頤和園葫蘆河對徑流水質(zhì)凈化的研究

朱慶玲　施凌鳳　傅凡　魏海琪　樊子超　吳興曄　尹天雄

摘 要：隨著淡水資源的缺失，城市景觀水系中人工濕地對水體凈化作用意義較大。頤和園中萬壽山南北地勢起伏較大，工程上在萬壽山和昆明湖之間用葫蘆河作為蓄水池凈化雨水沖刷山體的暴雨徑流。通過采集5 ～ 8月降雨前后昆明湖及葫蘆河的水樣和一系列實驗分析，對比兩地的氨氮、總氮、總磷、COD、TSS五個指標，探究和總結出葫蘆河對進入昆明湖的雨水徑流的實際凈化作用，并將此凈化作用推廣運用到實際的人工濕地案例當中，在將來城市景觀設計中發(fā)揮積極性的意義。

關鍵詞：昆明湖；葫蘆河；雨水；徑流；凈化；生態(tài)

1 背景介紹

景觀水系是城市景觀的重要組成部分，隨著時代背景改變，當代城市景觀水系在具備傳統(tǒng)特征的同時，向生態(tài)方向發(fā)展。工業(yè)革命后，現(xiàn)代城市出現(xiàn)了不同程度的淡水資源、園林綠地用水緊缺和污染問題。水體富營養(yǎng)化、微生物代謝污染、重金屬污染是最突出的幾種水質(zhì)問題表現(xiàn)形式，也是城市水循環(huán)系統(tǒng)中需要重點處理的水質(zhì)問題。在此要求下，現(xiàn)代水景設計應格外重視對水體生態(tài)工程技術的應用，并使相關技術在建成的水景中真正實現(xiàn)其生態(tài)功能，使景觀水系不僅不會成為城市水循環(huán)系統(tǒng)的凈水消費者，反而成為城市水循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)凈化者。

雨水是地表水蒸發(fā)形成的結果。由于人類科技不斷發(fā)展，工業(yè)廢水、工廠有害氣體、汽車尾氣等最終被大氣吸收而形成雨水，周而復始的惡性循環(huán)。雨水中少量二氧化硫、二氧化氮，還有空氣中各種各樣的雜質(zhì)和浮塵。景觀水系中降落的雨水和地表的徑流是造成園林景觀水質(zhì)污染的一個重要來源。

位于北京頤和園內(nèi)的昆明湖原為北京西北郊眾多泉水匯聚成的天然湖泊。清朝，乾隆皇帝在甕山一帶興建清漪園，將湖開拓并命名昆明湖，并將開拓昆明湖的土方按照原布局的需要堆放于萬壽山上，使山體南北地勢起伏較大。雨季，雨水對于萬壽山山體沖刷不可避免，攜帶著泥沙的雨水從山上流入昆明湖，造成大量泥沙堆積，水體的清淤工作將非常繁重。古匠通過造景的手法，讓萬壽山上匯集的雨水徑流先匯入一個小河。這些池塘叫‘沉淀池，水流匯集到這里，流速會變緩，夾雜的泥土在這里自然沉降，再通過排水管道排入湖中，大大減少了湖水中的泥沙淤積，便于清淤。頤和園昆明湖旁就有一個葫蘆形狀的沉淀池，稱為“葫蘆河”，于山前平地上。從造景方面說，葫蘆河的意義不大，和昆明湖開闊的水域相比，葫蘆河太小，且水不深，基本無親水性可言。

葫蘆河的設置攔截了萬壽山前山的暴雨徑流，避免雨水直接沖擊長廊的基礎，沉降雨水中攜帶的樹枝落葉和沙石。葫蘆河的設置既利用了雨洪資源，又保護了建筑和游人的安全，兼有方便清淤的作用，可謂一舉三得。但這一說法眾說紛紜，古代建造的葫蘆河是否有此功能，其效果到底如何，至今沒有實驗性研究和論證。

2 目的和方法

為論證葫蘆河的生態(tài)意義，我們通過前期策劃、連續(xù)四個月的實地調(diào)研和實驗結果分，對葫蘆河凈化作用做深入地探究。

葫蘆河水域面積約800平方米，沿岸邊的水深約25cm，河中央的水深達40cm，位于萬壽山山前平地，距昆明湖湖水之間的距離不過30米。葫蘆河中主要生長著馬尿花、菖蒲、睡蓮這三種植物。

在2016年5月至8月4個月的時間，我們對湖水進行定點采水。葫蘆河面積較小，濕地類型單一，實驗確定了兩個監(jiān)測點位，分別為葫蘆河中的水及昆明湖某一堤岸的水，取樣采水點水深均為0.3m。我們在晴天和特殊天氣進行采水監(jiān)測，如降雨、冰雹天氣等。采集來的水樣在當天進行實驗檢測并錄入結果。我們使用哈希DR3900水質(zhì)分析儀、消解器DRB200雙通道儀器來檢驗采集標本中的總氮、總磷、氨氮、固體懸浮物和化學需氧量五個指標，并和《地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-2002》的各項指標進行比較。

