湖(庫)濱帶生態(tài)構(gòu)建設(shè)計(jì)
——以簡陽三岔湖為例

歐陽莉莉, 賈濱洋, 李 晶

(成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 成都 610031)

1 引 言

湖濱帶是指與湖泊、濕地相鄰的水陸生態(tài)交錯帶的一種類型[1]，是人類活動最集中的場所[2]，也是地球上最脆弱的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一[3]。湖濱帶具有保持物種多樣性、調(diào)節(jié)物流和能流、穩(wěn)定相鄰生態(tài)系統(tǒng)和凈化水體、減少污染等重要的生態(tài)功能、環(huán)境功能、美學(xué)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值等[4]，近年來引起越來越多的關(guān)注和重視。該緩沖區(qū)域若因過度開發(fā)利用而萎縮，湖泊的生態(tài)環(huán)境就會變得極其脆弱而易發(fā)生變化[5]。因此對濱湖帶生態(tài)構(gòu)建工程進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)復(fù)雜的生境、多樣的動植物群落，使其凈化湖泊水質(zhì)、發(fā)揮最大的生態(tài)效益，將會為富營養(yǎng)化湖泊的治理提供新的生態(tài)工程技術(shù)手段。

本研究以成都“東進(jìn)”戰(zhàn)略中天府空港新城生態(tài)景觀帶的重要組成部分——三岔湖景區(qū)起步區(qū)“天權(quán)景區(qū)”的西南側(cè)新民鄉(xiāng)湖濱帶為例，設(shè)計(jì)建設(shè)生態(tài)工程，以實(shí)現(xiàn)三岔湖水生、陸生生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)、構(gòu)建生境的多樣性、改善水質(zhì)等主要目標(biāo)，為西南地區(qū)具有富營養(yǎng)化趨勢的水體及湖濱帶生態(tài)構(gòu)建工作提供參考。如何結(jié)合“東進(jìn)”天府國際空港新城的發(fā)展目標(biāo)與三岔湖的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，進(jìn)行三岔湖環(huán)境保護(hù)管理工作，也是三岔湖未來的重要發(fā)展方向。

2 湖濱帶修復(fù)的研究進(jìn)展

國外開展湖泊恢復(fù)的研究工作開始比較早，自20世紀(jì)70年代開始，西方發(fā)達(dá)國家就開展了相關(guān)的研究和實(shí)踐，以保護(hù)自然濕地并回復(fù)退化的湖濱、河岸帶[6]。1975年，美國政府連續(xù)撥款支持湖泊恢復(fù)的研究和技術(shù)發(fā)展，華盛頓湖在富營養(yǎng)化水質(zhì)控制與改善方面取得了明顯的效果，被視為湖泊生態(tài)恢復(fù)的范例[7～9]。加拿大安大略湖地區(qū)的8個州和安大略省開展了對安大略湖修復(fù)實(shí)施計(jì)劃[10]。1993年丹麥計(jì)劃在近幾年內(nèi)分別降低湖泊氮和磷50%和80%[11]；瑞典的Trummen湖通過生態(tài)工程的綜合治理，水質(zhì)得到很大改善[12]。

我國雖然起步晚一些，但發(fā)展很快，目前湖濱帶生態(tài)恢復(fù)研究已受到廣泛重視，并從實(shí)驗(yàn)階段向?qū)嶋H應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。章申等[13]提出了白洋淀區(qū)域水域生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的綜合技術(shù)方案；許朋柱等[14]提出了太湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)退化恢復(fù)的設(shè)想；顏昌畝等[4]在云南滇池和洱海開展了湖濱帶生態(tài)恢復(fù)工程；金丹越等[15]提出了洱海東區(qū)湖濱帶生態(tài)修復(fù)方案；葉春等[16]將洱海退化湖濱帶的生態(tài)修復(fù)與農(nóng)村面源污染控制相結(jié)合；葉春等[17]探討了洱海湖濱帶生態(tài)修復(fù)的原則和設(shè)計(jì)方法。

