人工水景觀水質(zhì)改善的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程技術(shù)研究
——以隋唐洛陽城九洲池水質(zhì)改善工程為例

韋聯(lián)平

生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)是人工水景觀實現(xiàn)水質(zhì)穩(wěn)定的一種有效手段。文章通過介紹水質(zhì)提升與景觀提升在隋唐洛陽城九洲池的實際應(yīng)用案例，從項目主體背景出發(fā)，提供具有針對性的設(shè)計思路，分析技術(shù)選擇與參數(shù)，展示生態(tài)與水景相互襯托、清新秀麗的工程效果。九洲池水質(zhì)提升為人工水景觀提供了低成本、高效的治理模板。

人工水景觀；水質(zhì)提升；生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建；技術(shù)篩選集成

人工景觀水體是指給人以美感的城市、鄉(xiāng)村或旅游景點(diǎn)的湖、河道等人工構(gòu)建的景觀水體。人工景觀水體分布于各種城市綠地中，由于水利防洪及水質(zhì)等原因，為有利于人工管理調(diào)控，通常與其他河湖系統(tǒng)不連通。水是人工景觀中不可或缺的一環(huán)。水或動或靜，或有形或無形，本平淡無奇，但與周邊景觀結(jié)合后會傳遞出不同的情緒和內(nèi)容?！八銊t靈”又對人工水景觀提出了水質(zhì)的要求，清澈秀美的水質(zhì)，會給人一種清雅脫俗的感覺，水體需要做到水色自然、無異味，透明度高甚至清澈見底，才能給人以美的享受。因此，人工景觀水體的長期景觀效果除了水化學(xué)質(zhì)量指標(biāo)以外，提高水體透明度和水生態(tài)系統(tǒng)生物組分和結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建“師法自然”人工水體景觀的重要工程技術(shù)內(nèi)容。

1.項目平面圖

在開挖、蓄水后，人工景觀水體初步成型，但由于封閉緩流、周邊污染排入和水質(zhì)管理不善等問題，后期景觀水體都會產(chǎn)生不同程度的水質(zhì)問題，如水質(zhì)惡化、藻類爆發(fā)、水體富營養(yǎng)化、透明度低，甚至蚊蟲滋生，影響游客游覽及周邊居民正常生活。有數(shù)據(jù)表明，水中總磷超過0.0515 mg/L、氮濃度超過0.3 mg/L時，藻類就會大量滋生，成為人工景觀水質(zhì)惡化的首要原因[1]。目前通常采用物理、物化、生化和生態(tài)等處理方法進(jìn)行水質(zhì)改善，其目的主要是保證水質(zhì)指標(biāo)如COD、BOD5、TN、TP等，控制藻類的生長，保持水質(zhì)達(dá)標(biāo)、水體潔凈[2]。不同處理方法從不同角度都具有其優(yōu)越性和局限性，但兼顧景觀觀賞和凈水功能的，非生態(tài)治理莫屬。同時，為了保證凈水效果，可采用“物理—生態(tài)”“物化—生態(tài)”“生化—生態(tài)”幾種方式組合以提高水質(zhì)凈化的穩(wěn)定性。

生態(tài)水處理是通過建立人工生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后無需外在干預(yù)，整個生態(tài)系統(tǒng)能夠適應(yīng)周邊影響、自行調(diào)控，處于生態(tài)平衡狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)目前已趨于成熟，當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計重點(diǎn)處理除了同時兼顧系統(tǒng)完善性、系統(tǒng)凈水功能性、生物生態(tài)性等外，還需綜合考慮其景觀和文化表現(xiàn)。項目實施前須先實地考察項目主體，設(shè)計方案時須遵循以下六大原則：生態(tài)環(huán)境修復(fù)優(yōu)先；歷史文化延續(xù)和活力；場所認(rèn)知和情感認(rèn)同；因地制宜，體現(xiàn)地方特色；以人為本、參與共享；景觀協(xié)調(diào)優(yōu)先[3]。本文通過梳理隋唐洛陽城九洲池水質(zhì)提升案例，供今后人工水景觀生態(tài)治理參考。