《地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-2002》是防治水污染、保護地表水水質(zhì)、保障人體健康、維護良好的生態(tài)系統(tǒng)而制定的標準。該標準依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標，按功能高低劃分為五類，我們采取第Ⅳ類標準，即一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)，研究氨氮、總磷、總氮、COD、TSS五個參數(shù)。標準依次是：化學需氧量（COD）需≤30；氨氮（NH3-N）需≤1.5；總磷（P）需≤0.3（湖、庫0.1）；總氮（N）需≤1.5。TSS指標是本次實驗的第五個參數(shù)。懸浮物是懸浮在水中的固體物質(zhì)，包括不溶于水中的無機物、有機物及泥沙、黏土、微生物等，是造成水渾濁的主要原因，是衡量水污染程度的重要指標之一。

通過采集周期性的數(shù)據(jù)，按時間軸畫出水質(zhì)指標的柱狀圖，直接反映通過葫蘆河對的地表徑流的凈化程度和對昆明湖的水質(zhì)影響。

采水過程中水樣的特殊性、實驗時間的滯后性、實驗過程中不可避免的操作誤差都會對結果造成一定的影響。因此，我們在操作和實驗中盡可能降低河水收集和操作過程中的誤差。

3 結果和分析

3.1 晴天監(jiān)測

在5月到8月4個月每月初的晴天，對昆明湖和葫蘆河進行水質(zhì)采集和檢測，分別是5月4日、6月3日、7月6日、8月7日四天。

實驗結果同國家地質(zhì)標準水質(zhì)的數(shù)據(jù)比較，兩地水質(zhì)的氨氮量均為標準數(shù)據(jù)，總磷都有所超標。8月葫蘆河水樣測得數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度增長，超過國家標準值，其他各項數(shù)據(jù)均在國家地質(zhì)水質(zhì)標準的規(guī)范范圍內(nèi)。總氮與COD較接近標準內(nèi)的最大極限數(shù)據(jù)。TSS數(shù)值均為昆明湖大于葫蘆河。隨著月份的推移，氣溫的變暖，各組數(shù)據(jù)的整體呈增長趨勢，昆明湖的水質(zhì)富營養(yǎng)化在5月到8月內(nèi)，是逐步加重的。

3.2 雨天監(jiān)測

在5月到8月連續(xù)四個月內(nèi)的每一個降水日24h內(nèi)對采水點進行采水和實驗?？刂撇煌鞖庾兞康挠绊懀贸霰M可能更準確的結果。

實驗結果同國家地質(zhì)標準水質(zhì)的數(shù)據(jù)比較，雨水徑流水源經(jīng)過葫蘆河注入昆明湖的氨氮有所降低；葫蘆河的總氮數(shù)值普遍高于國家標準；昆明湖的總氮數(shù)值個別超過國家標準；雨水徑流經(jīng)過葫蘆河注入昆明湖后總氮值明顯降低，使得昆明湖的水質(zhì)有較大的提升；葫蘆河然對水體中的總磷有著凈化能力，但凈化能力不足。雨水徑流水源經(jīng)過葫蘆河注入昆明湖的COD有所降低。降水量對于水體中總磷的數(shù)據(jù)影響較大，降水量越大水體中的總磷數(shù)據(jù)越高。

3.3 晴雨天同時比較、監(jiān)測

將5月到8月內(nèi)所有采水日的晴天和降雨日的數(shù)據(jù)同時比較，進而分析葫蘆河對雨水徑流的凈化作用及對昆明湖的影響。（柱狀圖的線框標注為晴天的采水日期及數(shù)據(jù)，其他日期均為雨天的采水日數(shù)據(jù)）

圖4 NH3-N氨氮檢測數(shù)據(jù)

5月到8月數(shù)據(jù)中，雨天的氨氮值總的來說大多高于晴天的氨氮值，且都遠低于標準值，兩地水質(zhì)在氨氮量方面表現(xiàn)良好。雨水徑流流入葫蘆河的氨氮數(shù)值明顯高于經(jīng)過葫蘆河流入昆明湖后河水的氨氮值，即葫蘆河對于氨氮的凈化有一定作用。

從實驗數(shù)據(jù)看出，雨天的總氮值基本都高于晴天，即降雨會增加河水中總氮值含量。雨季，徑流流到葫蘆河的總氮含量偏高，而流經(jīng)葫蘆河進入昆明湖的總氮的含量有所下降，說明葫蘆河對于總氮有凈化作用。將數(shù)據(jù)和標準值作比較，河水流過葫蘆河時的總氮量總是高于標準數(shù)值，通過葫蘆河的凈化，使總氮值有所下降，都達到了標準值或低于標準值。

從實驗數(shù)據(jù)看出，雨天的總磷值基本都高于晴天，由此看出降雨會增加河水中總磷含量。雨季，雨水徑流經(jīng)葫蘆河進入昆明湖后的總磷數(shù)值有所下降，但與標準基本項目標準限值相比，數(shù)值基本在標準值上下徘徊，說明葫蘆河具有的吸收磷的能力有限，且均有所超標。

