生態(tài)治理技術在長沙市梅溪湖的應用研究

張小春　魏秘　王輝　韓增輝　王瑞　胡菊香

摘要：長沙市梅溪湖作為梅溪湖片區(qū)的綠心，是湘江新區(qū)核心區(qū)域的城市“海綿體”，其水環(huán)境質量的穩(wěn)定是片區(qū)開發(fā)建設的重中之重。但隨著梅溪湖片區(qū)的集中開發(fā)，周邊商業(yè)、餐飲業(yè)快速發(fā)展，人流量逐步增加，生態(tài)環(huán)境破壞風險加大，對梅溪湖水生態(tài)環(huán)境和景觀生態(tài)的維護帶來了極大考驗。為改善梅溪湖生態(tài)環(huán)境，采用生態(tài)優(yōu)化處理、營養(yǎng)級串聯(lián)調控、營養(yǎng)物生物過濾、營養(yǎng)物生物吸收等生態(tài)治理技術對梅溪湖景觀水體實施凈化工程。實施生態(tài)治理技術后，對梅溪湖湖區(qū)水質進行了監(jiān)測，結果顯示梅溪湖水質由地表水Ⅳ類水提升至Ⅲ類水，初步形成了“水清岸綠”的風景。梅溪湖生態(tài)治理修復工程的成功實施為相關工程的建設提供技術借鑒。

關鍵詞：生態(tài)治理; 水質; 城市景觀水體; 梅溪湖; 長沙市; 湘江

中圖法分類號： TV85;X171.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.009

0引 言

長沙市梅溪湖屬于城市人工湖泊，所在位置屬于岳麓山桃花嶺景區(qū)，原以農田荒地為主，2012年梅溪湖建造完成。梅溪湖的功能定位是國家級新區(qū)湘江新區(qū)的城市“海綿體”、梅溪湖片區(qū)的綠心，兼顧雨水調蓄、景觀觀賞等功能，對湘江新區(qū)的環(huán)境改善以及經濟發(fā)展具有極其重要的作用。梅溪湖片區(qū)屬于湘江新區(qū)核心區(qū)域梅溪湖國際新城，梅溪湖國際新城總規(guī)劃面積約38 km2，規(guī)劃定位為“國家級綠色低碳示范區(qū)”和“長沙新城中心”，主體功能定位為國際服務、科技創(chuàng)新和醫(yī)療健康城。目前，梅溪湖國際新城一期14.7 km2已基本建成，基礎設施不斷完善，兩型建設取得實效，綠色出行系統(tǒng)初步形成，公共配套設施初具規(guī)模，新城雛形已初步展現。伴隨著梅溪湖片區(qū)的集中開發(fā)，周邊商業(yè)、餐飲業(yè)隨即飛速發(fā)展，人流量逐步增加，生態(tài)環(huán)境破壞風險加大，對梅溪湖水生態(tài)環(huán)境和景觀生態(tài)的維護帶來了極大考驗。

城市人工湖泊作為濱水活動空間的重要組成部分，對人類生活有著重大意義[1]，具有景觀觀賞和生態(tài)服務等功能，也起到防洪減災、保存淡水資源、補充地下水、調節(jié)氣候、降解污染物等作用[2]。但受匯水面積、匯水量和換水量調節(jié)能力較小的影響，城市人工湖泊受污染風險大，生態(tài)環(huán)境脆弱，發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性較大[3]。生態(tài)治理技術是通過水生動植物和微生物轉化、分解、吸收水中的污染物，從而達到修復水生態(tài)、提升水質、優(yōu)化環(huán)境的目的[4]。生態(tài)恢復是改善城市湖泊水體的常用方法[5]，在中國及世界各地得到了廣泛的應用[6]。目前國內對湖泊的生態(tài)修復主要針對太湖、滇池等大型湖泊[7-9]，城市小型湖泊尤其是城市人工湖泊仍處于起步階段[10]。本研究以長沙市梅溪湖景觀水體為對象，采用效果顯著、成本較低的生態(tài)治理技術，對梅溪湖景觀水體實施凈化，并形成景觀水體生態(tài)凈化技術集成，以期為后續(xù)的城市景觀水體凈化工程提供參考。

