基于水生態(tài)系統(tǒng)平衡的鄆城南湖水體生態(tài)凈化方案

孫子日哈，尚福強(qiáng)，吳得卿，唐莉華，王 碩，蔡 一

(1.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084； 2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

近年來我國湖泊水體生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重，其中水體富營養(yǎng)化是湖泊生態(tài)環(huán)境退化的七大問題之一[1]。富營養(yǎng)化湖泊的修復(fù)包括物理、化學(xué)、生物等方法，其中，水生態(tài)修復(fù)技術(shù)因具有投資小、效率高、無二次污染等特點(diǎn)而受到關(guān)注?；谏鷳B(tài)平衡的水體生態(tài)凈化方法是利用適宜的水生動(dòng)植物，構(gòu)建有利于維持湖泊清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?，形成穩(wěn)定的河湖水生態(tài)系統(tǒng)并逐漸實(shí)現(xiàn)河湖水質(zhì)凈化。這種方法屬于生物修復(fù)范疇，利用生物自身的特性凈化水環(huán)境，與自然環(huán)境有更大的相容性。其目的不僅是水質(zhì)的達(dá)標(biāo)，最終是要通過階段性治理構(gòu)建一個(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡的水生態(tài)系統(tǒng)，使水體恢復(fù)自凈能力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。

國內(nèi)外關(guān)于水體生態(tài)凈化技術(shù)的研究從20世紀(jì)80年代開始，并不斷通過應(yīng)用實(shí)踐對其效果進(jìn)行驗(yàn)證。Ramesh等[2]從1987年起在芬蘭Zwemlust Lake應(yīng)用生物技術(shù)進(jìn)行湖泊修復(fù)，到2000年水質(zhì)得到明顯改善。孫剛等[3]從1992年起運(yùn)用水生動(dòng)植物對長春市南湖進(jìn)行綜合治理，1996年發(fā)現(xiàn)水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)。2001年、2002年春巢湖市向巢湖投放了鰱魚和鳙魚，到夏季湖水水質(zhì)得到了較好的改善[4]。陳開寧等[5]2004年起在太湖五里湖開展了大型圍隔試驗(yàn)進(jìn)行生態(tài)重建示范工程，在兩年的時(shí)間里較好地恢復(fù)了水生植被，試驗(yàn)區(qū)水質(zhì)得到了明顯的改善。沙昊雷等[6]在常州市白蕩浜黑臭水體中運(yùn)用包含水生動(dòng)植物、曝氣裝置等措施在內(nèi)的生態(tài)治理，發(fā)現(xiàn)4個(gè)月后河道水質(zhì)有明顯改善。以上研究表明：利用水生動(dòng)植物系統(tǒng)凈化水質(zhì)的措施成效顯著，但需要一定的周期，多種水生動(dòng)植物組合更易發(fā)揮其凈水作用。目前，水生植物的耐污能力、最佳種植密度、水生動(dòng)物的最佳投放比例與規(guī)模均有待進(jìn)一步研究[7]。劉正文等[8]的研究表明，淺水湖泊生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)設(shè)法控制沉積物磷釋放與再懸浮，加速沉水植物群落的恢復(fù)，促進(jìn)底棲藻類的發(fā)展，最終形成底棲初級生產(chǎn)者占主導(dǎo)的淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)，即通過影響底棲-敞水生境耦合，重建淺水湖泊清水態(tài)。目前以建立淺水湖泊清水態(tài)的反饋?zhàn)饔脼槟康?，通過構(gòu)建復(fù)合水生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮多種水生生物在時(shí)間、空間上的凈水效果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)的研究還較少，應(yīng)用實(shí)例更少。

山東省鄆城南湖是一個(gè)新建的人工湖泊，屬于典型的城市封閉緩流景觀水體，水體自凈能力弱，容易受到污染且難以實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。本文在分析鄆城南湖污染源的前提下，通過調(diào)查典型挺水植物、沉水植物、底棲動(dòng)物和部分魚類的生態(tài)凈水功能，并選用適宜的水生動(dòng)植物構(gòu)建南湖水生態(tài)系統(tǒng)，探究基于水生態(tài)系統(tǒng)平衡的南湖水體綜合凈化方案，以提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，維持良好的湖泊水體環(huán)境質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

