以調(diào)蓄功能為主導的草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建
——以廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程為例

岳明彥

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300000)

廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程是為解決新塘地區(qū)內(nèi)澇問題，通過人工建設(shè)調(diào)蓄湖暫存及處理城市內(nèi)澇廢水，緩解新塘地區(qū)城市內(nèi)澇壓力，同時對永和河河段、官湖支涌河段以及石下左支涌河段進行疏浚拓寬，緩解行洪壓力。廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程建成后將形成兩個淺水型人工湖泊。淺水型湖泊是一種比較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，湖水與湖底底泥物質(zhì)交換強烈，污染物沉積過程較為緩慢，其污染負荷能力較低[1]，對污染物響應(yīng)很敏感，屬于極易發(fā)生富營養(yǎng)化的水體之一。富營養(yǎng)水質(zhì)的淺水型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)兩種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一種是清澈見底且擁有大量沉水植物的草型清水狀態(tài)—“草型湖泊”[2]；另一種則是水體高度渾濁且富含高濃度懸浮泥沙顆粒和浮游植物的藻型濁水狀態(tài)—“藻型湖泊”[3]。這兩種相對狀態(tài)下湖泊的主要初級生產(chǎn)者為藻類和水生植物，但二者對所在生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定機理是完全不同的[4]。廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程下游臨近東江北干流飲用源二級保護區(qū)和準保護區(qū)，下游水環(huán)境極其敏感，南北調(diào)蓄湖水體富營養(yǎng)化防控極為重要。因此，將廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程建成后形成的兩個淺水型人工湖泊，打造成“草型湖泊”尤為重要。為此，廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)永和河調(diào)蓄區(qū)建設(shè)工程水生態(tài)工程探索構(gòu)建南北調(diào)蓄湖水下森林，構(gòu)建擁有豐富沉水植物的草型清水狀態(tài)——“草型湖泊”，同時在南北調(diào)蓄湖面構(gòu)建滿足白鷺、游禽等陸生動物生態(tài)棲息的復合型凈水濕地，提升和改善調(diào)蓄區(qū)整體水生態(tài)環(huán)境。

1 調(diào)蓄區(qū)外來污染源

非汛期(正常工況下)時段本項目調(diào)蓄區(qū)外來污染源為永和污水處理廠尾水，永和污水處理廠為生活廢水處理廠(生活廢水處理廠不同于工業(yè)廢水處理廠，一般情況下不存在重金屬等第一類污染物)，其主要污染物為化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)。污染物類型均屬于第二類污染物，主要為非持久性有機污染物以及TN(表現(xiàn)為氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、有機氮)、TP(磷酸鹽類)等富營養(yǎng)元素。

汛期(非正常工況下)時段，本項目調(diào)蓄區(qū)外來污染源為廣州市新塘鎮(zhèn)地區(qū)城市內(nèi)澇水(即暴雨期間河道中洪水)。一般情況下，暴雨期間，初期雨水(暴雨剛剛開始30 min，含有城市徑流污染物)水質(zhì)最差，根據(jù)官湖支涌及石下左支涌30或50年一遇設(shè)計洪水過程線可知，暴雨前期河道中水流量變化不大，河道在連續(xù)暴雨11～14 h期間流量出現(xiàn)急速抬升，具體如圖1～圖2所示，因此通過合理的水利調(diào)洪調(diào)度可以避免城市初期雨水進入南北調(diào)蓄區(qū)。汛期時段，本項目南北調(diào)蓄區(qū)承接城市內(nèi)澇廢水最主要的污染物為SS以及漂浮垃圾，同時承接內(nèi)澇水后的南北調(diào)蓄區(qū)水體中TN、TP、BOD5和COD可能有所升高。

圖1 官湖支涌設(shè)計洪水過程線圖

圖2 石下左支涌設(shè)計洪水過程線圖

2 調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)目標

南北調(diào)蓄區(qū)補水來源于永和污水處理廠二廠尾水，污水處理廠外排尾水中DO、COD、NH3-N、TP執(zhí)行準Ⅳ類水質(zhì)標準，其余指標(SS、動植物油、石油類、總氮等)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。本次水生態(tài)工程主要是將永和污水處理廠的DO、COD、NH3-N、TP水質(zhì)因子由Ⅳ類提升至Ⅲ類，同時改善和提升調(diào)蓄區(qū)水生態(tài)環(huán)境，建立草型湖泊，杜絕藍綠藻的爆發(fā)。

1) 近期目標(2022—2024年，生態(tài)系統(tǒng)建立初期)

調(diào)蓄區(qū)建立完整的水生生態(tài)系統(tǒng)，沉水植物覆蓋率達到60%，沉水植物選用四季常綠苦草為主，搭配眼子菜和穗花狐尾藻，水體透明度≥1.0 m，在非汛期時段南北調(diào)蓄區(qū)出水主要水質(zhì)因子(表1)整體優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水體標準。