在生態(tài)恢復(fù)技術(shù)方面，楊龍?jiān)萚18]發(fā)現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)應(yīng)優(yōu)先選用適應(yīng)環(huán)境條件、凈化和抗干擾能力強(qiáng)的土著種；群落空間配置要根據(jù)湖濱帶形態(tài)、底質(zhì)、氣候等因素，合理配置不同生活型植物[19]；同時(shí)應(yīng)結(jié)合優(yōu)勢種的季節(jié)變動性，保證水生植物具有周年連續(xù)性[5, 20]。楊清心、王海珍等[21-22]通過配置不同食性魚類，使得圍隔內(nèi)浮游植物及水生微管束植物的種類組成和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，生態(tài)系統(tǒng)的功能得以恢復(fù)。

3 研究區(qū)域概況

三岔湖是四川省第二大水庫，位于東經(jīng)104°11′16″至104°17′16″、北緯30°13′8″至30°19′56″，1977年在絳溪河上筑壩成湖，為丘陵湖泊型水庫。三岔湖湖區(qū)面積27km2，湖岸曲折，形態(tài)復(fù)雜，湖周長240km，南北長18km，東西寬7km[23]。本課題示范工程區(qū)域位于三岔湖景區(qū)起步區(qū)“天權(quán)景區(qū)”西南側(cè)新民鄉(xiāng)的湖濱帶，該景區(qū)總體定位為以觀光、游憩、集散和服務(wù)為主。工程建設(shè)前，土地利用現(xiàn)狀以耕地和林地為主，由于受內(nèi)源污染影響，工程建設(shè)前湖水狀況為劣V類水質(zhì)，主要污染物為氮磷營養(yǎng)鹽。湖濱帶監(jiān)測點(diǎn)位見圖1。

圖1 三岔湖西南側(cè)濱湖帶監(jiān)測點(diǎn)位示意圖(SC-1代表湖濱帶監(jiān)測點(diǎn)位)Fig.1 Sampling sites of the lakeside zone, southwest of Sancha Lake(SC-1 represent the sampling site)

三岔湖具有連續(xù)多年(1989～2009年)的高密度箱網(wǎng)養(yǎng)魚歷史，所投放的飼料殘余物及魚類排泄物，主要以底泥的形式沉積于湖泊底部，其作為湖泊外源污染物控制后的主要污染來源，對湖泊水質(zhì)的污染貢獻(xiàn)極大。而位于湖泊中較封閉彎道及水體流動較小或幾乎不動的湖濱帶，其水質(zhì)成為全湖水質(zhì)治理的難點(diǎn)之一。湖濱帶的主要環(huán)境問題可概括為：氮磷營養(yǎng)鹽濃度超標(biāo)、內(nèi)源污染負(fù)荷較大、淺水區(qū)水體流動性小、水體富營養(yǎng)化。

4 三岔湖湖濱帶生態(tài)構(gòu)建工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

4.1 三岔湖湖濱帶生態(tài)恢復(fù)模式建議

根據(jù)三岔湖湖濱帶現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，總結(jié)出三岔湖湖濱帶類型包括農(nóng)田型、農(nóng)田植被型、巖石裸地型、魚塘型、休閑渡假村型以及河口型(圖2)。結(jié)合湖濱帶修復(fù)思路與技術(shù)體系，初步提出適于三岔湖不同類型湖濱帶生態(tài)恢復(fù)模式建議[24-25]。具體如下。