1梅溪湖概況

梅溪湖位于湘江一級支流龍王港的右岸，已建二環(huán)以西約170 hm2（2 550畝），正常蓄水位35.00 m，最高運行水位35.40 m，正常蓄水位以下庫容434.1萬m3，集雨面積12.31 km2;規(guī)劃水面面積200 hm2（3 000畝），正常蓄水位35.00 m，增加二環(huán)以東撇洪渠1.85 km2匯水區(qū)域，集雨面積將增至14.16 km2。梅溪湖湖區(qū)面積較大，岸線長，根據岸線類型、所處地段等多方面考慮，將梅溪湖分為6大區(qū)域，如圖1所示。

1.1水質概況

梅溪湖水面廣、容量大，水體流態(tài)主要受風向和風力影響，這些影響導致水灣角處和背風處水體表面漂浮物聚集，且不易擴散，水質相對更差。在岸線拐角地段存在部分水體流動性較弱區(qū)域，帶來局部污染物聚集，藻類萌生，水華現象時有發(fā)生。梅溪湖水質污染主要有以下幾點：

（1） 外源污染，包括點源污染和面源污染。① 點源污染主要為三環(huán)線撇洪渠現狀水質差，補水攜帶大量污染物;梅溪湖周邊雨水口部分直排進入梅溪湖，尤其是初期雨水，造成水體污染。② 面源污染主要是因為梅溪湖周邊為居民區(qū)，人流量大，降雨時雨水沖刷地面并攜帶污染物進入湖體。

（2） 內源污染，主要表現為氮磷等營養(yǎng)鹽超標，藻類富集。梅溪湖作為新生水體，水體自凈能力較差，地表徑流帶來大量污染物，造成生態(tài)系統(tǒng)物質能量流動的失衡，營養(yǎng)物質在湖泊內不斷積累，湖區(qū)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)逐漸加重。

1.2水生生物概況

（1） 水生植物。梅溪湖湖區(qū)水生植物主要以沉水、挺水植物為主，還包括部分浮葉植物。挺水植物主要在湖區(qū)北岸、西岸、金茂梅溪湖至梅溪湖大壩處等地段呈線型分布，品種以黃花鳶尾、燈心草、旱傘草、再力花、花葉蘆竹等為主，數量較少，其生長隨季節(jié)性變化較大，冬季枯敗，春夏榮盛。沉水植物主要沿湖水較淺處分散分布，主要以經馴化的四季常綠矮型耐寒苦草、眼子菜、黑藻等為主，種類相對較單一、數量較少，生態(tài)結構不理想，未能形成穩(wěn)定植物群落，對維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境未能起到重要作用。生態(tài)系統(tǒng)結構與功能不合理，自凈能力相對缺乏。

（2） 水生動物。梅溪湖水生動物主要以魚類為主，底質中偶見少量螺類，未見河蚌等其他大型底棲動物。由于魚類種類及數量未能確定，對水生植被，尤其是沉水植物，在一定程度上存在著潛在威脅及破壞。環(huán)湖區(qū)域螺、貝等大型底棲動物分布極少，只在南岸一拐角處有分布，對構建穩(wěn)定的湖體生態(tài)系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)。