2) 遠期目標(2025年后，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定)

調(diào)蓄區(qū)的水生植物、水生動物、浮游動物、微生物等群落已形成平衡的生態(tài)鏈，可持續(xù)穩(wěn)定維持水環(huán)境的平衡，調(diào)蓄區(qū)水體透明度≥1.5 m或清澈見底，在非汛期時段南北調(diào)蓄區(qū)出水口主要水質(zhì)因子(表2)基本達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水體標準。

表2 南北調(diào)蓄區(qū)生態(tài)治理遠期目標(2025年后)

3 調(diào)蓄區(qū)污染物削減過程分析

永和污水處理廠來水進入調(diào)蓄區(qū)后，在目前2.0×104m3/d連續(xù)補水的工況下，調(diào)蓄區(qū)容積約3.2×105m3，水力停留時間約16 d，調(diào)蓄區(qū)補水口附近水體由于永和污水處理廠來水與調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)的濃度差以及本身的水動力因素，污染物進入調(diào)蓄區(qū)水體后(具體調(diào)蓄區(qū)剖面見圖3)順著濃度梯度以及水動力方向進行了混合，形成混合過程段直至完全混合，然后污染物繼續(xù)順著水流方向形成混合衰減區(qū)域(具體衰減過程見圖4)。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)方法》(生態(tài)環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心編制)以及《環(huán)境影響評價技術(shù)導則地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)中湖泊(水庫)水環(huán)境影響預測方法中湖泊、水庫水質(zhì)箱體模型，非持久性污染物在湖庫水體內(nèi)反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學，其污染物在水體中濃度變化與湖泊中的生化反應(yīng)速率和水力停留時間有關(guān)。因此，隨著水力停留時間增加，主要水質(zhì)污染因子也逐漸衰減，在水力停留時間固定情況下，污染物在水體中濃度變化主要受湖泊中的生化反應(yīng)速率影響，而生化反應(yīng)速率主要與水的生態(tài)環(huán)境(微生物、水生動物、水生植物等)有關(guān)。

圖3 調(diào)蓄區(qū)湖體剖面示意圖

圖4 永和污水處理廠尾水進入調(diào)蓄區(qū)后水質(zhì)演替過程

4 調(diào)蓄區(qū)水生態(tài)構(gòu)建的工程措施

生態(tài)系統(tǒng)建立初期工程措施要求及目的：草型湖泊建立初期，來水中COD、BOD5、NH3-N、TP水質(zhì)因子為準Ⅳ類，主要通過科學合理分布實施構(gòu)建水下森林體系，確保水生植物成活率，定期補苗，調(diào)理水質(zhì)(確保水體的C∶N∶P維持在比較合理的范圍內(nèi))，通過培養(yǎng)激活當?shù)赝辽⑸锞?，夜間或者水體氧氣不足時輔助以人工曝氣，水體投放一定量的固態(tài)生物凈水劑(提升水體自凈能力)，合理依次投放適量比例的水生動物、浮游動物，逐步建立完整的水生態(tài)鏈，使得水生植物、水生動物等適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境適應(yīng)生長，確保水質(zhì)穩(wěn)定，定期監(jiān)測調(diào)蓄區(qū)各個部位水體水質(zhì)情況，避免爆發(fā)藍綠藻情況。

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后工程措施要求及目的：草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后，水生動植物均適應(yīng)了當?shù)丨h(huán)境，建立起完整的生態(tài)鏈，此時永和污水處理廠富營養(yǎng)水質(zhì)為調(diào)蓄區(qū)水生動植物生長提供了各種營養(yǎng)元素，調(diào)蓄區(qū)水體中的生化反應(yīng)速率得到進一步提高，水體自凈能力得到提升。通過一定的水力停留時間，調(diào)蓄區(qū)水中的COD、BOD5、NH3-N、TP得到進一步削減，因此可以實現(xiàn)南北調(diào)蓄區(qū)在非汛期時段主要水質(zhì)指標(DO、COD、NH3-N、TP)在出水口基本實現(xiàn)Ⅳ類水體到Ⅲ類水體的提升，但后期為了維持整個調(diào)蓄區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定，定期進行湖面垃圾清洗、水質(zhì)維護、水草收割、水生動物動態(tài)平衡調(diào)整是必需的。