圖2 三岔湖湖濱帶類型Fig.2 Types of the lakesides of Sancha lake

農(nóng)田型湖濱帶：在三岔湖各個區(qū)域均有分布，湖濱帶為農(nóng)田，直接與水面接觸。建議結(jié)合少廢農(nóng)田模式[26]和面源污染控制模式進(jìn)行修復(fù)，調(diào)整湖濱帶上農(nóng)田的格局，采用農(nóng)田少廢管理技術(shù)，減少化肥施用量，改善肥料結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)肥和生態(tài)肥料，以減少化肥和農(nóng)藥的流失。面源污染控制包括在農(nóng)田與水面交界處設(shè)植被緩沖帶，以控制農(nóng)田的面源污染，植物可選擇凈化效果好、耐污能力強(qiáng)的蘆葦、風(fēng)車草、花葉蘆荻、香根草等；條件允許的情況下，可對湖濱帶基底進(jìn)行改造，如清除淤泥等。

農(nóng)田植被型湖濱帶：此類型湖濱帶的農(nóng)田與水面間有植被隔離，同樣可采用少廢農(nóng)田模式和面源污染控制模式，在選擇植物時(shí)，優(yōu)先考慮已有的植被，調(diào)整植被的面積、分布等，其他措施與農(nóng)田型湖濱帶的修復(fù)模式相似。

巖石裸地型湖濱帶：此類型湖濱帶為裸露的巖石或質(zhì)地堅(jiān)硬的土壤，沒有或僅有少量植被。巖石裸地型湖濱帶的結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，參考王洪鑄等(2012)巢湖湖濱帶的修復(fù)方法，應(yīng)先恢復(fù)基底，使其適于植被生長，然后合理種植植被[24]。

魚塘型湖濱帶：此類湖濱帶設(shè)有魚塘，魚類飼料和排泄物等會污染水體。參考丹江口水庫湖濱帶的修復(fù)方法，建議采用生態(tài)過濾凈化庫模式，可在現(xiàn)有魚塘的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，主要是在魚塘的外邊界處設(shè)置生態(tài)過濾壩，沉降和滯留入庫懸浮顆粒物，削減入庫營養(yǎng)負(fù)荷，同時(shí)，過濾壩還可攔截來自陸地農(nóng)田面源的化肥、農(nóng)藥入庫，在靠近岸邊的淺水區(qū)種植挺水植物，對入庫污染物進(jìn)行初步的攔截和過濾，在魚塘水面適當(dāng)種植浮水植物，可給魚類提供食物的同時(shí)，進(jìn)行水質(zhì)凈化[27]。

休閑渡假村型湖濱帶：此類湖濱帶有農(nóng)家或渡假村等人類居住區(qū)。建議采用湖濱生態(tài)景區(qū)模式，在湖濱帶現(xiàn)有自然景觀的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)和管理，不僅能保證湖濱帶的主要生態(tài)環(huán)境功能，還能為公眾提供休閑娛樂、教育科研的場所。本次示范工程即采用的這種模式。

河口型湖濱帶：指三岔湖入水口和出水口的湖濱帶。參考王洪鑄等(2012)巢湖湖濱帶生態(tài)修復(fù)方法，建議采用生態(tài)河口模式，包括河流生態(tài)廊道和河口濕地?？蓸?gòu)建水網(wǎng)體系及河口景觀，加強(qiáng)保護(hù)植被和水鳥。目的是截留顆粒污染物、農(nóng)業(yè)面源污染，優(yōu)化河口湖濱帶生態(tài)環(huán)境[24]。

4.2 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.2.1 內(nèi)灣湖水循環(huán)凈化設(shè)計(jì)

本研究中的“天權(quán)景區(qū)”濱湖帶，開發(fā)面積37.3萬m2，水面面積6萬m2，其中示范工程總用地面積124 179 m2，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及工程建設(shè)從2012年開始，至2017結(jié)束，歷時(shí)5年。