南湖位于山東省鄆城縣城區(qū)南部的南湖公園，水面面積約26.7 hm2，平均水深3.5 m，總水量約為93.34萬m3。上游為幾乎不向南湖供水的鄆城水庫，下游因城市建設(shè)被截?cái)?。南湖邊原?個(gè)雨水管入湖，承接周邊2.2 km2范圍的雨水徑流，現(xiàn)雨水管已接入市政管網(wǎng)，相應(yīng)的雨水徑流不再入湖。湖區(qū)水量的輸入和輸出主要為湖區(qū)降水、公園內(nèi)徑流和湖面蒸發(fā)。南湖是典型的城市封閉緩流景觀水體，水體流動(dòng)性差，自凈能力弱，易受到污染且不易實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。湖區(qū)現(xiàn)有蘆葦種植面積1.2 hm2、荷花0.55 hm2、黃菖蒲少量。

2 研究方法

采用基于水生態(tài)系統(tǒng)平衡的水體生態(tài)凈化修復(fù)方案，設(shè)計(jì)前需要先明晰各污染源，調(diào)研相關(guān)動(dòng)植物的凈水能力，結(jié)合南湖主要污染物及典型濃度場進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.1 污染源分析及計(jì)算

南湖湖水的主要來源為湖區(qū)降水和公園內(nèi)徑流；大氣中的氮、磷通過干、濕沉降的方式進(jìn)入水體，會對南湖造成一定的污染[9-10]；同時(shí)，作為市民休閑娛樂場所，旅游活動(dòng)也會污染南湖水體。因此，南湖污染源主要考慮大氣沉降污染、旅游活動(dòng)污染和公園內(nèi)的徑流污染。

湖區(qū)氮沉降量計(jì)算公式為[11]

FN=DNA

(1)

式中：FN為全年氮沉降負(fù)荷量，kg；A為水域面積，km2；DN為氮沉降通量，山東省屬于氮高沉降區(qū)，采用山東省氮沉降通量數(shù)據(jù)，菏澤地區(qū)為3 086 kg/(km2·a)[10]。計(jì)算得到FN約為1 016 kg。

湖區(qū)磷沉降量FP計(jì)算公式為

FP=ρ降水V降水

(2)

式中：ρ降水為降水中磷的質(zhì)量濃度，mg/L；V降水為湖面承接的年降水量的體積，m3。鄆城縣的多年平均降水量為642 mm，大氣磷的濕沉降質(zhì)量濃度約 0.015 mg/L，計(jì)算得到FP約為3.4 kg。

南湖公園內(nèi)湖區(qū)周邊還有廣場(6.52 hm2)、綠化帶(8.31 hm2)、房屋建筑(1.82 hm2)、周邊道路(7.34 hm2)，在降雨期間會產(chǎn)生地表徑流。雨水徑流中的氮、磷入湖量計(jì)算公式為

F=S下墊面αHρ徑流β

(3)

式中：S下墊面為公園中各類型下墊面的面積，m2；α為不同下墊面的徑流系數(shù)(道路和廣場取0.48，綠地取0.01，建筑屋頂取0.21)[12]；H為年降水深度，mm；ρ徑流為徑流中污染物的質(zhì)量濃度，由實(shí)測雨水徑流污染物濃度可知，ρ(COD)=103.73 mg/L，ρ(氨氮)=3.14 mg/L，ρ(TP)=0.19 mg/L，ρ(TN)=3.14 mg/L；β為污染物入湖系數(shù)，取用農(nóng)田徑流入湖系數(shù)0.15[13]。

