人工濕地集成工程的水質(zhì)水生態(tài)效應(yīng)研究

郭曉瑋，黃奕龍

(1. 深圳市大鵬半島水源工程管理處, 廣東 深圳 518119; 2. 深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院, 廣東 深圳 518008)

水環(huán)境治理是我國當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)水生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，其治理措施包括了污水收集、轉(zhuǎn)輸送、處理工程，河道、湖泊面源及內(nèi)源控制、處理措施等?；谫M用效益、處理效果、景觀作用等方面的優(yōu)勢，人工濕地工程得到了越來越多的關(guān)注。人工濕地是在一定的填料上種植特定的濕地植物，建立起一個人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，利用所建設(shè)施的高程差異，讓污水流經(jīng)濕地系統(tǒng)，使得其中的污染物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)被系統(tǒng)吸收或分解，進而讓水質(zhì)得到凈化[1]。然而，已有的研究側(cè)重于人工濕地工藝及其短期水質(zhì)效果，對于其長期水質(zhì)改善作用，及其在水生態(tài)修復(fù)方面的效應(yīng)鮮有報道[1-3]。本項研究擬以城市典型人工濕地和多水塘系統(tǒng)構(gòu)建的集成工程為例，通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測，系統(tǒng)分析人工濕地集成工程的水質(zhì)水生態(tài)改善效果，以期為人工濕地工程的績效評估，以及工程優(yōu)化和運行管理提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

深圳市洪湖人工濕地位于布吉河流域的洪湖公園，人工濕地工程采用了高效垂直流人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)，從布吉河取水經(jīng)系統(tǒng)凈化后為洪湖補水，濕地工程分一期(1 000 m3/d)、二期(400 m3/d)和三期(4 000 m3/d)，建設(shè)總規(guī)模為5 400 m3/d。在人工濕地工程的后端，建立了多水塘系統(tǒng)，形成好氧塘、兼性塘和厭氧塘的排列，進一步改善水質(zhì)。

在濕地的建設(shè)過程中，充分考慮了濕地植物的水質(zhì)凈化和景觀效果，采用了具有良好視覺效果和凈水作用的美人蕉、菖蒲、風(fēng)車草、再力花、蘆葦?shù)揉l(xiāng)土植物，取得了較好的環(huán)境效果。濕地自2004年12月完成三期工程建設(shè)后，工藝流程圖和總體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 人工濕地與多水塘工程工藝流程圖

圖2 洪湖人工濕地工程及采樣點示意圖

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

試驗內(nèi)容為人工濕地出水水質(zhì)，以及不同湖泊位置的水生生物。水質(zhì)監(jiān)測包括DO、pH、DO、BOD5、NH3-N、TN和TP。水生生物監(jiān)測包括浮游植物、動物和底棲動物的群落結(jié)構(gòu)、豐度、生物量、多樣性指數(shù)，均采用水和廢水分析方法(第四版)和微型生物監(jiān)測新技術(shù)。

2.2 樣品采集與分析

(1)浮游植物樣品的采集和分析。水樣量為1 L，用碘液固定，樣品在Nikon-TS100顯微鏡下進行觀察，藻類的鑒定依據(jù)胡鴻鈞和魏印心[4]介紹的方法。

(2)浮游動物樣品的采集和分析。原生動物和輪蟲定量樣品與浮游植物共用，樣品在Nikon-TS100顯微鏡進行種類鑒定，在進行計數(shù)、測量個體大小基礎(chǔ)上，計算個體重量。

(3)底棲動物樣品的采集和分析。定性樣品采用三角拖網(wǎng)，定量采用彼得遜采泥器，現(xiàn)場在樣品加入1%福爾馬林進行固定，所有樣品在Nikon-TS100顯微鏡下進行種類鑒定、濃縮計數(shù)。

2.3 指數(shù)計算方法

參照張覺民和何志輝編著的《內(nèi)陸水域自然資源調(diào)查手冊》[5]，計算香農(nóng)多樣性指數(shù)計算，公式如下：

(1)

式中：H′為種類多樣性指數(shù)；S為樣品中的種類總數(shù)；Pi為第i種的個體數(shù)與總個體數(shù)的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地進出水水質(zhì)

人工濕地工程進水水質(zhì)以及各期獨立出水水質(zhì)如表1所示。由表1可知，濕地工程進水水質(zhì)較差，氮和磷等營養(yǎng)鹽嚴(yán)重超標(biāo)，均為劣Ⅴ類水體。經(jīng)過濕地處理后，除NH3-N外(2.40～5.26 mg/L)，一期和三期出水其他水質(zhì)指標(biāo)基本可以達到III類水標(biāo)準(zhǔn)；相對來說，二期出水稍差，TP和NH3-N均為劣Ⅴ類水體。

表1 洪湖人工濕地進出水水質(zhì)比較

3.2 湖體水質(zhì)

人工濕地出水后，經(jīng)過洪湖公園內(nèi)的多水塘系統(tǒng)、水生植物系統(tǒng)后，水體質(zhì)量得到進一步的改善，特別是DO的提高，以及N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的下降(見表2)。

從時間尺度來看，多次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值較為穩(wěn)定，特別是各營養(yǎng)元素的濃度較穩(wěn)定，表明工程實現(xiàn)了長效運行。

