美國南佛羅里達(dá)州雨洪治理區(qū)研究介紹

關(guān) 雪,尹明玉,陳浩生

(水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長春 130021)

美國南佛羅里達(dá)州雨洪治理區(qū)研究介紹

關(guān) 雪,尹明玉,陳浩生

(水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長春 130021)

作為美國本土最大的亞熱帶濕地,南佛羅里達(dá)州的大沼澤地(Everglades)對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)健康具有重要的作用.近年,由于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)和城市開發(fā),特別是大沼澤地北部農(nóng)業(yè)區(qū)的地表徑流中磷負(fù)荷量超標(biāo),導(dǎo)致大沼澤地水質(zhì)不斷惡化,整個(gè)濕地系統(tǒng)的生物完整性面臨著嚴(yán)重威脅.為此,南佛羅里達(dá)州水務(wù)局自1994年以來,相繼建造了5個(gè)大規(guī)模人工淡水濕地,即雨洪治理區(qū).用于處理農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染,特別是磷的污染,目前已有效控制了排入大沼澤地地表徑流中總磷的含量.文中分析介紹了雨洪治理區(qū)的工程概況、除磷機(jī)理、凈化效果以及運(yùn)行監(jiān)測與維護(hù)情況.

人工淡水濕地,雨洪治理區(qū),沼澤地恢復(fù),水質(zhì),磷

美國南佛羅里達(dá)州的大沼澤地(Everglades),總面積約9 000 km2,是美國本土最大的亞熱帶濕地.該區(qū)域是一個(gè)復(fù)雜且相互依存的濕地生態(tài)系統(tǒng),長期以來主要依靠自身良性水文循環(huán),維持水分的平衡,是南佛羅里達(dá)州重要的淡水及生態(tài)資源.現(xiàn)為修復(fù)佛羅里達(dá)州的生態(tài)環(huán)境,特別是大沼澤地的生態(tài)環(huán)境,1991年佛羅里達(dá)州立法局通過了"沼澤地保護(hù)法(EPA)".1992年的聯(lián)邦訴訟法律協(xié)議中確定了一個(gè)長期的水質(zhì)限制標(biāo)準(zhǔn),即"要求水資源保護(hù)區(qū)和大沼澤地的水樣本總磷含量達(dá)到10ug/L的長期幾何平均標(biāo)準(zhǔn)(LTGM)".根據(jù)EPA法案、聯(lián)邦訴訟法律協(xié)議以及1994年修訂的"沼澤地永久法(EFA)"的水質(zhì)要求,南佛羅里達(dá)州水務(wù)局制定了沼澤地地表水改善和管理的規(guī)劃以及雨洪治理區(qū)(STAs)設(shè)計(jì)方案.

1 工程概況

1994年以來,南佛羅里達(dá)州水務(wù)局在水資源保護(hù)區(qū)、大沼澤濕地國家公園北部以及大沼澤農(nóng)業(yè)基地南部之間,相繼建造了5個(gè)總面積為680 km2(包含有效治理面積570 km2和基礎(chǔ)設(shè)施部件占地面積110 km2)的人工淡水濕地,即雨洪治理區(qū)(Stormwa?ter Treatment Areas簡稱"STAs"),用于處理農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染,尤其是磷的污染,以有效改善進(jìn)入大沼澤地地表徑流的水質(zhì),保護(hù)大沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)及南佛羅里達(dá)州水資源.項(xiàng)目總投資約73億元(包括占地、設(shè)計(jì)和施工建設(shè)),年運(yùn)行成本約1.7億元.5個(gè)雨洪治理區(qū)分別是STA-1E,STA-1W,STA-2,STA-3/4和STA-5/6,有效治理面積依次是50 km2,65 km2,155 km2,163 km2,137 km2.作為當(dāng)?shù)睾樗刂葡到y(tǒng)的組成部分,5個(gè)雨洪治理區(qū)均由南佛羅里達(dá)州水務(wù)局運(yùn)行、維護(hù)和管理.2016年,為了進(jìn)一步達(dá)到水質(zhì)改善目標(biāo),南佛羅里達(dá)州水務(wù)局建設(shè)完成了A-1流量調(diào)節(jié)池(FEB),通過該池的調(diào)蓄能力,可以將水流以較為穩(wěn)定的流速引到雨洪治理區(qū),從而優(yōu)化雨洪治理區(qū)STA-3/4和STA-2的除磷效果.目前,用于改善STA-1E和STA-1W除磷效果的流量調(diào)節(jié)池L-8正在建設(shè)之中.

2 除磷機(jī)理

大沼澤地濕地中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度,特別是磷的濃度在自然情況下是極低的,原生植物已經(jīng)適應(yīng)了低磷的生存環(huán)境.然而當(dāng)該生態(tài)系統(tǒng)中磷的含量過剩時(shí),則會(huì)導(dǎo)致不良植被大量生長,排擠和妨礙原生植物的生長,導(dǎo)致水生昆蟲、甲殼蟲以及其它無脊椎動(dòng)物缺乏食物和賴以生存的氧氣,從而影響魚類和涉水鳥類的生存,使大沼澤地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞.