湖濱帶是一個特殊而又復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，既包含了生態(tài)內(nèi)涵、環(huán)境理念，也帶有水文特性，其生態(tài)建設(shè)與保護(hù)必須以健康湖泊為指導(dǎo)，因湖制宜。充分發(fā)揮湖濱帶功能，其生態(tài)建設(shè)與保護(hù)應(yīng)綜合考慮水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀、水文化及水旅游等因素。本次研究中的湖濱帶屬于休閑渡假村型，結(jié)合其地形條件、水質(zhì)要求、景觀要求等因素，規(guī)劃其生態(tài)構(gòu)建示范工程主要內(nèi)容包括：內(nèi)灣湖水循環(huán)凈化、水體生態(tài)修復(fù)、景觀設(shè)計(jì)。其中內(nèi)灣湖水循環(huán)凈化設(shè)計(jì)是本次工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。主要是利用垂直流人工濕地技術(shù)對內(nèi)灣湖水進(jìn)行循環(huán)凈化處理，三岔湖作為大湖區(qū)，由三岔湖向湖濱帶補(bǔ)水，不斷改善湖水水質(zhì)。工藝流程如圖3。

圖3 垂直流人工濕地湖水循環(huán)凈化工藝流程Fig.3 Process flow diagram of vertical flow wetland

將湖濱帶設(shè)計(jì)為垂直流人工濕地，三岔湖作為大湖區(qū)，由三岔湖向湖濱帶補(bǔ)水。 作為垂直流人工濕地的湖濱帶由填料、植物和微生物組成。

(1)濕地填料由砂石級配填料和活性生物填料構(gòu)成。

(2)植物選擇凈化效果好、耐污能力強(qiáng)、景觀效果優(yōu)的水生植物，如蘆葦、風(fēng)車草、花葉蘆荻、香根草等。

(3)微生物菌種采用高效微生物菌種馴化，提高微生物量與生物活性。

垂直流人工濕地底質(zhì)的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)注意以下問題：一是要考慮植物品種能否在濕地底質(zhì)上固著，如果固著不牢靠，需要考慮其他輔助措施進(jìn)行栽植；二是不同植物對底質(zhì)養(yǎng)分的耐受程度有差別，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)可以提前做試驗(yàn)，以選擇適宜的植物品種。

4.2.2 水生植物選種

對于本區(qū)域內(nèi)湖體要逐步恢復(fù)水生植被，包括部分挺水植物、浮水植物和沉水植物，利用湖庫沿岸淺水區(qū)域的植物和微生物的作用，結(jié)合魚類及浮游動物對藻類的攝食及水生生物種群和群落結(jié)構(gòu)的重要調(diào)節(jié)作用，形成自然凈化生態(tài)系統(tǒng)；通過滯留和根際系統(tǒng)的凈化，提高湖庫水體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；同時(shí)可以在削減內(nèi)源負(fù)荷，改善水質(zhì)的同時(shí)豐富水體景觀，美化湖泊環(huán)境。本次設(shè)計(jì)水生植物選種如表1所示。

4.2.3 魚類放養(yǎng)

通過調(diào)整水體食物鏈結(jié)構(gòu)，在水中通過適當(dāng)養(yǎng)殖一定比例的生產(chǎn)者(水生植物)、各級消費(fèi)者(草食性、濾食性、肉食性)促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)的正向演替，達(dá)到促進(jìn)水體自凈的目的。即控制草食性魚類，發(fā)展濾食性、雜食性魚類群體，進(jìn)行多種魚類、多種規(guī)格的混養(yǎng)。以鰱、鳙魚為主，配養(yǎng)青魚、鯽魚等魚類，鰱、鳙為濾食性魚類，以浮游生物為食，可降低水體中浮游植物和浮游動物的密度，并通過其代謝過程加速了系統(tǒng)中營養(yǎng)物的再生，而減少了營養(yǎng)物的沉積量；鯽魚為雜食性魚類，除攝食底棲動物外，尚能部分去除水中懸浮顆粒。以鰱、鳙魚為主，配養(yǎng)鯽魚，目的在于充分利用水體中的浮游生物，懸浮有機(jī)碎屑，同時(shí)有效地去除水底沉積物，減緩水體富營養(yǎng)化程度。