1.3梅溪湖水文資源條件

根據《梅溪湖水環(huán)境綜合整治水生態(tài)修復工程（一期）初步設計》，對梅溪湖水動力現狀進行了調查和評價。梅溪湖枯水期流量為0.07 m3/s，多年平均流量約0.15 m3/s，豐水期流量約0.3 m3/s，整個梅溪湖水體流態(tài)基本相同。其中，三環(huán)線撇洪渠入湖口流速非常小，豐水期流速稍大，但均在0.01m/s以下。雨季時，梅溪湖水質監(jiān)測站附近無雨水口入流，水體流速小于0.02 m/s，流動性差;其他區(qū)域附近均有雨水流入，流量大，流速較快，均在0.15～0.50 m/s之間，水體流動性好。梅溪湖年平均氣溫16.9 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃，極端最低氣溫-12.0 ℃;根據2019年水質檢測結果，梅溪湖年最低水溫2.5 ℃，最高水溫26.4 ℃。梅溪湖多年平均蒸發(fā)量為1 313.6 mm，年日照時數為1 606.4 h;多年平均風速2.5 m/s，最大風速20.7 m/s，年平均最大風速14.5 m/s，主導風向為NNW。梅溪湖年最大降雨量為1 984.4 mm，年最小降雨量為898.9 mm，年平均降雨量為1 346 mm，區(qū)域洪水系降雨形成，4～9月份為汛期，洪水多發(fā)生在5～9月份。為了保持梅溪湖水位的穩(wěn)定，在梅溪湖東湖建有泵站，用于調控湖泊水位。在汛期可以確保梅溪湖水位穩(wěn)定在35.00 m。在非汛期，梅溪湖水體流態(tài)主要受風向和風力影響，導致水灣角處和背風處水體表面漂浮物等聚集，且不易擴散，從而導致水質相對較差。梅溪湖屬于人工建造的湖泊，于2012年建成，距今時間較短，目前缺乏水環(huán)境變遷方面觀測數據積累，水環(huán)境變遷情況尚不明顯。

2梅溪湖水環(huán)境容量計算

為了更好地對梅溪湖生態(tài)治理進行優(yōu)化設計，首先需要明確梅溪湖主要污染物的水環(huán)境容量。本文模擬估算在特定水質目標下梅溪湖內有機物（以高錳酸鹽指數表征）和氮、磷的環(huán)境容納量，以為梅溪湖生態(tài)治理工程設計提供依據。采用完全均勻混合箱體水質模型來預測水體長期的動態(tài)變化，即將湖泊視為一個完全混合反應器，建立容量計算模型來估算有機物和營養(yǎng)鹽的水環(huán)境容量。

2.3營養(yǎng)鹽容量模型確定

目前應用較多的湖泊確定性營養(yǎng)鹽水環(huán)境容量估算模型有Vollenweider模型、Dillion模型、合田健模型和OECD模型。氮磷營養(yǎng)鹽水環(huán)境容量計算模型適用條件如表2所列。

3梅溪湖生態(tài)治理工程設計

3.1設計原理

3.1.1生態(tài)優(yōu)化處理技術

生態(tài)優(yōu)化處理技術主要是指采用生物操縱技術對梅溪湖現有水生態(tài)系統(tǒng)進行優(yōu)化、調控，并達到最終建立穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的目的，生物操縱技術框架如圖2所示。生物操縱是利用生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的原理，通過改變水體中生物群落結構，增強水體中物質循環(huán)和能量流動，從而改善水質、恢復水生態(tài)系統(tǒng)平衡[10]。

根據生物操縱原理，結合梅溪湖實際情況，如湖體缺乏能夠控制藻類的生物種群等狀況，在梅溪湖實施的生物操縱技術包括營養(yǎng)級串聯(lián)調控、營養(yǎng)物生物過濾和營養(yǎng)物生物吸收的組合措施，并在構建初期水下生態(tài)系統(tǒng)后，向湖中適量投放水生動物，增加水下生物多樣性，構建更加穩(wěn)定的水下生態(tài)系統(tǒng)。

3.1.2營養(yǎng)級串聯(lián)調控技術

營養(yǎng)級串聯(lián)調控的主要措施是直接向梅溪湖投放食藻類浮游動物，來清除水體中的大型藻類，從而減少水體中浮游植物的現存量，通過一系列營養(yǎng)級串聯(lián)調控，降低水體中的氮、磷負荷，提高水體的透明度，達到改善水質的目的，營養(yǎng)級串聯(lián)調控技術框架如圖3所示。