4.1 底質(zhì)改良及活化

工程范圍內(nèi)各底泥存在大量內(nèi)源性污染物質(zhì)，它將長期不斷釋放出污染物質(zhì)，對后期維持水生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定造成一定的環(huán)境風險。必須先通過復合微生物菌劑，加速底泥中污染物分解、礦化，該過程在剛開始階段可能會造成部分水體中部分水質(zhì)因子指標升高，但最終能夠減少底泥的厚度同時加速底泥礦化。然后，再往底泥中均勻投入另外一種微生物菌劑，激活底泥中原有的土著微生物，并在調(diào)蓄區(qū)泥水相鄰界面形成一層薄薄的生物膜，能夠有效地阻止底泥中的污染物繼續(xù)往水體中釋放，使底泥污染物處在一個封閉的環(huán)境中并逐漸礦化[5]。

4.2 沉水植物群落構(gòu)建

沉水植物選擇改良型的四季常綠枯草為主，搭配馬來眼子菜、穗花狐尾藻的水生植物群落。

4.3 水生動物群落構(gòu)建

水生動物群落的構(gòu)建原則上遵循從低等向高等的進化方向去配置，避免水生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。當調(diào)蓄區(qū)水體沉水植物達到一定修復效果后，再開展調(diào)蓄區(qū)水體水生動物物種分點投放，首先選擇螺類、貝類、蝦類、小型雜食性蟹類和小型濾食性魚類；待整個水生態(tài)群落系統(tǒng)穩(wěn)定后，再引入本地肉食性的兇猛魚類，以控制魚類的動態(tài)平衡。水生動物的放養(yǎng)應(yīng)充分考慮水生動物物種的配置比例結(jié)構(gòu)，科學合理地設(shè)計水生動物的放養(yǎng)比例及時期。水生動物包括魚類(構(gòu)建食物鏈)、底棲生物、蝦貝類及濾食性浮游生物。通過濾食浮游藻類，實現(xiàn)控制藍藻水華；N和P營養(yǎng)元素可以通過藻類營養(yǎng)級轉(zhuǎn)化，從而達到凈化水質(zhì)的目的。

4.4 生態(tài)凈水鳥類游禽水上棲息復合型濕地構(gòu)建

生態(tài)凈水鳥類游禽水上棲息復合型濕地能夠有效去除水體中有機物、氮、磷等多種污染物質(zhì)，有效控藻，改善水質(zhì)，修復水生態(tài)環(huán)境[6]。在生態(tài)凈水鳥類游禽水上棲息復合型濕地下部懸掛固態(tài)生物凈水劑，刺激水中土著細菌大量繁殖(固態(tài)生物凈水劑本身不含有細菌)相當于多孔載體+營養(yǎng)基的結(jié)合體，刺激微生物大量繁殖(拓培容劑)。通過在調(diào)蓄區(qū)水面構(gòu)建生態(tài)凈水鳥類游禽水上棲息復合型濕地，一方面為鳥類、游禽構(gòu)建水面著陸生態(tài)棲息地，另一方面通過人工構(gòu)建的自然濕地凈化南北調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)，同時通過不同植物的搭配構(gòu)建改善調(diào)蓄區(qū)生態(tài)環(huán)境。

4.5 魚蝦貝生態(tài)棲息地構(gòu)建

為了防止肉食性魚類肆意擴張，保持調(diào)蓄區(qū)食物鏈穩(wěn)定平衡，在南北調(diào)蓄區(qū)底筑建濾食性魚類及軟體動物的生態(tài)棲息地、產(chǎn)卵地、避難地。

5 水生態(tài)修復預期效果分析

5.1 南北調(diào)蓄區(qū)補水水質(zhì)水量情況

南北調(diào)蓄區(qū)補水來源于永和污水處理廠二廠，污水處理廠外排廢水中4項水質(zhì)因子COD、BOD5、NH3-N、TP執(zhí)行準Ⅳ類水質(zhì)標準。根據(jù)2020年8—11月永和污水處理廠二廠出水統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況，其水質(zhì)COD、BOD5、NH3-N、TP均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水質(zhì)標準要求，具體見表3。

表3 永和污水處理廠二廠尾水出水水質(zhì)標準

設(shè)計考慮將永和污水處理廠二廠尾水通過補水疊瀑補至南北調(diào)蓄區(qū)，總補水量為2.0×104m3/d，其中北調(diào)蓄區(qū)補水量為0.7×104m3/d，南調(diào)蓄區(qū)補水量為1.3×104m3/d，具體見表4。

表4 永和污水處理廠二廠尾水進入南北調(diào)蓄區(qū)最大污染物量

5.2 南北調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)凈化過程及效果

由于本調(diào)蓄區(qū)整體屬于一個動態(tài)生態(tài)凈水系統(tǒng)，其水質(zhì)凈化過程屬于一個動態(tài)的過程，譬如春夏季節(jié)，氣候調(diào)節(jié)適宜，植物生長迅速，植物生物量增長較快，魚、蝦、貝類均較為活躍，水體中營養(yǎng)物質(zhì)能快速被消納掉，此時水質(zhì)凈化效果較好，水體透明度較高，調(diào)蓄區(qū)部分水域部分水質(zhì)指標甚至能夠達到Ⅱ類水質(zhì)要求。但到冬季，植物生長較為緩慢，部分植物出現(xiàn)枯枝落葉，影響水體水質(zhì)，魚、蝦、貝等水生動物活躍度降低，此時整個水體的自凈能力將降低。