據(jù)調(diào)查南湖平均每天旅游人數(shù)約2 000人，旅游帶來的污染負(fù)荷強(qiáng)度參考其他景區(qū)研究取值[13-18]，COD、氨氮、總氮和總磷的人均污染入湖量取3.45 g/d、0.28 g/d、0.43 g/d和0.03 g/d。

根據(jù)2018年6月28日取樣測得的南湖5個(gè)水質(zhì)樣本分析結(jié)果，湖水水質(zhì)在Ⅳ～Ⅴ類水之間，湖區(qū)中央及湖區(qū)南部的水質(zhì)較差。而2019年9月27日現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)南湖水質(zhì)變差，已接近Ⅴ類或超過Ⅴ類水。南湖具有景觀功能、非直接接觸的娛樂用水功能，同時(shí)也是南湖水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，承載著南湖生物群落的生命。一般景觀要求水域水質(zhì)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，非直接接觸的娛樂用水功能需滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。南湖水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)需要魚類和底棲動(dòng)物的放養(yǎng)，而Ⅲ類水才能很好地滿足魚類和底棲動(dòng)物的生存。因此先以Ⅳ類水為基本目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)向Ⅲ類水的過渡。目前湖區(qū)水質(zhì)為Ⅴ類水，目標(biāo)水質(zhì)設(shè)為Ⅳ類水，因此可計(jì)算得到南湖水體中COD、氨氮、總氮及總磷等指標(biāo)提高到Ⅳ類水水質(zhì)時(shí)需處理的負(fù)荷量。由于湖區(qū)降水及公園內(nèi)徑流入湖水量(約21萬m3)小于湖面蒸發(fā)量(41萬m3)，方案將會有補(bǔ)水措施，因此本文不考慮濃縮、稀釋過程，只考慮水生動(dòng)植物系統(tǒng)對污染負(fù)荷的凈化能力。

綜上，不同來源污染負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果及南湖水體質(zhì)量提升到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需處理的污染負(fù)荷量見表1。

表1 入湖污染負(fù)荷量及需處理負(fù)荷量 單位：kg/a

2.2 水生動(dòng)植物凈化能力

水生植物凈化水體主要通過吸收水體中的營養(yǎng)元素，防止?fàn)I養(yǎng)元素富集，從而抑制藻類生長，改善水質(zhì)。選擇能夠削弱浮游植物種群優(yōu)勢的植物，以減少浮游植物的生物量，從而增加水體的透明度，使沉水植物和底棲藻類更易獲得光照，進(jìn)一步發(fā)展為優(yōu)勢種群。沉水植物和底棲藻類都可以提高沉積物表層氧化還原電位，從而抑制鐵、磷的釋放[19]，有沉水植物的湖泊沉積物磷釋放速率顯著低于無沉水植物的湖泊[20]。沉水植物是維持清水態(tài)，從而維持敞水生境較低磷濃度和較低浮游植物生物量的關(guān)鍵因子[8]。蘆葦(Phragmitescommunis)和輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)有較強(qiáng)的耐污和去污能力。荷花(Nelumbonucifera)、黃菖蒲(Irispseudacorus)在水環(huán)境下會產(chǎn)生適應(yīng)性抗逆反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)自身的脯氨酸、丙二醛含量以適應(yīng)污水環(huán)境。金魚藻(CeratophyllumdemersumL)的COD凈化率強(qiáng)，但耐污染適應(yīng)性能相對較弱。通過分析及文獻(xiàn)調(diào)研的水生植物水體凈化效果，結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有水生植物種類，選擇輪葉黑藻、蘆葦、黃菖蒲、荷花、金魚藻等作為凈水植物。這5種水生植物對有機(jī)污染物及營養(yǎng)鹽的去除效果較好，且成活率高、易栽培、成本低，對水深條件要求不高。水生植物對COD、氨氮、總氮和總磷的去除能力從文獻(xiàn)中獲得。文獻(xiàn)[21-25]中研究的地域及實(shí)驗(yàn)條件不盡相同，大多數(shù)指標(biāo)的范圍較大。綜合考慮各種因素，本文計(jì)算采用的植物凈水能力按調(diào)研結(jié)果去除最大值和最小值后的平均值取值。蘆葦、黃菖蒲、荷花對COD的處理能力取值分別為312.83 mg/(d·m2)、1 377.39 mg/(d·m2)、44.16 mg/(d·m2)；對氨氮的處理能力取值分別為97.02 mg/(d·m2)、227.81 mg/(d·m2)、7.74 mg/(d·m2)；對總氮的處理能力取值分別為87.35 mg/(d·m2)、326.77 mg/(d·m2)、19.81 mg/(d·m2)；對總磷的處理能力取值分別為16.09 mg/(d·m2)、49.17 mg/(d·m2)、1.05 mg/(d·m2)。