1 項目分析

1.1 項目背景

文獻(xiàn)記載九洲池也稱九曲池、九江池，位于河南省洛陽市。九洲池始建于隋代，興于唐，落于北宋，遺址保存范圍清晰。作為紫微城內(nèi)最大的皇家園林，風(fēng)景獨(dú)勝，水色怡人。據(jù)《唐兩京城坊考》記載，九洲池，其池屈曲，池中有數(shù)座島嶼，象東海之九洲，居地十頃，水深丈余，鳥魚翔泳，花卉羅植。九洲池“廣水無山”，考古實測隋唐時期九洲池水域面積達(dá)139 250 m2，形成了“納千頃之汪洋，收四時之爛漫”的效果[4]。“鳥魚翔泳，花卉羅植”闡述了九洲池的生物范圍廣泛、品種豐富，生態(tài)系統(tǒng)在這廣闊的水域，發(fā)揮了水質(zhì)改善、景觀和生態(tài)效益提升作用。

根據(jù)當(dāng)前的歷史資料，尚無法完全復(fù)原九洲池全貌。如今建起的九洲池遺址公園（圖1），新開挖水體實際水域面積約2.3 萬m2，平均設(shè)計水深約1.2 m，池底為自然黃土。建成后的九洲池除了傳遞其深厚的文化內(nèi)涵，展現(xiàn)隋唐皇家園林風(fēng)采外，更被賦予了“樹立以水景為主的中國古代新形式造園藝術(shù)典范”的期待。

1.2 水系分析

景觀水體多為靜止或流動性較差的緩流水體，水域面積小、水環(huán)境容量小、水質(zhì)穩(wěn)定性較差、自凈能力較差。由于人為擾動強(qiáng)、水生植物群落配置單一、水體流動性差等原因，容易受點(diǎn)面污染、富營養(yǎng)化速度快、難以自我修復(fù)。景觀水體水質(zhì)惡化的原因是由于水體受到了污染，污染來源包括：（1）景觀水體因蒸發(fā)耗散損失，通過各種途徑實施補(bǔ)水帶來的污染物；（2）雨水特別是初期雨水帶入的降塵及其他污染物造成水質(zhì)惡化；（3）綠化澆灌和噴灑農(nóng)藥通過噴灑、滲透等方式進(jìn)入水體；（4）植物殘體（如樹枝、落葉等）進(jìn)入水體后造成的污染，這些污染物主要分為有機(jī)污染和N、P污染。如有機(jī)污染量超過水體自凈能力，將造成水體惡化、水體底部出現(xiàn)黑臭問題；N、P污染將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，甚至出現(xiàn)藻類爆發(fā)。發(fā)生的原因主要是雨水和綠化澆灌時將周邊草地上的泥沙沖刷進(jìn)入池塘，積累在池塘底部；水系內(nèi)缺乏完整的生態(tài)系統(tǒng)，水體自凈能力差，污染物不能及時削減。九洲池由于是相對封閉的水體，污染物質(zhì)（特別是N、P等營養(yǎng)物質(zhì)）只有輸入而沒有輸出，污染濃度累積大；水系污染積累和自凈能力缺失，這兩種因素共同作用，水系表現(xiàn)出越來越嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題，容易出現(xiàn)藻類爆發(fā)性生長、水體發(fā)綠而影響景觀的現(xiàn)象。

1.3 水系目標(biāo)

根據(jù)九洲池遺址公園景觀總體設(shè)計及水體感官要求，水質(zhì)提升后實現(xiàn)水質(zhì)主要指標(biāo)達(dá)到地表Ⅲ類水，水體清澈見底，展現(xiàn)“水下森林、魚翔淺底”自然生態(tài)風(fēng)貌（圖2）。

1.4 工藝選擇

針對易形成富營養(yǎng)水體的封閉型景觀水體進(jìn)行凈化處理，重點(diǎn)是截除外來污染、去除水中的藻類、盡量降低水體中的N、P含量。目前對水體富營養(yǎng)化和水華控制的技術(shù)主要包括：

物理方法：控制和改變環(huán)境條件，通過引清調(diào)水、減少水體中的營養(yǎng)鹽和藻類濃度、改變水體的流速以抑制藻類的生長、沖刷團(tuán)聚的藻類；機(jī)械法可在短期內(nèi)通過收獲的方式有效地去除水體中的藻類及藻華，但需要耗費(fèi)大量的人力和物力。

物化方法：包括外源污染控制方法，如截污（初期雨水等）、污水改道、通過污水脫氮除磷的處理削減磷的排放等；內(nèi)源污染控制方法，如清淤、營養(yǎng)鹽鈍化、底層曝氣、調(diào)節(jié)水中氮磷比、覆蓋底部沉積物及絮凝沉降措施。

