以成都市滄浪湖為例探討城市靜態(tài)水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)

龔克娜,楊艷梅,王家良,邱 壯,付韻潮

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院綠色建筑設(shè)計(jì)研究中心，四川成都 610000)

城市靜態(tài)水體指城市范圍內(nèi)流動(dòng)性差的水體，常常是城市范圍中的景觀水體。不僅具有重要的美學(xué)價(jià)值，也能起到凈化環(huán)境、劃分空間、調(diào)節(jié)氣候的作用，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了不可估量的作用[1]。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模和人口數(shù)量不斷擴(kuò)大，城市靜態(tài)水體水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻。相關(guān)研究表明，我國(guó)大部分景觀水體都受到了富營(yíng)養(yǎng)化的嚴(yán)重威脅，90 %以上公園景觀水體存在不同程度的污染[2]。

城市靜態(tài)水體水質(zhì)提升和水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)不僅有利于緩解城市生態(tài)危機(jī)，也是進(jìn)行海綿城市建設(shè)的重要途徑之一。但目前有關(guān)靜態(tài)水體污染物負(fù)荷分析、水環(huán)境容量核算以及生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的完整研究仍然相對(duì)較少。因此，了解靜態(tài)水體的特性，分析水體污染來(lái)源和負(fù)荷，核算水環(huán)境容量，形成系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)的方法，同時(shí)考慮超負(fù)荷污染應(yīng)急處理技術(shù)，在水質(zhì)急劇惡化時(shí)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，從根本上改善水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要[3]。本文以成都市浣花溪公園的滄浪湖為研究對(duì)象，系統(tǒng)的分析和探討城市靜態(tài)水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

1 滄浪湖概況

滄浪湖位于成都市杜甫草堂南面，進(jìn)出口與浣花溪河道自然聯(lián)通，但流動(dòng)性較差，水體相對(duì)封閉，屬于典型的城市靜態(tài)湖泊水體。水域面積33 964 m2，平均水深3 m，設(shè)計(jì)常水位標(biāo)高501.43 m。北側(cè)鳥(niǎo)島上有白鷺、夜鷺、蒼鷺等100余種鳥(niǎo)類(lèi)棲息繁衍，但由于鳥(niǎo)類(lèi)的聚集，大量高有機(jī)負(fù)荷鳥(niǎo)糞經(jīng)雨水沖刷直接入湖，且常年游客較多，環(huán)境壓力大，浣花溪上游補(bǔ)水水質(zhì)較差等原因，導(dǎo)致滄浪湖水環(huán)境持續(xù)惡化，生態(tài)系統(tǒng)衰退，出現(xiàn)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化狀況，水質(zhì)整體呈地表水V類(lèi)水(圖1)。

2 污染負(fù)荷分析

滄浪湖的主要污染源主要分為外源污染和內(nèi)源污染兩大類(lèi)。外源污染主要包括：浣花溪補(bǔ)水、自然降雨、地表徑流、鳥(niǎo)島鳥(niǎo)糞等，內(nèi)源污染主要指進(jìn)入湖泊的污染物質(zhì)沉降至湖泊底層表面后，在一定條件下向水體釋放的污染，內(nèi)源污染總量大、影響面積大，是湖泊水體污染不可忽視的因素[4][15]?？紤]湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化主要污染因子為氮、磷，故本文主要通過(guò)分析總氮、總磷來(lái)研究湖泊的污染情況。

圖1 生態(tài)修復(fù)前滄浪湖現(xiàn)狀

2.1 浣花溪來(lái)水

浣花溪來(lái)水為V類(lèi)水，滄浪湖現(xiàn)狀日補(bǔ)水量約7 132 m3，來(lái)水總氮、總磷濃度分別為3.75 mg/L、0.27 mg/L，出水以目標(biāo)Ⅲ類(lèi)水體考慮[5](湖泊總氮：1.0 mg/L，總磷0.05 mg/L)，則產(chǎn)生的總氮、總磷的年污染負(fù)荷分別為：7.2 t/a、0.57 t/a。

2.2 自然降雨

根據(jù)測(cè)定的成都市自然降雨雨水水質(zhì)結(jié)果，成都地區(qū)自然降雨中的總氮濃度約為1.9 mg/L，磷濃度為0.08 mg/L，成都地區(qū)的年平均降雨量取907 mm，滄浪湖流域面積為33 964 m2。污染負(fù)荷計(jì)算公式如下：