3.1.3營養(yǎng)物生物過濾技術

營養(yǎng)物生物過濾是指在局部水質惡化較為嚴重的區(qū)域，通過籠式分層集約化掛蚌方式在湖泊水域較深處適當設置濾水動物的生物過濾帶，通過三角帆蚌直接過濾、吸收、利用浮游植物及懸浮有機碎屑，減少水體中浮游植物的現存量，進而消耗水體自身的營養(yǎng)鹽類，增加水體的透明度，從而達到水質凈化的目的，如圖4所示。

3.1.4營養(yǎng)物生物吸收技術

營養(yǎng)物生物吸收技術主要指種植水生植物，通過水生植物的生長來吸收水體中的氮磷等營養(yǎng)物;通過水生植物的附著作用對微生物進行分解、降解;通過不同種群之間對營養(yǎng)物和光能的競爭來抑制浮游植物的生長，從而降低水體中浮游植物的現存量和氮、磷含量，達到改善水質的目的，如圖5所示。

3.2設計方案

3.2.1食藻類浮游動物投放

梅溪湖中的浮游植物以甲藻和綠藻為主。營養(yǎng)級串聯(lián)調控的主要措施是直接向梅溪湖投放食藻類浮游動物。浮游動物以后生浮游動物為主，種類包括撓足類、枝角類和輪蟲類。通過投放一定量的浮游動物，來清除水體中大型藻類，從而減少水體中浮游植物的現存量，通過一系列營養(yǎng)級串聯(lián)調控效應，從而降低水體中的氮、磷負荷，提高水體的透明度，達到改善水質的目的。浮游動物投放點如圖6所示，在食藻類浮游動物投放過程中應注意以下問題：① A、B、C、E區(qū)為狹長型，水體流動性差，浮游動物移動性有限，因此該4個區(qū)域布置較多的投放點，為投放A型。② D區(qū)為開闊水域，浮游動物移動性較好，適當減少投放點，為投放B型。③ A-1～A-19每個點投放量為投放點B-1～B-3的1/9。

3.2.2河蚌籠式掛放

在湖區(qū)A、B、E三個區(qū)域選取水深適當位置采用籠式掛放三角帆蚌（河蚌）。吊養(yǎng)工具為聚乙烯吊籠，籠式分層掛蚌，每串分為5層，每層間距40 cm，每層放蚌30個，每串放蚌150個，共布置30串，河蚌投放點如圖7所示。

3.2.3水生植物種植

梅溪湖湖區(qū)2 m水深范圍總面積54.3萬m2，種植水生植物54.1萬m2（包括挺水植物及沉水植物），如圖8所示。

（1） 沉水植物種植。在淺水區(qū)域（≤2.0 m）構建水下森林，分區(qū)域分品種種植沉水植物，其中以經馴化的四季常綠矮型耐寒苦草為主，搭配菹草、金魚藻、伊樂藻、馬來眼子菜、黑藻、線葉眼子菜等體現不同層次的沉水植物群落，構建“草型清水態(tài)”景觀湖。

（2） 挺水、浮水植物種植。在種植沉水植物的同時，為提升梅溪湖的景觀效果，在沿岸線部分局部配置、補種一定數量的挺水及浮水植物，如黃花鳶尾、火焰鳶尾、德國鳶尾、紅花美人蕉、梭魚草、燈心草、再力花等，既展現清水生態(tài)湖泊物種的多樣性，又符合梅溪湖及其周邊景觀的發(fā)展需求，使梅溪湖長期保持良好的水質及優(yōu)美的景觀。

（3） 水生植物分區(qū)種植。① A區(qū)水生植物種植：以沉水植物為主，但該區(qū)域位于湖體南岸，人流較多，景觀需求較大，因此，根據現場調查及植物長勢分析，沿岸線補種挺水植物，增加區(qū)域景觀觀賞性，同時增加生物多樣性。該區(qū)域總面積7.0萬m2，水生植物種植面積7.0萬m2。② B區(qū)水生植物種植：以沉水植物為主，根據現場調查及植物長勢分析，沿岸線補種挺水植物。該區(qū)域總面積7.3萬m2，水生植物種植面積7.0萬m2。③ C區(qū)水生植物種植：以沉植物水為主，并根據現場調查及植物長勢分析，沿岸線補種挺水植物。該區(qū)域總面積2.1萬m2，水生植物種植面積2.1萬m2。④ D區(qū)水生植物種植：以沉水植物為主，并根據現場調查及植物長勢分析，只西北方岸線補種挺水植物。該區(qū)域總面積31.5萬m2，水生植物種植面積30.4萬m2。⑤ E區(qū)水生植物種植：以沉水植物為主，只在局部岸線補種挺水植物。該區(qū)域總面積6.4萬m2，水生植物種植面積5.9萬m2。

