再生水補(bǔ)給型湖泊水質(zhì)改善研究

張 婷

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

引言

再生水作為水量穩(wěn)定的水資源，不僅可促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用，緩解城市缺水問題，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)社會(huì)水循環(huán)與自然水循環(huán)有機(jī)融合的有效途徑[1][2]。基于生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)和污水再生處理生態(tài)工程技術(shù)，污水經(jīng)過合理的工程措施處理成為再生水，進(jìn)入具有人工強(qiáng)化調(diào)控性的生態(tài)系統(tǒng)，如人工濕地、河湖景觀水體等，經(jīng)過自然存儲(chǔ)和深度凈化后再循環(huán)利用于生產(chǎn)生活生態(tài)用水[3]。鴨子池作為再生水補(bǔ)給型湖泊，其水源主要來自于城東污水處理廠出水。近年來，由于城東污水處理廠出水水質(zhì)不穩(wěn)定，鴨子池自身水體流動(dòng)性差、較為封閉等多因素影響，導(dǎo)致鴨子池水質(zhì)惡化、水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞。該研究通過對(duì)鴨子池水質(zhì)惡化原因的研判，建立了適宜的水質(zhì)改善方案，以期為再生水健康高效利用和城市河湖水系生態(tài)修復(fù)研究提供科學(xué)有效的參考。

1 概況

運(yùn)城因“鹽運(yùn)之城”得名，運(yùn)城鹽池是我國(guó)開發(fā)最早的產(chǎn)鹽地。鴨子池位于運(yùn)城市鹽湖區(qū)東南部，與鹽池通過堤埝相隔。本次研究范圍為鴨子池水利管理范圍，面積約4.8km2，其中水域面積2.6km2，水深約2～3m。海拔在325.0m～330.0m 之間，與緊鄰其東的湯里灘處于同一流域，流域面積為171km2。

2 主要環(huán)境問題診斷

2.1 湖泊較為封閉，水體自凈能力不足

鴨子池為封閉湖體，常年無天然水體匯入和出流，僅在湖泊水位過高存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)或者鹽池有補(bǔ)水需求時(shí)，會(huì)適度向鹽池放水。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，區(qū)域水文氣象條件發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，自1958 年特大洪災(zāi)以來，由于氣候因素及阻水工程的建設(shè)，匯入鴨子池的地表徑流大幅減少。而鴨子池年蒸發(fā)量和下滲量較大，其水量維持主要依靠城東污水處理廠出水。

2.2 全過程水污染控制與治理不足，水環(huán)境質(zhì)量惡化

經(jīng)監(jiān)測(cè)，鴨子池現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類，達(dá)不到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中Ⅴ類水質(zhì)要求。主要超標(biāo)因子為COD、氨氮、總磷，超標(biāo)倍數(shù)分別為1.4 倍、0.7 倍和1.2 倍。城東污水處理廠出水執(zhí)行 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，并存在污水直接排入水體的情況。長(zhǎng)期以來，鴨子池水體及周邊形成了漁業(yè)養(yǎng)殖、耕地開墾等人為活動(dòng)模式，農(nóng)業(yè)面源污染加劇水質(zhì)惡化。

3 水質(zhì)改善方案

3.1 方案研究思路

通過資料分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)鴨子池環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行分析，辨識(shí)環(huán)境問題以及成因，綜合分析主要污染源；其次，根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)要求，結(jié)合鴨子池自身環(huán)境條件和污染特征，形成“生態(tài)補(bǔ)水、源頭控制、生態(tài)修復(fù)、活水復(fù)氧”的水質(zhì)改善方案。

（1）城東污水處理廠出水在排入鴨子池之前，通過人工濕地進(jìn)一步處理，達(dá)到鴨子池水質(zhì)要求，并嚴(yán)格監(jiān)管，杜絕污水直排。

（2）清退管理范圍內(nèi)現(xiàn)狀漁業(yè)養(yǎng)殖用地、耕地，削減面源污染負(fù)荷，改善水環(huán)境質(zhì)量，為植被自然演替和生態(tài)恢復(fù)提供場(chǎng)所。

（3）鴨子池較為封閉、水體流動(dòng)性差，設(shè)計(jì)通過水體復(fù)氧措施，創(chuàng)造維持水體水質(zhì)良好狀態(tài)所必需的水動(dòng)力條件；輔助植物修復(fù)，充分利用水體空間生態(tài)位和營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位，建立高效人工生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步削減水體污染。

3.2 人工濕地

鴨子池在2011 年之前基本處于干涸狀態(tài)，有關(guān)水文資料相當(dāng)匱乏。因此，方案遵循生態(tài)需水量的計(jì)算原則，基于水量平衡法[4]，計(jì)算鴨子池生態(tài)需水量，以此確定人工濕地處理規(guī)模。根據(jù)湖泊水量平衡原理，鴨子池生態(tài)需水量應(yīng)等于其水量消耗[5]。鴨子池補(bǔ)給量包括降雨補(bǔ)給和地下水補(bǔ)給。其中地下水補(bǔ)給可忽略，因鹽池水位常年低于鴨子池水位，地下水主要向鹽池補(bǔ)給。鴨子池消耗水量包括蒸發(fā)滲漏量以及每年向鹽池補(bǔ)水量。鴨子池多年平均水量動(dòng)態(tài)分析詳見表1。