魚類對淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響之一就是影響水動(dòng)力條件。底棲生物食性魚類可能會通過攝食活動(dòng)促進(jìn)沉積物的再懸浮，增加磷釋放風(fēng)險(xiǎn)；浮游生物食性魚類雖然能降低藍(lán)藻量，但也可能會提高湖水的總磷濃度[8]。因此不選擇底棲生物食性魚類，選擇低密度的浮游生物食性魚類，以構(gòu)建南湖魚類群落結(jié)構(gòu)。濾食性的鰱魚和鳙魚活動(dòng)于上層水體，攝食浮游植物和浮游動(dòng)物。在富營養(yǎng)化水體中按3∶1的比例放養(yǎng)鰱魚和鳙魚，對總氮和NH3-N的去除率均能達(dá)到60%以上[26]。底棲動(dòng)物田螺攝食單胞藻、原生動(dòng)物、有機(jī)碎屑等；雙殼類可以降低敞水生境中的懸浮物濃度，提高透明度，從而有利于底棲植物的生長以及湖泊清水態(tài)的維持；河蚌攝食水生植物嫩莖葉、藻類、細(xì)菌和有機(jī)碎屑等，它們對于富營養(yǎng)化水體中的COD、總氮、總磷等也有一定的去除效果[27-28]。草魚攝食浮水、沉水、挺水植物等，生活在水體中下層，其排泄物可給鰱魚提供營養(yǎng)，但其對水質(zhì)要求一般比較高。紅鯽魚攝食底棲動(dòng)物、有機(jī)碎屑等，生活在水體底層，可抑制藻類和底棲動(dòng)物過量繁殖。草魚和紅鯽魚可考慮用于構(gòu)建湖泊中的食物鏈。

2.3 氮濃度場的模擬

污染物在水體中隨著水流遷移，在遷移過程中會受到各種物理、化學(xué)因素的影響，發(fā)生輸移、混合、分解、稀釋和降解。水質(zhì)模型的目的就是用數(shù)學(xué)語言描述污染物在水體中的變化規(guī)律以及相互制約因素。為了解南湖水體中污染物分布的空間變異性，采用MIKE21軟件對南湖流場和濃度場進(jìn)行模擬。運(yùn)用MIKE21軟件中的HD水動(dòng)力學(xué)模塊和Ecolab水質(zhì)模塊，構(gòu)建南湖二維水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模型。根據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在Ecolab模塊中設(shè)置相應(yīng)的變量方程，以氮濃度場模擬為例，選擇的主要變量為氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮，變量方程表達(dá)式分別為

(4)

(5)

(6)

式中：mBOD為單位時(shí)間內(nèi)BOD降解過程釋放出的氨氮質(zhì)量；mplant為單位時(shí)間內(nèi)植物攝取的氨氮質(zhì)量；mbact為單位時(shí)間內(nèi)細(xì)菌攝取的氨氮質(zhì)量；mnitrif1為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮的氨氮質(zhì)量；mnitrif2為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用生成的亞硝酸氮質(zhì)量；mnitri1為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用轉(zhuǎn)換成硝酸氮的亞硝酸氮質(zhì)量；mnitri2為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用生成的硝酸氮質(zhì)量；mdeni為單位時(shí)間內(nèi)反硝化作用消耗的硝酸氮質(zhì)量。