3.2.4水生動物投放

在水下森林系統(tǒng)初步建立后，為了保持梅溪湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性，本工程擬在水體中放養(yǎng)烏鱧、鱖魚、鳙魚、長豐白鰱、鯽魚、細鱗斜頜鲴等魚類及青蝦、銅銹環(huán)陵螺、小型河蜆、泥鰍等大型底棲生物。魚類的投放主要考慮各級消費者的搭配，能夠使湖泊水體維持良性循環(huán)，建立可自我調節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)。梅溪湖地處長沙，屬長江中下游洞庭湖水系，且梅溪湖水體與洞庭湖水體在相關方面具有相似性，采用類比法得出梅溪湖湖體葉綠素a含量為3 mg/m3，再通過相關公式，可計算得出湖體初級生產力。例如，表層水（1 m以內）中浮游植物的潛在生產力（Ps，mg C/（m3·h））根據表層水葉綠素a的含量計算：

根據生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞效率為10%～20%的規(guī)律，梅溪湖湖體面積較大，取能量傳遞值為 15%，可得知湖體次級生產力約為6.3萬kg，即梅溪湖可最多投放底棲動物約6.3萬kg、消費者約0.95萬kg。但由于梅溪湖現存底棲動物、魚類等數量未能確定，因此，本次設計中擬按照生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞規(guī)律，按比例投放水生動物，包括魚類、底棲動物，用以完善生態(tài)系統(tǒng)，為后期調控、構建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)做基礎，投放規(guī)模詳見表4。水生動物投放要求與食藻類浮游動物投放要求一致;投放點也與食藻類浮游動物投放點一致。

4生態(tài)治理效果分析

4.1水質得到優(yōu)化

在梅溪湖實施生態(tài)治理技術后，對湖區(qū)水質進行了監(jiān)測，檢測指標包括：pH（GB/T 6920-1986 玻璃電極法）、化學需氧量（HJ 828-2017 重鉻酸鹽法）、氨氮（HJ 535-2009 納氏試劑分光光度法）、總氮（GB 11894-1989堿性過硫酸鉀紫外分光光度法）、總磷（GB 11893-1989鉬酸銨分光光度法）、溶解氧（HJ 506-2009電化學探頭法）、水溫（GB/T 13195-1991 溫度計法）、濁度（GB13200-1991分光光度法）。

監(jiān)測點位共6個，分別為臨時壩、中央綠軸、內湖、三環(huán)線撇洪渠出水口、梅溪湖北岸和梅溪湖中心。監(jiān)測數據取6個點位的平均值，水質監(jiān)測結果如表5所示。

通過與梅溪湖生態(tài)治理前的各項水質指標進行對比分析可知，經過生態(tài)治理后，梅溪湖水水體的溶解氧（DO）含量明顯提高，表明自實施梅溪湖生態(tài)治理修復以來，湖區(qū)復氧能力增加。經過生態(tài)治理后，梅溪湖水

體濁度明顯下降，湖泊水質得到明顯提升。除個別月份外，梅溪湖總磷、氨氮和總氮的指標已達到地表水環(huán)境質量標準（GB 3838-2002）Ⅲ類水標準。其中，水體水質指標總磷在9月份出現峰值，總氮和氨氮10月份出現峰值，導致水質有所降低。原因可能是由于梅溪湖部分區(qū)域的水體流動性較差，加上湖體換水次數較少，以及水下沉水植物的分布和長勢不均衡等原因，導致在死角區(qū)域的水質改善效果不明顯，最終導致梅溪湖水體部分指標的平均監(jiān)測值有所下降。