表1 示范工程所選植物名錄Tab.1 Plant list of demonstration projects

4.2.4 生物浮島

結(jié)合內(nèi)灣湖岸線形式及景觀效果設(shè)置生物浮島，以增加湖水中微生物的附著量，提高湖水自凈能力。通過不同形態(tài)、面積的生物浮島的構(gòu)建，在濱湖空間湖面上形成優(yōu)美的生態(tài)景觀效果。布設(shè)生物浮島時(shí)應(yīng)注意，如果水面風(fēng)浪大，需要采取針對性的消浪措施。

4.2.5 景觀設(shè)計(jì)

在滿足湖區(qū)水利基本功能及水質(zhì)凈化功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的景觀設(shè)計(jì)，將濕地系統(tǒng)與湖泊兩岸的水質(zhì)凈化系統(tǒng)及綠地相互協(xié)調(diào)、融為一體，具有觀賞、親水及公共休閑活動為一體的生態(tài)功能區(qū)，在提高景觀湖自凈能力的同時(shí)為人們提供濱水休閑空間。濱湖空間湖體景觀處理包括水上噴泉、觀景木棧道、跌水瀑布、涼亭、廊橋等。工程設(shè)計(jì)總平面圖如圖4。

圖4 工程設(shè)計(jì)總平面圖Fig.4 General plan Figure of engineering design

4.3 三岔湖湖濱帶示范工程補(bǔ)水點(diǎn)位模擬

基于示范工程所在湖濱帶污染源現(xiàn)狀、水質(zhì)現(xiàn)狀、納污特征等，采用零維模型模擬了不同的污染物濃度及補(bǔ)水方式下三岔湖的水質(zhì)變化，預(yù)測水質(zhì)的變化規(guī)律及特征。以期為湖濱帶補(bǔ)水方式提供參考。

當(dāng)以年為時(shí)間尺度來研究湖泊、水庫的富營養(yǎng)化過程時(shí)，往往可以把湖泊看作一個完全混合反應(yīng)器，基本方程為：

式中：V——湖泊中水的體積(m3)；

Q——平衡時(shí)流入與流出湖泊的流量(m3/a)；

CE——流入湖泊的水量中水質(zhì)組分濃度(g/m3)；

C——湖泊中水質(zhì)組分濃度(g/m3)；

Sc——如非點(diǎn)源一類的外部源和匯(m3)；

r(c)——水質(zhì)組分在湖泊中的反應(yīng)速率。

本次模擬假設(shè)將示范工程所在湖濱帶看作一個完整的地表水體系，湖中的污染物在湖濱帶中均勻的分布，其濃度為已監(jiān)測的本地濃度。且從保守預(yù)測的角度出發(fā)，不考慮污染物的降解機(jī)制，僅考慮其混合作用。

根據(jù)湖濱帶區(qū)域規(guī)劃條件，要求補(bǔ)水后十天達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)湖濱帶的規(guī)劃，湖濱帶接受補(bǔ)水的來源主要有城市污水、雨水、景區(qū)生活污水，以及自三岔湖引水補(bǔ)給到湖濱帶，見圖5。

圖5 湖濱帶排水點(diǎn)、補(bǔ)水點(diǎn)以及水流方向示意圖Fig.5 Drain point, filling point, water flow direction of the lakeside zone

模擬結(jié)果顯示：

(1)氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量四種污染物濃度最大點(diǎn)均出現(xiàn)在濱湖空間區(qū)域西北側(cè)污水排泄點(diǎn)位置。東側(cè)2號補(bǔ)水點(diǎn)位置的污染物濃度略高于其余西側(cè)及南側(cè)位置。

(2)生活污水和補(bǔ)水都經(jīng)處理后達(dá)到地表水水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)入湖，可以使得湖濱帶中的湖水整體達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，此種補(bǔ)水方式為最佳模式；