Q=a×D×S1

式中：a為年平均降雨量(mm)；D為自然降雨污染負(fù)荷(mg/L)；S1為水域面積(m2)。產(chǎn)生的總氮、總磷的年污染負(fù)荷分別為：0.058 t/a、0.002 t/a。

2.3 地表徑流

參考李躍等關(guān)于成都市雨水徑流污染特征的研究結(jié)果[6]，路面雨水徑流主要污染物為COD和SS，總氮和總磷等污染物濃度則較低，平均濃度分別約為3.92 mg/L，磷濃度為0.12 mg/L。因浣花溪公園綠地較多，徑流系數(shù)取0.25，匯水面積約為9 140 m2。污染負(fù)荷計(jì)算公式如下：

L=k×S2×a×ΔP

則地表徑流產(chǎn)生的總氮、總磷的年污染負(fù)荷分別為：0.008 t/a、0.000 3 t/a。

2.4 鳥(niǎo)島鳥(niǎo)糞

滄浪湖鳥(niǎo)島多見(jiàn)白鷺等鳥(niǎo)類(lèi)，數(shù)量約為1 000只，參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)與排污手冊(cè)》，氮磷輸出系數(shù)分別取值TN為1.16 g/只·d、TP為0.23 g/只·d，產(chǎn)生的總氮、總磷的年污染負(fù)荷分別為0.423 t/a、0.084 t/a。

2.5 內(nèi)源污染

參考秦伯強(qiáng)等關(guān)于太湖底泥釋放速率的研究結(jié)果[7]，湖泊底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放氮、磷分別約為1.92×10-3mg/(m2·s)、5.69×10-4mg/(m2·s)，則產(chǎn)生的總氮、總磷的年污染負(fù)荷分別為2.056 t/a、0.609 t/a。

由分析結(jié)果可知，滄浪湖總氮、總磷的年污染負(fù)荷總計(jì)分別為9.75 t/a、1.27 t/a，滄浪湖各污染因子貢獻(xiàn)總氮、總磷的污染負(fù)荷計(jì)算分析見(jiàn)表1。

表1 各污染因子污染負(fù)荷計(jì)算分析 t/a

3 水環(huán)境容量核算

TN、TP水環(huán)境容量核算采用Kirchner-Dillion簡(jiǎn)化模型[8]：

式中：W為污染物水環(huán)境容量(t/a)；Qin為入湖流量(m3/a)；Cs為水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，按地表水Ⅲ類(lèi)考慮(mg/L)，總氮為1.0 mg/L，總磷為0.05 mg/L；R為湖泊滯留系數(shù)，總氮的滯留系數(shù)取0.299，總磷的滯留系數(shù)取0.295[14]。

通過(guò)計(jì)算得到滄浪湖對(duì)總氮的水環(huán)境容量為3.7 t/a，總磷的水環(huán)境容量為0.18 t/a。由此可見(jiàn)，滄浪湖的污染負(fù)荷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其水環(huán)境容量，若不采取合理有效的治理措施，水質(zhì)將持續(xù)惡化。因此構(gòu)建完整的生物鏈，打造穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水體自?xún)裟芰?，?duì)改善水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。

策略：平面鏡所成像與物體大小相等，關(guān)于平面鏡對(duì)稱(chēng)，利用數(shù)學(xué)上的“對(duì)稱(chēng)法”作圖，注意像與輔助線用虛線表示。

4 水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)

水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)是在遵循自然規(guī)律的前提下，采取各種工程、生物和生態(tài)措施使水體恢復(fù)自我修復(fù)功能，強(qiáng)化水體的自?xún)裟芰?。但靜態(tài)水體構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)有以下幾個(gè)難點(diǎn)：①水體渾濁、光照難以穿透水層(透明度低)，沉水植物無(wú)法成活[9]；②沉水植物的季節(jié)性榮枯引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至系統(tǒng)崩潰；③后期生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)調(diào)整等。本研究以滄浪湖為例，針對(duì)性地解決構(gòu)建難點(diǎn)，為湖區(qū)構(gòu)建完整生態(tài)系統(tǒng)。