化學(xué)方法：采用化學(xué)殺滅和絮凝劑（如硫酸銅、明礬、石灰等）方法，以達(dá)到殺藻、促磷沉淀和脫氮等治理措施，但這類措施存在易產(chǎn)生二次污染等問題。

綜合上述各項技術(shù)的投資成本和治理效果發(fā)現(xiàn)，單項技術(shù)或措施無法實現(xiàn)富營養(yǎng)水體治理后效果的長期保持。相比其他，采用“機(jī)械設(shè)備+生態(tài)”綜合技術(shù)不僅經(jīng)濟(jì)可行，還不易對環(huán)境造成二次污染，是實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。結(jié)合九洲池實際情況，采用補(bǔ)水凈化/特殊天氣應(yīng)急循環(huán)凈化（氣浮+生化+過濾設(shè)備）與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)對水體進(jìn)行綜合治理，在生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌水下、水面以及沿岸景觀的規(guī)劃設(shè)計，實現(xiàn)傳統(tǒng)文化與水文化有機(jī)統(tǒng)一，展現(xiàn)皇家生態(tài)園林的美麗風(fēng)尚。

2 工藝設(shè)計

2.1 工藝介紹

“機(jī)械設(shè)備+生態(tài)”的凈化思路，就是先使用機(jī)械凈化設(shè)備使水體中的污染物質(zhì)降低到生態(tài)系統(tǒng)（特別是沉水植物）能夠承受的范圍，然后再依靠沉水植物強(qiáng)大的凈化功能，實現(xiàn)水質(zhì)凈化與提升。針對引起水體富營養(yǎng)化的有機(jī)污染和N、P污染，此系統(tǒng)中存在著三種N、P的去除機(jī)理：（1）N、P被生態(tài)系統(tǒng)中的水生植物吸收，并隨植物收割從水中去除；（2）氣浮可有效去除水中藻類，因藻類富集了大量的N、P，同時降低水中N、P的含量，相當(dāng)于植物的收割；（3）過濾通過加入少量絮凝劑（明礬類無毒藥）進(jìn)行絮凝沉淀的沉淀物，輔助去除N和P；（4）系統(tǒng)中的生化單元能夠有效去除溶解性有機(jī)物。

2.2 機(jī)械設(shè)備

本次設(shè)計采用的“機(jī)械設(shè)備”，具有以下突出特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)出水濁度通常可以控制在4 NTU以下，透視度可以達(dá)到1 m以上；

（2）凈化裝置獨(dú)創(chuàng)的內(nèi)置氣浮、生化和過濾三個單元，相輔相成。不僅對藻類、SS、TP有很好的去除作用，而且對有機(jī)物和NH3-N也有較好的去除作用，全面改善水質(zhì)，處理出水溶解氧高；

（3）凈化裝置對水質(zhì)變化的適應(yīng)性好，既能滿足富營養(yǎng)化的水處理，又能滿足受有機(jī)污染的水處理；

（4）見效快，一般2～3 d就可以使水質(zhì)明顯改善；

（5）處理費(fèi)用低，水系的年處理成本約1.5 元/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)處理成本或置換自來水的費(fèi)用。

“機(jī)械設(shè)備”可以對人工湖水進(jìn)行循環(huán)處理，增加人工湖內(nèi)循環(huán)的水體流動性，同時通過循環(huán)凈化去除水系中滋生的藻類、有機(jī)污染物和懸浮物，降低水體濁度、提高透明度、降解水體中氨氮等污染物含量（圖3、4），也可以作為應(yīng)急凈化裝置，主要用于應(yīng)急治理，如特殊時期（夏季藍(lán)綠藻爆發(fā)）水質(zhì)的快速恢復(fù)，或重點(diǎn)區(qū)域快速改善水質(zhì)等。

2.水系設(shè)計效果圖

3.經(jīng)過“機(jī)械設(shè)備”處理后的別墅區(qū)水景效果

4.左為處理后的水質(zhì)，右為未經(jīng)處理的河水

2.3 水生植物

在對水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及水體凈化過程中，沉水植物起到至關(guān)重要的作用，沉水植物具有以下生態(tài)功能[5-8]：（1）維持水體中生物多樣性；（2）對水體的凈化功能；（3）增加水體透明度；（4）生成化感物質(zhì)抑制藻類生長。