從實驗數(shù)據(jù)看出，晴天的COD值低于下雨時，說明雨水對河中COD數(shù)值有增大的影響。雨季，徑流經(jīng)過葫蘆河的過濾進入昆明湖后的OCD含量低于葫蘆河，則葫蘆河能降低徑流中COD含量，對水質(zhì)凈化起到一定作用。將測量數(shù)據(jù)標準值比較，發(fā)現(xiàn)葫蘆河和昆明湖的COD含量都遠低于標準值，說明兩地水質(zhì)在COD方面良好。

通過數(shù)據(jù)對比，雨水沖刷地表形成雨水徑流，攜帶了大量懸浮物，使晴天TSS含量低于雨天含量，河水污染加劇。數(shù)據(jù)顯示晴天和降雨時TSS數(shù)值均為昆明湖大于葫蘆河，由于葫蘆河自身存在類似濕地的凈化作用，能沉淀水中的雜質(zhì)。

4 討論總結

通過實驗分析，呈現(xiàn)趨勢顯示：

第一，葫蘆河具有較明顯的凈化作用。晴天，葫蘆河的水質(zhì)與昆明湖的差異相對較低，而雨季，地表徑流流入葫蘆河內(nèi)，葫蘆河水質(zhì)情況差于昆明湖。水流經(jīng)過葫蘆河進入昆明湖，對氨氮、總氮及COD的凈化作用顯著，均恢復為正常標準；葫蘆河對總磷有一定的降低作用，未達到國家標準值；而昆明湖水質(zhì)的TSS指標持續(xù)較高。

第二，濕地中存在的微生物在污染物與微量元素的降解過程中起著一定作用，葫蘆河就是這個這樣的濕地系統(tǒng)，利用其自身的機制，凈化了來自雨水和地表徑流的水源，再流入昆明湖。

第三，可溶性有機物通過土壤中的生物膜（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）的吸附及微生物的代謝過程被去除。從實驗數(shù)據(jù)分析來看，降雨后葫蘆河和昆明湖的COD值均明顯上升，而晴天兩地的COD值趨于同一區(qū)間，即葫蘆河對地表徑流中的有機物COD值有一定程度的凈化作用，正是由于葫蘆河中的土壤吸附了一定程度的有機物。

第四，濕地去除氮的機理主要包括水生植物的吸收、微生物的硝化/反硝化脫氮和氮的揮發(fā)。雨后葫蘆河和昆明湖的總氮值均明顯上升，而晴天兩地的總氮值趨于同一區(qū)間且遠低于雨季，葫蘆河對地表徑流的氮含量即通過這樣的機制凈化。葫蘆河的水生植物除景觀作用之外，對總氮的吸收和降解具有明顯的生態(tài)作用。

第五，濕地對磷的去除是植收、微生物及物理化學作用等三方面共同作用的結果。葫蘆河濕地系統(tǒng)通過這三種方式降低總磷含量。

第六，濕地對氨氮有一定降解效果，以微生物降解起主要作用。葫蘆河通過微生物等對雨水、地表徑流進行水質(zhì)凈化。

第七，雨后水質(zhì)各指標降低，葫蘆河水質(zhì)的各項指標變化尤為明顯；大部分污染物隨著沉淀到葫蘆河，減弱降水與地表徑流對水體污染的作用。

第八，隨著夏季的到來，溫度的增加、氣候變潮濕，昆明湖和葫蘆河水質(zhì)中的五項指標均有所增加。凈化處理效果不甚穩(wěn)定，處理效果隨季節(jié)變化而變。

綜上，葫蘆河和昆明湖的水質(zhì)大多超標，受降水影響大。葫蘆河對降低昆明湖總磷的作用不足，需要結合其他凈化方式；葫蘆河對降低昆明湖氨氮、總氮及COD有一定作用，說明小湖對于大湖有著積極的凈化過濾功能，對于人工濕地的建設提供了有效的有效依據(jù)和處理方式，意義較大。

由于人為或者實驗儀器的原因造成了個別實驗數(shù)據(jù)的誤差，實驗的精確性有待進一步提高。

5 結語

通過實驗討論，總結出完整雨季葫蘆河和昆明湖的水質(zhì)情況。葫蘆河在工程上發(fā)揮的作用，類似的“沉淀池”，小水池間接地起著凈化大湖水質(zhì)的輔助功能、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益。這個類似的功能可以加以推廣，延續(xù)其作用，充分利用在園林建設和城市綠化設計中。在綠化建設中，此類小湖的凈化功能需結合當?shù)氐臍夂颉⑺|(zhì)等進行設計及應用。但從水質(zhì)凈化而言沉淀池的作用不能完全解決水質(zhì)凈化問題，仍需從根源出發(fā)，減少水污染，通過其他凈化措施與技術結合，以充分達到景觀水系中水循環(huán)與利用。

由于采水的河水中，水質(zhì)測量會存在著一定的各種微生物和微量元素分布不均的情況，以及實驗中不可避免的誤差會對實驗造成一定的影響。我們會對采水方式進行改進，實驗操作的過程盡量的精確，保證實驗數(shù)據(jù)更加準確和科學。

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