結(jié)合文獻(xiàn)資料設(shè)置初始參數(shù)，并通過控制點(diǎn)模擬與實(shí)測結(jié)果對比，不斷對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)行水質(zhì)濃度場的計(jì)算。圖1為采用MIKE21軟件模擬得到的南湖典型日總氮質(zhì)量濃度分布，可見總氮濃度較高區(qū)主要分布在湖區(qū)的中部、東部和西南部，與實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖1 南湖典型日總氮質(zhì)量濃度場分布

2.4 生態(tài)浮島設(shè)計(jì)

若新增的植物均集中布置在岸邊或某個(gè)區(qū)域，則湖中污染物濃度高且水體流動(dòng)性差的區(qū)域水質(zhì)將難以達(dá)到預(yù)期效果，可能仍處于富營養(yǎng)狀態(tài)，而植物集中布置區(qū)可能會偏向于貧營養(yǎng)狀態(tài)，而由此導(dǎo)致的過高或過低營養(yǎng)鹽濃度均不利于水生植物生長而發(fā)揮凈水作用。因此考慮借助生態(tài)浮島技術(shù)，根據(jù)總氮高濃度區(qū)的位置較均勻地布置水生植物。

人工生態(tài)浮島技術(shù)是目前國內(nèi)外常用的湖泊水體凈化技術(shù)，具有凈化水質(zhì)、美化水面景觀、提供動(dòng)物棲息空間等功能，并具有易制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用生態(tài)浮島技術(shù)處理效率遠(yuǎn)高于單純的水生動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)[29]。什剎海實(shí)施人工生態(tài)浮島工程1年后，總氮、總磷濃度分別下降了4.74 mg/L和 0.45 mg/L，去除率分別達(dá)79%和91%[30]。

為了方便運(yùn)輸布置，可使用若干生態(tài)浮床拼接成生態(tài)浮島。綜合考慮凈水效果和耐用等因素，可選擇長方形的有框濕式浮床、PVC管浮床框體、聚苯乙烯泡沫板浮床床體、海綿浮床基質(zhì)。每個(gè)浮島的4個(gè)頂點(diǎn)均需打樁固定，浮島內(nèi)浮床之間通過框體連接，浮島四周由PVC管框體連接。

3 方案設(shè)計(jì)

水生態(tài)修復(fù)的核心是建立水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，需要遵循水生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境的作用關(guān)系、生物與生物之間的食物鏈特征等規(guī)律。因此方案首先要實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域能量和物質(zhì)收支趨于平衡的目標(biāo)，如利用生物有效控制環(huán)境中過量且不利于維持生態(tài)平衡的物質(zhì)；其次構(gòu)建有利于促進(jìn)湖泊自我修復(fù)和自我調(diào)節(jié)的食物鏈。水生植物種植方案既要削減南湖水體中過剩的營養(yǎng)鹽，也要避免南湖水體進(jìn)入貧營養(yǎng)鹽狀態(tài)；魚類和底棲動(dòng)物主要用于構(gòu)建生物之間的食物鏈關(guān)系，要避免數(shù)量過多而不利于水平衡狀態(tài)的形成。

3.1 植物的種植面積

由植物的凈水能力以及需處理的COD、氨氮、總氮、總磷負(fù)荷量，可計(jì)算所需各水生植物的種植面積。由于水生植物一般從3月初開始萌芽，到11月底衰落，因此3種水生植物的生長期取9個(gè)月，即275 d。南湖現(xiàn)有一定面積的蘆葦和荷花，能處理一部分負(fù)荷，進(jìn)而可得處理剩余負(fù)荷量所需的各種植物面積(表2)。