4.1 浮游動(dòng)物提高水體透明度

提高水體透明度是沉水植物生態(tài)修復(fù)成功的關(guān)鍵，渾濁的水體導(dǎo)致沉水植物無(wú)法成活。經(jīng)上海海洋大學(xué)何文輝教授科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)15 a的藍(lán)藻馴化、提純、復(fù)壯的食藻蟲(chóng)，可以在短時(shí)間內(nèi)濾食掉大量的有機(jī)顆粒物和藍(lán)藻等浮游藻類(lèi)，使水體透明度迅速提高1.0～1.5 m，為沉水植物生長(zhǎng)創(chuàng)造條件[2]。食藻蟲(chóng)是一種經(jīng)馴化改良的可控藍(lán)藻的低等大型枝角類(lèi)浮游動(dòng)物，是一種廣布種，不存在外來(lái)物種入侵風(fēng)險(xiǎn)。食藻蟲(chóng)的排泄物為弱酸性物質(zhì)，可有效降低水體pH值，抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng)和繁殖，其本身又是魚(yú)、蝦等水生動(dòng)物的食物，打通了食物鏈，實(shí)現(xiàn)了水體富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的資源化[10]。本研究在生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建前期通過(guò)投放食藻蟲(chóng)以提高水體的透明度。投加量為80～100 ml/m2，40～60 只/ml。

4.2 沉水植物選擇避免季節(jié)性枯榮

水生植物群落構(gòu)建是水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵所在[11]，主要分為挺水植物、沉水植物和浮水植物。在水生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，水生植物主要通過(guò)枝葉和根系對(duì)水體中的污染物質(zhì)進(jìn)行吸附、分解或轉(zhuǎn)化，同時(shí)通過(guò)光合作用，釋放氧氣，減輕水體污染[9]。但沉水植物的季節(jié)性枯榮易引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，且冬季枯萎的植物殘?bào)w遺留在水域也會(huì)對(duì)水體造成二次污染[10]，故選擇沉水植物的原則應(yīng)滿(mǎn)足四季常綠、凈化效率高、景觀優(yōu)美、生態(tài)安全等。本項(xiàng)目以四季常綠的矮型苦草為主，構(gòu)建水下森林，同時(shí)搭配不同品種的水草：在鳥(niǎo)島區(qū)選擇耐污型水草(如狐尾藻和輪葉黑藻)，在主湖區(qū)主要選擇凈化型水草(如小茨藻和刺苦草)，在入水口選擇根系發(fā)達(dá)耐沖刷水草(如龍須眼子菜等)(圖2)。

圖2 滄浪湖沉水植物選擇及布置

4.3 后期維護(hù)確保生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定

靜態(tài)水體生態(tài)系統(tǒng)初步形成后，需經(jīng)歷一段時(shí)間與環(huán)境相互作用才能最終趨于穩(wěn)定，構(gòu)建初期比較脆弱，必須通過(guò)后期的維護(hù)管理以及生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。合理把控不同食性魚(yú)類(lèi)的投放比例，投放少量濾食性魚(yú)類(lèi)，構(gòu)建肉食性魚(yú)類(lèi)群落調(diào)控濾食性魚(yú)類(lèi)數(shù)量，嚴(yán)格控制雜食性魚(yú)類(lèi)、草食性魚(yú)類(lèi)等的數(shù)量[11]。本研究主要投放黑魚(yú)，同時(shí)投放螺類(lèi)及蝦類(lèi)發(fā)揮濾水功能，輔助凈化。

但滄浪湖位于浣花溪公園內(nèi)，由于游客眾多，不科學(xué)放生的現(xiàn)象由來(lái)已久。不科學(xué)放生，尤其是入侵生物、大量放生單品種魚(yú)類(lèi)等行為，將會(huì)影響滄浪湖水生態(tài)系統(tǒng)的生物種群的結(jié)構(gòu)和維護(hù)。針對(duì)這一現(xiàn)象，在距離湖泊岸邊15 m的地方設(shè)置透水圍隔，確保放生魚(yú)類(lèi)不進(jìn)入主湖區(qū)，進(jìn)而維護(hù)湖區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 其他輔助技術(shù)和方法

水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外界環(huán)境影響，故除了構(gòu)建穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)在進(jìn)出口設(shè)計(jì)生態(tài)過(guò)濾壩，控制進(jìn)水量，對(duì)上游來(lái)水進(jìn)行初步過(guò)濾，同時(shí)為湖區(qū)配套應(yīng)急處理設(shè)備，確保水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