表2 洪湖湖體水質(zhì)變化趨勢

3.3 湖體水生生物

水生生物組成結(jié)構(gòu)：2006-2014年洪湖湖體水生生物變化如表3和表4所示。由表3和表4可知，①浮游植物的藍藻門、綠藻門和硅藻門的物種數(shù)量均呈現(xiàn)下降的趨勢、其他門類的物種略有增加，浮游植物種類總體呈現(xiàn)下降的趨勢，由綠藻門占優(yōu)勢演變?yōu)楦鏖T類相對均衡。且浮游植物優(yōu)勢物種發(fā)生變化，總體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的趨勢。②對于浮游動物來說，由枝角類和橈足類占優(yōu)勢演變?yōu)檩喯x、枝角類和橈足類種類數(shù)均衡的局面，浮游動物物種總數(shù)也呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(2014年物種數(shù)比2006年增加5倍多)。③對于底棲動物來說，其物種數(shù)也呈現(xiàn)明顯增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的趨勢(2014年物種數(shù)比2006年增加了4倍多)。

表3 2006-2014年洪湖湖體水生生物組成結(jié)構(gòu)

表4 洪湖浮游植物優(yōu)勢種

注：*優(yōu)勢種：相對豐度>10%，5%<次優(yōu)勢種<10%。

水生生物多樣性指數(shù)：湖體內(nèi)4個時段的水生生物多樣性指數(shù)如表5所示。由表5可知，湖體內(nèi)浮游植物多樣性指數(shù)較高，但近年來逐漸由2006年的5.37下降為2014年的3.25，可能與湖體內(nèi)營養(yǎng)鹽逐漸減少，耐污種大幅度減少、清潔種緩慢增加有關(guān)；浮游動物多樣性指數(shù)近年來逐漸提高，由2006年的0.87上升為2014年的2.61，已經(jīng)處于物種較為豐富的程度；浮游動物多樣性指數(shù)明顯提高，由2006年的0.56提高到2014年的2.13。

在湖泊內(nèi)部各多樣性指數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，浮游植物多樣性指數(shù)以3號點最小，1號點最高，2號點居中，這可能與營養(yǎng)元素隨著多水塘系統(tǒng)的凈化處理，水質(zhì)得到逐步改善有關(guān)(見表6)；而浮游動物和底棲動物多樣性指數(shù)是1號點較小，3號點最高，2號點居中的特點，說明經(jīng)過多個水塘凈化后，末端的水塘具有最優(yōu)的生境條件，具有較好的恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的條件。

表5 2006-2014年洪湖湖體水生生物多樣性指數(shù)

表6 洪湖湖體生物多樣性指數(shù)空間變異

與布吉河洪湖段相比，洪湖湖體的浮游植物多樣性指數(shù)是河道的2.36倍，底棲動物多樣性指數(shù)由河道的0提高到1.59，明顯具有生物多樣性富集的特點。

4 結(jié) 語

本項研究以深圳市洪湖公園人工濕地集成工程為例，分析其水質(zhì)和水生態(tài)改善效果，得到如下結(jié)論。

(1)人工濕地工程出水水質(zhì)較好，除NH3-N外，主要水質(zhì)指標(biāo)均可以達到III類水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)人工濕地出水，經(jīng)過洪湖公園內(nèi)的多水塘系統(tǒng)、水生植物系統(tǒng)后，水體質(zhì)量得到進一步的改善，特別是DO的提高，以及N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的下降，長期監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)人工濕地工程實現(xiàn)了長效運行。

(3)通過2006-2014年的長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，洪湖湖體浮游植物物種數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，并由綠藻門占優(yōu)勢演變?yōu)楦鏖T類相對均衡；浮游動物由枝角類和橈足類占優(yōu)勢演變?yōu)檩喯x、枝角類和橈足類物種數(shù)均衡的局面，浮游動物物種數(shù)也呈現(xiàn)明顯增加的趨勢；底棲動物物種數(shù)呈現(xiàn)明顯增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的趨勢。

(4)湖體內(nèi)水生生物多樣性指數(shù)具有一定的時間差異性。2006-2014年間，浮游植物多樣性下降，但浮游動物和底棲動物多樣性指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，反映出湖泊多水塘系統(tǒng)在水生態(tài)修復(fù)中的作用。

(5)湖泊水生生物多樣性指數(shù)呈現(xiàn)一定的空間差異性，與人工濕地最近的1號樣點具有較高的浮游植物多樣性指數(shù)，與人工濕地最遠的3號樣點具有較高的浮游動物和底棲動物多樣性指數(shù)，說明經(jīng)過多個水塘凈化后，末端的水塘具有最優(yōu)的生境條件，具有較好的恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的條件。

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[1] 楊永興.國際濕地科學(xué)研究的主要特點、進展與展望[J].地理科學(xué)進展，2002,21:111-120.

[2] 李貴寶,周懷東,尹澄清.濕地植物及其根孔在非點源污染治理中的展望[J].中國水利，2003,(4):51-52.

[3] 蔣廷杰,齊增湘,羅 軍,等.人工濕地水質(zhì)凈化機理與生態(tài)工程研究進展[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,36(3):356-362.

[4] 胡鴻鈞，魏印心.中國淡水藻類: 系統(tǒng)、分類及生態(tài)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[5] 張覺民，何志輝.內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查手冊[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1991.