表2 剩余負(fù)荷量及所需補(bǔ)種植物面積

計(jì)算結(jié)果顯示，完成COD的削減目標(biāo)時(shí)所需各種植物面積均最大，僅對去除COD而言，黃菖蒲所需種植面積最小，約為30 272 m2，但數(shù)值較大。考慮到經(jīng)濟(jì)成本以及湖面的整體景觀效果，以COD量控制蘆葦、黃菖蒲、荷花的種植面積不太現(xiàn)實(shí)。當(dāng)以總氮來控制時(shí)，3種植物需補(bǔ)種的面積均大于以總磷和氨氮控制的情況，此時(shí)總氮、總磷、氨氮均能達(dá)到凈化目標(biāo)。湖泊生態(tài)恢復(fù)除了削減水體中的磷外，氮負(fù)荷的削減也是關(guān)鍵，水體的總氮質(zhì)量濃度小于2 mg/L時(shí)有利于湖泊中沉水植物的發(fā)展，否則將可能延緩湖泊生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程[31]。因此選擇總氮作為控制指標(biāo)，此時(shí)3種植物中黃菖蒲的種植面積最小，約需16 631 m2。為促進(jìn)底棲植物的覆蓋度和優(yōu)勢度，可在12月至次年3月南湖水位較低時(shí)在淺水區(qū)及水岸過渡帶播種沉水植物輪葉黑藻和金魚藻。輪葉黑藻和金魚藻一方面可抑制沉積物中營養(yǎng)鹽的靜態(tài)釋放，另一方面可為草魚等水生動(dòng)物提供天然餌料。

3.2 魚類和底棲動(dòng)物的放養(yǎng)數(shù)量

選擇魚類和底棲動(dòng)物的主要目的是維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。選擇能攝食浮游植物的魚類用于削減南湖浮游植物生物量，協(xié)助水生植物削弱浮游植物在富營養(yǎng)化的南湖水生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種群作用。選擇適宜的底棲動(dòng)物構(gòu)造底棲食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)南湖底棲初級生產(chǎn)力，維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?。根?jù)水生動(dòng)物的水質(zhì)凈化作用及生長習(xí)性，選擇河蚌、田螺去除COD；選擇鰱魚和鳙魚去除總氮和氨氮，消耗浮游植物等；選擇草魚構(gòu)建南湖水體中的食物鏈。紅鯽魚的攝食活動(dòng)可能會促進(jìn)沉積物再懸浮和營養(yǎng)鹽擴(kuò)散[8]，因此不放養(yǎng)紅鯽魚。草魚對水質(zhì)要求相對較高，可在方案實(shí)施的第二年放養(yǎng)。

結(jié)合北海和什剎海投放鰱魚、鳙魚、草魚實(shí)現(xiàn)凈水的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[32]，選擇鰱魚、鳙魚、草魚的放養(yǎng)密度分別為495尾/hm2、165尾/hm2、165尾/hm2，其中草魚先試放養(yǎng)100尾/hm2，若能較好存活，最終放養(yǎng)密度調(diào)整至鳙魚的放養(yǎng)密度。河蚌、田螺放養(yǎng)密度分別選擇為 3個(gè)/m2、10個(gè)/m2。

3.3 生態(tài)浮島布置

目前南湖荷花和蘆葦?shù)拇笾路植家妶D2。保留現(xiàn)有的荷花和蘆葦，在合理范圍內(nèi)讓其自由生長蔓延，使其結(jié)合岸邊的綠化帶形成有屏障作用的湖濱帶，在一定程度上阻攔陸域污染物進(jìn)入南湖，可以對公園內(nèi)徑流污染和人為污染起到緩沖削減作用。

圖2 南湖現(xiàn)有植物分布及浮島布置

綜合考慮蘆葦?shù)膬羲芰?、在南湖良好的生長狀況以及浮島的景觀效果后，除黃菖蒲外，也選擇蘆葦作為浮床植物。為便于浮床布置，最終確定黃菖蒲、蘆葦種植面積分別為1.7萬m2、1 000 m2，將18 000 m2的植物均分至5個(gè)浮島，每個(gè)浮島上尺寸為60 m×60 m。單個(gè)浮島上的蘆葦面積為20 m×10 m，黃菖蒲面積為 3 400 m2。每個(gè)浮島由360個(gè)5 m×2 m 的浮床組成，其中黃菖蒲浮床340個(gè)，蘆葦浮床20個(gè)。