本次分析調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)凈化效果及可達性參照5種沉水植物氮磷吸收和水質(zhì)凈化能力比較，選用輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗花狐尾藻、眼子菜，在室內(nèi)靜水條件下研究其對氮磷的吸收和水質(zhì)凈化能力比較[7]，得出不同沉水植物處理水質(zhì)TN、TP效率范圍分別為63.8%～83.1%，49.2%～70.8%[7]?？紤]到本項目調(diào)蓄區(qū)冬季部分植物會枯萎，水質(zhì)凈化效果將降低，本次整體NH3-N、TP去除率分別按60%，50%計算。

由于本項目調(diào)蓄區(qū)凈化水質(zhì)是一個綜合過程，當調(diào)蓄湖水體中水草生長茂盛，水生動物密度過高或過低時，就會對生長過于茂盛的水草進行人工收割，對過密魚類會進行人工打撈，對過于稀少的魚蝦類會進行人工放養(yǎng)。從物質(zhì)守恒角度說，這樣相當于轉(zhuǎn)移了進入水體中營養(yǎng)物質(zhì)量，調(diào)蓄區(qū)水力停留時間達16 d，遠超過表面流人工濕地4～8 d水力停留時間要求，較長的水力停留時間，能夠確保生化凈化效果?！秶噎h(huán)保部人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005—2010)中表面流人工濕地中COD、BOD5去除效率可達到50%～60%和40%～70%?？紤]到本項目調(diào)蓄區(qū)冬季水生動植物代謝較為緩慢，此時段運行效果較差，整體COD和BOD5去除率分別按50%和40%進行計算，具體污染物削減情況見表5。

表5 永和污水處理廠二廠尾水通過南北調(diào)蓄區(qū)水下森林污染物削減、排放情況表 單位:t/a

5.3 調(diào)蓄區(qū)生態(tài)凈化后水質(zhì)濃度預測分析

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)方法》(生態(tài)環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心編制)以及《環(huán)境影響評價技術(shù)導則地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)中湖泊(水庫)水環(huán)境影響預測方法中湖泊、水庫水質(zhì)箱體模型，本次研究調(diào)蓄區(qū)的富營養(yǎng)化過程中，可以將調(diào)蓄區(qū)模擬成一個完全混合反應(yīng)箱體，其水質(zhì)基本方程為

(1)

式(1)中:V為正常工況下調(diào)蓄區(qū)中水的體積，取3.2×105m3；Q為平衡時流入與流出調(diào)蓄區(qū)的流量，取2.0×104m3/d；CE為流入調(diào)蓄區(qū)的水量中水質(zhì)組分質(zhì)量濃度，這里取永和污水處理廠出水中污染物質(zhì)量濃度，g/m3；C為調(diào)蓄區(qū)中水質(zhì)組分質(zhì)量濃度，g/m3；SC為如非點源一類的外部源或匯，m3；r(C)為水質(zhì)組分在湖泊中的生化反應(yīng)速率，kg/(m3·d)。

在無外部污染源或匯(SC=0)的情況下，則公式變?yōu)?/p>

(2)

當所考慮水質(zhì)組分在調(diào)蓄區(qū)內(nèi)反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學，而且是衰減反應(yīng)時，則

r(C)=-KC

(3)

式(3)中：K為調(diào)蓄區(qū)中一級反應(yīng)常數(shù)，1/t，則式(2)為

(4)

當調(diào)蓄區(qū)整個處于dc/dt=0的穩(wěn)定狀態(tài)時，公式為

(5)

為了實現(xiàn)從來水Ⅳ類水體達到Ⅲ類水質(zhì)標準的要求，至少需要的時間為

6 結(jié) 語

綜上所述，生態(tài)系統(tǒng)建立初期，通過合理科學的施工以及人工維護管理，可以避免水質(zhì)惡化及藍綠藻爆發(fā)，建立穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水質(zhì)沉水植物覆蓋率達到60%，水體透明度≥1.0 m，南北調(diào)蓄區(qū)主要水質(zhì)指標(DO、COD、NH3-N、TP)整體優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水體標準。水體系統(tǒng)穩(wěn)定后期，建立起來完整穩(wěn)定的水生生態(tài)鏈，提升了水體自凈能力及污染物在水體中的生化反應(yīng)速率，通過一定的水力停留時間，可以實現(xiàn)調(diào)蓄區(qū)出水水質(zhì)主要水質(zhì)指標(DO、COD、NH3-N、TP)由Ⅳ類提升至Ⅲ類。