九洲池清水來自“引黃入洛”工程，根據(jù)北方硬質(zhì)水體和湖底的自然黃土，水生植物應(yīng)用在此次項目中，以四季常綠矮化苦草為主，應(yīng)用于水體透明度改善和較淺水域底部斷面穩(wěn)定性；伊樂藻在冬春寒冷的季節(jié)里仍具有較強(qiáng)的生命力，特別適用于北方越冬水體；輪葉黑藻假根性植物，多樣搭配提高生態(tài)系統(tǒng)多樣性，多植物系統(tǒng)更貼近自然生態(tài)系統(tǒng)。

挺水植物有“彼澤之陂，有蒲與荷。有美一人，傷如之何？”（菖蒲），“山有扶蘇，隰有荷華”（荷花），“天門冬夏鳶尾翔，香蕓臺閣龍骨蛻”（鳶尾）等，同時植物品種搭配及景觀設(shè)計運(yùn)用了“構(gòu)建不同植物層次空間景觀、化形移步異景視覺效果”等理念，搭配再力花、旱傘草、千屈菜等，營造色彩及空間的景觀觀賞效果。

2.4 工藝參數(shù)

（1）補(bǔ)水量計算：

設(shè)計考慮補(bǔ)水來源為初期雨水，設(shè)計處理量為初期雨水量。根據(jù)資料暫估九洲池集水面積約計9 萬m2，其中水域面積2.3萬m2，其他主要為園林綠化，初期雨水帶來的污染物最終都將以不同方式進(jìn)入水體（地表徑流或園林灌溉等）。

洛陽多年平均24 h降雨量為90 mm，多年小時暴雨量取平均24 h降雨量的10%，一般工程采用歷年最大暴雨的前15 min雨量為初期雨水量，則九洲池初期雨水量為：

九洲池降雨初期雨水流量為202 m3/次，洛陽降雨頻率約為4 d/次。根據(jù)徐海波等對雨水中污染物濃度分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，氮素對地表水污染貢獻(xiàn)最大，結(jié)合本項目水質(zhì)維持目標(biāo)，主要通過生態(tài)治理對初期雨水中氨氮進(jìn)行降解。氨氮最大值為4.90 mg/L[9]，則需要通過“機(jī)械設(shè)備+生態(tài)”技術(shù)凈化實現(xiàn)氨氮最大降解量取3.9 mg/L，即每立方降解3.9 g以上，氨氮總量為：

（2）沉水植物種植面積計算：

根據(jù)相關(guān)實驗室數(shù)據(jù)模擬分析，沉水植物系統(tǒng)穩(wěn)定且優(yōu)勢凈化條件下，可以通過同化作用將氨氮轉(zhuǎn)為水草氮，沉水植物同化率按20%計，水體中氨氮轉(zhuǎn)化為水草氮總量為：

5.九洲池水質(zhì)提升現(xiàn)場圖

沉水植物通過收割的方式將水草氮從水體中移除，水草氮占水草干物質(zhì)比例取1.5%，水草含水量一般為95%，則水草濕重為：

根據(jù)類型項目案例，水草產(chǎn)量為1.3 kg/a，則水草種植面積約為14 750 m2。若考慮補(bǔ)水及周邊綠化施肥中的氮素匯入水體，沉水植物面積擴(kuò)大1.2倍左右，則沉水植物種植面積約為17 878 m2。生態(tài)系統(tǒng)除沉水植物系統(tǒng)外，還包括挺水植物系統(tǒng)和水生動物，挺水植物種植面積1 968 m2，水生動物主要投放有自泳動物、底棲動物和浮游動物等。

（3）機(jī)械設(shè)備參數(shù)：

一體化綜合積水設(shè)備循環(huán)處理周期約為11 d，處理能力定為100 m3/h。

2.5 治理效果

通過“機(jī)械設(shè)備+生態(tài)”技術(shù)，實現(xiàn)治理后九洲池水體主要指標(biāo)優(yōu)于地表Ⅲ類水，水體透亮、清澈，水色自然（圖5）。具體水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1。

3 結(jié)論

人工景觀水采用“生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建+機(jī)械凈水設(shè)備”組合工藝治理，具有治理效果長效性和有效性的顯著優(yōu)勢，雖然從一開始的建造成本較高，但從長遠(yuǎn)來看，其社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益都是持續(xù)增長。

生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計時必須根據(jù)實際水源水質(zhì)，科學(xué)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，其物種選擇需符合生態(tài)規(guī)律，才能實現(xiàn)人工生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)性、穩(wěn)定性和有效性。在人們?nèi)找嬖鲩L的文化需求下，水文化的傳遞也是設(shè)計工作需同步考慮的。

表1 現(xiàn)狀水體水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)