4.2生物凈化功能增強

通過應用生態(tài)治理技術，湖泊水質得到了明顯優(yōu)化，湖岸水生植物生長茂盛，底棲生物和魚類數量明顯增加，已初步形成“水清岸綠”的風景。這是湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮作用的結果，表明湖泊已構建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，水體中的生物凈化功能明顯增強。

5結 語

通過生態(tài)優(yōu)化處理、營養(yǎng)級串聯(lián)、生物過濾和吸收等生態(tài)治理技術，將長沙市梅溪湖的水質由Ⅳ類提升至Ⅲ類，主要超標污染物（包括氨氮、總磷和總氮）的處理效果顯著，水質得到明顯改善。梅溪湖生態(tài)治理修復工程的成功實施為以后相關工程的建設提供了技術借鑒。

此外，在梅溪湖使用生態(tài)治理技術過程中，為保持水質長期達標，也使用了其他技術進行輔助。在梅溪湖建設初期使用化學法快速去除濃度較高的污染物，也小范圍用到了引水換水、底泥疏浚等物理方法解決特殊問題。因此，生態(tài)治理修復技術用于城市景觀水體的凈化工程時，還需根據實際情況有所調整。

參考文獻：

[1]唐清華，高強，龐志研，等.廣州市白云人工湖生態(tài)修復工程設計[J].環(huán)境工程學報，2014，8（7）：3083-3088.

[2]李世杰，竇鴻身，舒金華，等.我國湖泊水環(huán)境問題與水生態(tài)系統(tǒng)修復的探討[J].中國水利，2006，3（3）：14-17.

[3]張智，楊冬雪，王斌，等.某人工湖成庫初期水環(huán)境特征研究[J].環(huán)境工程學報，2010，4（6）：1321-1326.

[4]徐丹陽.水生態(tài)修復技術在河道治理中的應用探討[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2018（12）：56.

[5]許朋柱，秦伯強.太湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)退化原因以及恢復與重建設想[J].水資源保護，2002（3）：31-36.

[6]黃玉瑤.內陸水域污染生態(tài)學原理與應用[M].北京：科學出版社，2001.

[7]張宇，謝飛.太湖流域水生態(tài)修復策略探討[J].污染防治技術，2019，32（3）：57-59.

[8]徐衛(wèi)東，毛新偉，吳東浩，等.太湖五里湖水生態(tài)修復效果分析評估[J].水利發(fā)展研究，2012，12（8）：60-63.

[9]王壽兵，徐紫然，張潔.滇池高等沉水植物50年變遷狀況對生態(tài)修復的啟示[J].水資源保護，2016，32（6）：1-5，18.

[10]徐后濤，趙風斌，張瑋，等.城市人工湖的生態(tài)治理[J].環(huán)境工程學報，2015，9（9）：4300-4308.

（編輯：劉 媛）

Abstract：As the green heart of the Meixi Lake area in Changsha City，Meixi Lake is an urban “sponge” in the core area of the Xiangjiang New District.The stability of the water environment quality of Meixi Lake is the top priority of the development and construction of this area.However，the concentrated development in the Meixi Lake area has led to the rapid expansion of surrounding commerce and catering industry with a large flow of people，which has increased the risk of ecological damage.It also brought a great challenge to the protection of the water environment quality and landscape maintenance of Meixi Lake.In order to improve the water ecological condition of Meixi Lake，we have conducted purification projects for the water body of Meixi Lake using ecological treatment methods such as ecological optimization treatment，various regulation of trophic levels，bi-filtration and bio-absorption of nutrients.After the implementation of the ecological treatment technology，we monitored the water quality of Meixi Lake.The results show that the water quality of Meixi Lake has been improved from Grade Ⅳ to Grade Ⅲ for surface water，initially forming a landscape of “clear water and green banks”.The practice of ecological management and restoration of Meixi Lake can provide technical reference for the construction of related projects in the future.

Key words：ecological treatment;water quality;urban landscape water bodies;Meixi Lake;Changsha City;Xiangjiang River