根據(jù)南湖典型日總氮質(zhì)量濃度分布(圖1)，將5個(gè)浮島布置在氮濃度高的區(qū)域，使浮島上的黃菖蒲和蘆葦在與浮游植物競爭光照和營養(yǎng)鹽等因子中占優(yōu)勢地位，從而抑制浮游植物生物量的過度增加。蘆葦和黃菖蒲在浮床上的種植密度分別為 16株/m2和25叢/m2。

4 結(jié)果與分析

4.1 方案效果預(yù)估

根據(jù)南湖現(xiàn)有植物和新增的植物面積，估算其對COD、氨氮、總氮、總磷的去除量，并評估此方案實(shí)施后南湖可能達(dá)到的水質(zhì)狀況，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯捶桨钢性O(shè)計(jì)的蘆葦、黃菖蒲及荷花種植面積，通過水生植物的凈化效果，可以使湖區(qū)水體中的總氮、總磷及氨氮滿足Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo)，COD接近凈化目標(biāo)?？偟|(zhì)量濃度小于2 mg/L，有利于沉水植物的發(fā)展[31]。

表3 方案處理效果預(yù)估

根據(jù)預(yù)估結(jié)果，COD由于負(fù)荷量較多，單靠蘆葦、荷花、黃菖蒲的凈化作用不能達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是沉水植物對COD也有較好的凈化效果，金魚藻和輪葉黑藻的凈化效果有時(shí)比荷花和黃菖蒲更高[33-35]，因?yàn)榉桨钢形炊坑?jì)算沉水植物、魚類和底棲動(dòng)物對COD的處理作用，因此COD的濃度理論上會比表3的計(jì)算值要低，更接近目標(biāo)水質(zhì)。根據(jù)污染源分析，南湖入湖污染物中旅游活動(dòng)COD貢獻(xiàn)占78%，為保證湖區(qū)水質(zhì)，需要通過嚴(yán)格管理措施進(jìn)行旅游污染輸入控制，從污染源頭減少COD入湖量。

計(jì)算結(jié)果顯示，湖水中的總磷負(fù)荷能完全被處理，但實(shí)際上水體中的總磷質(zhì)量濃度不會下降至0。一方面隨著湖中總氮、總磷濃度的降低，浮島植物的凈化能力會受到抑制；另一方面，布置的沉水植物和放養(yǎng)的底棲動(dòng)物對沉積物營養(yǎng)鹽[36]釋放的抑制作用無法定量評估，因此浮島植物削減了水體中大量的氮、磷等營養(yǎng)鹽后，沉積物中的營養(yǎng)鹽可能會隨著濃度梯度和草魚等的擾動(dòng)而釋放。沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放又會促進(jìn)浮島植物的生長，浮島植物進(jìn)一步抑制浮游植物，水體變清澈，沉水植物因獲得更多光照而有生長優(yōu)勢，便形成了維持南湖清水態(tài)的反饋?zhàn)饔谩?/p>

4.2 補(bǔ)水方案

因降水進(jìn)入南湖的水量每年約為21萬m3，而南湖年蒸發(fā)量約為41萬m3，考慮這部分水量變化后，可計(jì)算剩余COD、氨氮、總氮在剩余水體的質(zhì)量濃度分別為44.5 mg/L、0.89 mg/L、1.82 mg/L。此時(shí)COD、總氮的濃度均達(dá)不到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此需每年向南湖補(bǔ)水約20萬m3，以維持其水深，使南湖的總氮和氨氮濃度滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于補(bǔ)水量需具有季節(jié)變異性，每月的補(bǔ)水量可根據(jù)月降水量和蒸發(fā)量進(jìn)行分配。以2018年為典型年，根據(jù)降水量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)分析，1～12月補(bǔ)水量分配見表4。冰凍時(shí)期未能補(bǔ)充的水量可在其他月份進(jìn)行補(bǔ)充。