5.1 進(jìn)出水口設(shè)計(jì)

由于滄浪湖主要的污染源為上游浣花溪來(lái)水，故進(jìn)出水口的設(shè)計(jì)尤為重要。根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)納污產(chǎn)清效率，浣花溪上游來(lái)水不宜高于湖體總蓄水量的5 %，則滄浪湖日進(jìn)水量需控制在4 700 m3或以下。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，進(jìn)水口寬度8 m，進(jìn)水流速約0.1 m/s，通過(guò)在進(jìn)、出水口設(shè)置生態(tài)過(guò)濾壩，將過(guò)水?dāng)嗝娓叨瓤刂圃? cm及以?xún)?nèi)。生態(tài)過(guò)濾壩在控制進(jìn)水量的同時(shí)也能對(duì)來(lái)水有一定的凈化過(guò)濾作用，在進(jìn)水后、出水前均設(shè)置一段礫石區(qū)，提高景觀效果的同時(shí)起著接觸氧化的作用(圖3、圖4)。

圖3 進(jìn)水口剖面示意

圖4 生態(tài)過(guò)濾壩剖面

5.2 超負(fù)荷污染應(yīng)急處理設(shè)備

由于水生態(tài)系統(tǒng)因季節(jié)更替，冬季時(shí)凈化效果相對(duì)較弱，且水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外界環(huán)境影響，例如暴雨時(shí)會(huì)有大量污染物通過(guò)地表徑流和浣花溪進(jìn)入到滄浪湖內(nèi)，導(dǎo)致滄浪湖水體水質(zhì)急速惡化，故本研究為湖區(qū)配置超負(fù)荷污染應(yīng)急處理設(shè)備，水質(zhì)惡化超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)承載能力時(shí)，可快速恢復(fù)湖體水質(zhì)，確保水生態(tài)系統(tǒng)安全。

本研究采用的處理設(shè)備為高效的超微凈化工藝，有效去除水體中過(guò)量污染物，同時(shí)給水體充氧并實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)流動(dòng)效果，增強(qiáng)水體自?xún)裟芰?。超微凈化處理技術(shù)是一種基于零速原理、超微氣泡與淺層氣浮原理設(shè)計(jì)，利用PAC、PAM作為絮凝劑，具有高集成度、高容積率、高凈化效率的應(yīng)急處理技術(shù)[12]。超微凈化技術(shù)具有氧化有機(jī)物、去除氮磷(控制富營(yíng)養(yǎng)化)、重金屬、粘附膠體及藻類(lèi)、增加含氧量等作用，能有效解決地表水水體發(fā)綠、水體渾濁、水體黑臭、含氧量低和重金屬污染等水質(zhì)問(wèn)題，是對(duì)地表水(包括河、湖、雨水)治理適應(yīng)性好而且高效的水處理工藝。

為簡(jiǎn)便施工及減輕對(duì)滄浪湖周邊區(qū)域的破壞，本項(xiàng)目選取3臺(tái)單臺(tái)處理量為80 m3/h的地埋式一體化超微凈化設(shè)備。單臺(tái)水處理主體設(shè)備尺寸為13 m×2.2 m×1.8 m，單套水處理設(shè)備運(yùn)行功率為14 kW，設(shè)備出水水質(zhì)可達(dá)地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)滄浪湖的特性，分析湖體污染負(fù)荷來(lái)源，核算水環(huán)境容量。滄浪湖的主要污染源為浣花溪上游來(lái)水以及湖泊的內(nèi)源污染，且污染負(fù)荷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其水環(huán)境容量，水質(zhì)持續(xù)惡化。

(2)提出了靜態(tài)水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建難點(diǎn)的解決方法，包括水體透明度低造成的沉水植物無(wú)法成活、沉水植物的季節(jié)性榮枯引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰、后期生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)調(diào)整等。本研究在生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建前期通過(guò)投放食藻蟲(chóng)以提高水體的透明度，水生植物選擇四季常綠、凈化效率高、景觀優(yōu)美、生態(tài)安全的矮型苦草為主，合理把控不同食性魚(yú)類(lèi)的投放比例，注重游客放生的后期維護(hù)，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

(3)通過(guò)為湖區(qū)配套應(yīng)急處理設(shè)備，以及在進(jìn)出口設(shè)計(jì)生態(tài)過(guò)濾壩，控制進(jìn)水量，確保水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。