(3)補(bǔ)水采用三岔湖主湖區(qū)湖水進(jìn)行補(bǔ)水，可以使得已經(jīng)污染的湖水污染程度降低，超標(biāo)面積減小，總體水質(zhì)情況轉(zhuǎn)好，該種補(bǔ)水方式為僅次于上一條補(bǔ)水方式。

5 試驗(yàn)區(qū)的修復(fù)工程效果評價(jià)

5.1 水質(zhì)的變化

為評價(jià)示范工程的效果，我們在工程建成前后分別對該湖濱帶區(qū)域點(diǎn)位進(jìn)行采樣監(jiān)測(圖1)。2016年與2015年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果比較，湖濱帶的氨氮濃度、總氮濃度、總磷濃度明顯下降。可見示范工程對于湖濱帶水質(zhì)改善起到一定的作用(圖6)。

圖6 示范工程湖濱帶主要污染物濃度變化圖Fig.6 Changes of pollutant concentration in lakeside zone

5.2 浮游生物的多樣性變化

(1)種類組成

浮游生物監(jiān)測結(jié)果顯示，2016年較2015年，三岔湖湖濱帶浮游生物的種類數(shù)大幅度增加。浮游植物仍以綠藻種類數(shù)最多，浮游動物仍以輪蟲種類數(shù)最多(圖7)。

圖7 2015年與2016年三岔湖湖濱 帶浮游生物群落組成變化圖Fig.7 Community composition change of plankton in Sancha lakeside zone, 2015 and 2016

(2)物種多樣性

綜合三種指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果(見表2)，2016年三岔湖湖濱帶處于清潔～輕污狀況。與2015年相比，兩處樣點(diǎn)的多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)均變大，均勻度指數(shù)變化不大，在一定范圍內(nèi)，多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)值越大，其指示的環(huán)境狀況越好。

表2 2015年與2016年三岔湖湖濱帶浮游生物多樣性指數(shù)及其水質(zhì)評價(jià)Tab.2 Diversity index of plankton and water quality evaluation in Sancha lakeside, 2015 and 2016

5.3 植物調(diào)查結(jié)果

2012年課題組對還未建成的三岔湖湖濱帶進(jìn)行了植被現(xiàn)狀調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)喬木18種，灌木3種，草本9種。2017年課題組對工程建成后的三岔湖湖濱帶植被種類調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)喬木30種，灌木25種，草本51種?？梢姡痉豆こ探ǔ珊?，湖濱帶喬木、灌木和草本層植物種類都大大增加，同時(shí)植被覆蓋率也增加。

6 小 結(jié)

三岔湖湖濱帶示范工程建成后，湖濱帶的氨氮濃度、總氮濃度、總磷濃度明顯下降。浮游植物和浮游動物的種類明顯增多，物種多樣性增加，對應(yīng)的多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)均變大，均勻度指數(shù)變化不大，說明從浮游生物的指示意義來看，示范工程建成后，湖濱帶的水環(huán)境狀況好于示范工程修建之前。湖濱帶植被種類、覆蓋率也都有所增加。

湖濱帶生態(tài)構(gòu)建示范工程的建設(shè)思路主要就是通過調(diào)查湖濱帶的現(xiàn)狀特征，分析湖濱帶生態(tài)環(huán)境受到破壞的主要原因，因地制宜的設(shè)計(jì)建設(shè)修復(fù)工程，通過調(diào)節(jié)生物、生境及它們之間的相互關(guān)系來改善湖濱帶生態(tài)環(huán)境狀況。因此，湖濱帶生態(tài)構(gòu)建示范工程的一般建設(shè)流程可概括為：

湖濱帶環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查→確定湖濱帶類型→分析湖濱帶生態(tài)環(huán)境受損的原因→因地制宜選擇生態(tài)構(gòu)建模式并集成相關(guān)技術(shù)。

另外，生態(tài)工程的效果往往不是短時(shí)間能夠體現(xiàn)的，應(yīng)該充分重視生態(tài)工程管理工作，例如工程植被的管理等，才能使工程長久而有效的發(fā)揮作用。