表4 各月補(bǔ)水量分配 單位：萬m3

4.3 可持續(xù)性分析

本方案共布置水生植物1.8 hm2，約占南湖水面面積的6.5%。魚類和底棲動(dòng)物放養(yǎng)密度也均較小，以實(shí)現(xiàn)不投餌不施肥構(gòu)建食物鏈，可以削弱維持渾水態(tài)的正反饋?zhàn)饔?，形成維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔谩７桨钢须m未考慮沉積物中污染再釋放的影響，但選用的輪葉黑藻、蘆葦具有較強(qiáng)的耐污能力，荷花、黃菖蒲具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此方案也對沉積物氮、磷的釋放有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

由于每年外源污染物入湖量小于方案中植物每年所能處理的污染量，因此方案實(shí)施后湖中的各種污染負(fù)荷理論上均會減小。而輕度富營養(yǎng)化水中的氮磷是植物生長的限制因子，需控制輕度富營養(yǎng)化水中植物量。當(dāng)水體中營養(yǎng)鹽的濃度有所下降，植物表現(xiàn)出缺乏營養(yǎng)鹽的癥狀時(shí)，需將部分浮島移出南湖。為避免水生植物枯落物成為二次污染源，需在植物衰落后及時(shí)收割出湖，避免大量枯落物入湖；定期調(diào)查水生動(dòng)物存活狀況，若有大量死亡現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)從湖中取出。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)南湖不同污染源入湖量的分析，基于水生植物、魚類及底棲動(dòng)物的凈化能力設(shè)計(jì)了南湖水生態(tài)凈化方案。通過構(gòu)建水生態(tài)平衡系統(tǒng)(包括蘆葦、黃菖蒲、荷花、輪葉黑藻、金魚藻等植物布置方案，鰱魚、鳙魚、草魚、河蚌、田螺放養(yǎng)形式等)，削弱浮游植物的生長優(yōu)勢，促進(jìn)沉水植物的優(yōu)勢度，有效抑制沉積物中的營養(yǎng)鹽大量釋放，維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?，提高水體自凈能力。

經(jīng)過分析計(jì)算，南湖COD、氨氮、總氮、總磷入湖負(fù)荷總量約分別為3 241 kg、218 kg、1 349 kg、29 kg。按不同水生植物的處理能力以及浮島布置需求，在現(xiàn)有的1.2 hm2蘆葦及0.55 hm2荷花的基礎(chǔ)上，需種植黃菖蒲1.7 hm2，蘆葦0.1 hm2，并放養(yǎng)鰱魚、鳙魚、草魚、河蚌、田螺等水生動(dòng)物，以形成良好的水生態(tài)平衡系統(tǒng)。初步估算，在該水體生態(tài)凈化方案下，南湖中總氮、總磷、氨氮的濃度將能到達(dá)甚至優(yōu)于Ⅳ類水；而COD由于污染負(fù)荷入湖量較大，光靠水生動(dòng)植物的凈化1年內(nèi)可能暫不能達(dá)標(biāo)，需要采取管理手段對旅游污染源進(jìn)行控制。

由于數(shù)據(jù)有限，本文只計(jì)算了年尺度的污染負(fù)荷，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，未能考慮年內(nèi)的水質(zhì)變化，但方案可在年際間根據(jù)實(shí)測水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，如營養(yǎng)鹽濃度顯著降低時(shí)可將部分浮島移出湖區(qū)。另外，由于旅游活動(dòng)產(chǎn)生的入湖COD占入湖總量的比例高達(dá)78%，需要相關(guān)部門聯(lián)合加強(qiáng)管理，如通過在公園道路合理布設(shè)垃圾桶、控制入園人數(shù)等措施減少旅游污染入湖量。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，若發(fā)生水質(zhì)惡化現(xiàn)象，可考慮人工綠藻打撈、人工引水沖淤等物理應(yīng)急手段進(jìn)行處理，以保證水生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力。