表1 鴨子池多年平均水量動(dòng)態(tài)分析（單位：萬m3）

從水量數(shù)據(jù)分析可見，鴨子池所需生態(tài)補(bǔ)水量為629.84～1129.84 萬m3，折合成日補(bǔ)水量為1.7～3.1 萬m3/d。因此，人工濕地的設(shè)計(jì)規(guī)模取3.1 萬m3/d。

研究表明，人工濕地類型中垂直潛流濕地適宜作為污水處理廠的深度處理單元，對(duì)污水中氮、磷有很好的去除效果[6][7]。且潛流濕地與外界有覆蓋層隔斷，在北方冬季低溫條件下，能夠?qū)Υ搀w起到保溫作用，保證一定的去除效率[8][9]。因此，選擇垂直潛流濕地處理城東污水處理廠出水，濕地設(shè)計(jì)按照《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 2005—2010）要求，并綜合場(chǎng)地條件、進(jìn)水水質(zhì)、出水水質(zhì)等因素開展，設(shè)計(jì)總面積約為22.6 萬m2，其中垂直潛流人工濕地面積約為8.6 萬m2，表流景觀水體面積約14萬m2。表流景觀水體有助于去除垂直潛流濕地出水中殘留污染物，通過一定景觀設(shè)計(jì)手段豐富鴨子池濕地風(fēng)貌，有助于提升景觀多樣性和生物多樣性。

濕地植物的選擇主要考慮以下原則：

（1）耐鹽堿；（2）具有一定去污能力；（3）本土物種優(yōu)先；（4）觀賞性等?；趯?duì)運(yùn)城市濕地植物的調(diào)查，植物配置以蘆葦、水蔥、美人蕉、千屈菜、川蔓藻等。

3.3 原位修復(fù)

（1）人工增氧

鴨子池較封閉，水體流速遲緩，水中溶解氧不足，湖泊自凈能力下降。多年來城東污水處理廠出水所含污染物不斷沉積于底泥中，成為二次污染源，因蓄水時(shí)間不長(zhǎng)，底泥淤積較少，相比開展清淤工程，采用原位處理更具經(jīng)濟(jì)性。厭氧條件會(huì)促使底泥中氮、磷的釋放，進(jìn)入上覆水[10]。借助曝氣措施，促進(jìn)水中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮去除，并可抑制磷的釋放[11]。曝氣措施不僅提升水體氧含量，也有助于改善水動(dòng)力條件。設(shè)計(jì)布置8 套噴泉曝氣設(shè)備和6 套太陽能曝氣設(shè)備。太陽能曝氣設(shè)備布控于接電難度較大區(qū)域，對(duì)于景觀要求高的區(qū)域采用噴泉曝氣設(shè)備。

（2）生態(tài)浮島

生態(tài)浮島技術(shù)是融合無土栽培技術(shù)和生物動(dòng)力學(xué)，將高等水生植物或陸生植物，以高分子材料等作為載體，種植到受污染水體中。浮島植物通過吸收和吸附自身生長(zhǎng)所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，達(dá)到改善水質(zhì)的效果。由于植物能將氧氣輸送至根系區(qū)，植物根區(qū)還原態(tài)介質(zhì)變成了氧化態(tài)，為好氧、兼厭、厭氧微生物提供了適宜的生存環(huán)境。設(shè)計(jì)總面積約11000m2。選擇湖心區(qū)、深水區(qū)、淺水區(qū)、湖岸親水區(qū)等10 個(gè)原位處理節(jié)點(diǎn)布置原位處理設(shè)施，以改善水循環(huán)、增強(qiáng)水體自凈能力、恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)定鴨子池水體水質(zhì)在Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 生態(tài)修復(fù)

為實(shí)現(xiàn)鴨子池水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和恢復(fù)生態(tài)景觀功能，清退現(xiàn)狀漁業(yè)養(yǎng)殖用地，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖，還原原生狀態(tài)。結(jié)合周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，引導(dǎo)漁民產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，逐步向鄉(xiāng)村旅游觀光方向發(fā)展。另外對(duì)受損的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)自然型生態(tài)駁岸，與鴨子池整體景觀風(fēng)貌相統(tǒng)一。

從保護(hù)和改善鴨子池生態(tài)環(huán)境出發(fā)，將管理范圍內(nèi)耕地有計(jì)劃停止耕種，本著宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、宜濕則濕的原則，因地制宜造林種草，恢復(fù)林草植被。整體植被空間配置和景觀設(shè)計(jì)以原生態(tài)為主。

結(jié)語

為破解鴨子池水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)破壞之間的矛盾，本研究從流域系統(tǒng)修復(fù)的整體性和長(zhǎng)效性出發(fā)，制定水質(zhì)改善方案，并與景觀提升相結(jié)合，為更好的發(fā)揮生態(tài)修復(fù)工程效益提供有力保障。

（1）通過人工濕地等工程措施，將再生水轉(zhuǎn)化為具有自然屬性的第二水源，補(bǔ)充鴨子池維持正常生態(tài)功能所需水量，提高水資源的可持續(xù)利用。

（2）鴨子池水環(huán)境提升不僅注重水質(zhì)改善，與相關(guān)規(guī)劃相銜接，在濕地生態(tài)恢復(fù)和景觀品質(zhì)提升方面與鹽池形成區(qū)域聯(lián)動(dòng)，建成城區(qū)南部集濕地保護(hù)、文化傳承、觀光休閑于一體的濕地生態(tài)景觀區(qū)。