收、吸附、富集能力更強，更有利于污染物的去除，是挑選污染區(qū)種植植物的原則之一。

④經(jīng)濟和美學(xué)價值高。人工濕地與傳統(tǒng)的污水處理方式相比，具有低成本、低能耗的特點，但是占地面積卻相對較大。由于土地資源有限，所以盡可能地使人工濕地不僅具有處理污水的功效，還具有一定的經(jīng)濟價值和環(huán)境價值。近年來，發(fā)達(dá)國家在人工濕地污水處理系統(tǒng)治污的同時引入園林設(shè)計的理念，產(chǎn)生了非常好的效果。

⑤因地制宜原則。選擇污染地區(qū)種植植物，在合理設(shè)計植物修復(fù)系統(tǒng)的同時，還要考慮種植區(qū)所在地的氣候、環(huán)境、水文等。所選擇的植物最好是本地種，這樣更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂?，適合本地生長，成活率高，可以更加高效地去處污染物。所以構(gòu)建植物修復(fù)系統(tǒng)時，適地原則是必須考慮在內(nèi)的。同時應(yīng)該考慮到植物種的選擇及種間的搭配，以便于植物更好地發(fā)揮協(xié)同作用，這也是重要原則之一。

⑥種間合理搭配原則。為增強污染區(qū)種植植物的效果以及美觀性原則，可考慮在污染區(qū)內(nèi)種植幾種優(yōu)勢物種，同時需要搭配種植其他物種。根據(jù)環(huán)境條件和植物群落的特征，按一定的比例在空間分布和時間分布方面進行安排，形成穩(wěn)定可持續(xù)利用的生態(tài)系統(tǒng)。但是，要充分考慮到不同植物種群間的相互競爭，各種植物的生存需求不同，對營養(yǎng)元素、光照、水質(zhì)的要求不同，對不同污染物的去處效果差距較大，應(yīng)根據(jù)污染區(qū)實際需求，合理搭配各種植物，以達(dá)到最優(yōu)去污、美觀效果。

4 結(jié)語

由具備水源涵養(yǎng)功能的森林生態(tài)系統(tǒng)和具備水質(zhì)凈化功能的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)兩大功能模塊組成的飲用水源地安全生物保護體系，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有森林生態(tài)系統(tǒng)對大氣降雨的調(diào)節(jié)再分配作用以及人工濕地對徑流水體的凈化(尤其是對由非點源污染所引起的水體污染具有很高的凈化作用)，整個系統(tǒng)由生物措施構(gòu)建，具備工程措施所缺失的環(huán)保性、可再生性等優(yōu)點，將為湖泊型飲用水源地的保護提供一條新的思路。

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