大沼澤地雨洪治理區(qū)使用"綠色"技術(shù)來截留水中的磷,除磷機(jī)制主要包括植物和微生物攝取、顆粒沉降以及化學(xué)吸附等多重過程.每個(gè)雨洪治理區(qū),均由內(nèi)部堤防劃分成大小、配置和運(yùn)行時(shí)期不同的治理單元,從而形成不同的水流路徑,并通過泵站、閘門或涵洞等水工建筑物來控制不同水流路徑的水量分布.治理單元中的水生植物群落,根據(jù)其生長習(xí)性主要可以劃分為挺水植物(EAV)、沉水植物(SAV)和浮水植物(FAV)三類.其中挺水植物主要包括香蒲、蘆葦、鱷魚旗等,通常密集的分布于水流路徑的前端,通過阻力來促進(jìn)磷的沉降過程;沉水植物主要包括軟水草、水池草等;浮水植物主要包括水浮蓮、睡蓮、水葫蘆等.這些水生植物可以通過生長一直到凋落整個(gè)生命周期來去除水中富含的營養(yǎng)物,例如香蒲降解的葉片可以繼續(xù)除磷,并且沉淀在沼澤地底部成為濕地沉積物,沉積物下方的石灰?guī)r層可以吸收其中的磷并且儲(chǔ)存幾十年.此外,散布在這些植被中的附著生物對提高除磷效果也是有利的.這些附著生物主要是水藻、微型無脊椎動(dòng)物、碎屑的復(fù)雜組合,可以吸附在植物、土壤表面或者自由漂浮.

3 凈化效果評價(jià)

根據(jù)歷史監(jiān)測資料,1995年以來,大沼澤地雨洪治理區(qū)總計(jì)處理了約215億m3的徑流量,去磷總量達(dá)2 220 t.表1列出了各個(gè)雨洪治理區(qū)處理徑流總量以及進(jìn)水和出水多年總磷濃度對比.可以看出,出水總磷濃度比進(jìn)水減少了69%～85%,說明雨洪治理區(qū)截留磷的效果顯著;而各個(gè)雨洪治理區(qū)的除磷效果也存在一定的差異,其中STA-3/4和STA-2除磷效果最好,有效降低總磷濃度分別達(dá)到85%和77%.

4 運(yùn)行監(jiān)測與維護(hù)

作為人工淡水濕地,大沼澤地雨洪治理區(qū)的運(yùn)行受天氣(降雨、干旱、颶風(fēng)等)、植被生長率、野生動(dòng)植物以及有害植物入侵等自然條件的影響.此外,前期土地利用情況、土壤類型、治理單元地形、地貌、養(yǎng)分和水力負(fù)荷等也會(huì)影響該工程的除磷效果.作為目前世界規(guī)模最大的人工淡水濕地,其運(yùn)行和管理方式也是一個(gè)不斷研究和改善的過程.為了最大限度提高除磷效果,南佛羅里達(dá)州水務(wù)局基于每周采集的檢測水位和出水總磷濃度、水力負(fù)荷和總磷負(fù)荷、植被條件以及野生動(dòng)物限制問題等數(shù)據(jù)和信息,采用適應(yīng)管理的方式來運(yùn)行該工程,即優(yōu)化各個(gè)雨洪治理區(qū)中不同水流路徑的水量分布,并不斷調(diào)整和改善運(yùn)行條件.

表1 雨洪治理區(qū)除磷效果成果表(1995-2016年)

水量和水質(zhì)監(jiān)測是雨洪治理區(qū)運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分,定期監(jiān)測每個(gè)治理單元是判斷其除磷效果的重要依據(jù).該工程中近30個(gè)泵站、350個(gè)水工控制結(jié)構(gòu)、約1 000 km左右的堤防和渠道的機(jī)械維修、預(yù)防性維護(hù)、侵蝕控制和碎片清理同樣至關(guān)重要.

極端天氣是該工程運(yùn)行和管理中面臨的極大挑戰(zhàn),南佛羅里達(dá)州水務(wù)局已經(jīng)在新的設(shè)計(jì)方案中考慮了大風(fēng)和降雨的影響,并通過調(diào)整運(yùn)行方式如增加泵站抽水來應(yīng)對可能出現(xiàn)的持續(xù)干旱.

5 結(jié)語

南佛羅里達(dá)州實(shí)施雨洪治理區(qū)工程已有20余年,對地表徑流中的磷具有較好的凈化作用,使大沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)得到了有效的恢復(fù)和極好的保護(hù),同時(shí)還為各種生物提供了良好的棲息地.為進(jìn)一步改善水質(zhì),2012年佛羅里達(dá)州和美國環(huán)境保護(hù)署達(dá)成共識(shí),對大沼澤地雨洪治理區(qū)進(jìn)行擴(kuò)建,還將進(jìn)一步開展科學(xué)研究特別是加強(qiáng)水質(zhì)的監(jiān)測監(jiān)控,使其在保護(hù)大沼澤地及南佛羅里達(dá)州水資源和生態(tài)系統(tǒng)中,繼續(xù)發(fā)揮重要的作用.

TV87 < class="emphasis_bold">[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]C

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1002-0624(2017)11-0069-02

2017-09-20