沙漠公園弱鹽堿化水體治理工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

馮 喻，張文磊，許玉鳳，張華俊*

(1.黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院,貴州 都勻 558000;2.廣東諾爾檢測技術(shù)有限公司,廣東 廣州 510000)

城市公園湖泊水體富營養(yǎng)化已成為中國普遍的環(huán)境問題。富營養(yǎng)化能導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生退化，如藻類惡性增長、沉水植物消亡、水生生物多樣性降低或喪失和水質(zhì)降低等[1]。水體從清水草型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闈崴逍蜕鷳B(tài)系統(tǒng)[1-2]，將會(huì)嚴(yán)重影響湖泊生態(tài)、景觀功能，降低人居環(huán)境質(zhì)量。目前國內(nèi)湖泊富營養(yǎng)化治理以生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)[3-4]，采用生態(tài)工程的技術(shù)來恢復(fù)退化的水生態(tài)系統(tǒng)，迄今為止已取得了大量理論成果和工程實(shí)踐，如杭州西湖、惠州西湖的富營養(yǎng)化治理都取得了較好的生態(tài)效果[5-6]，但在高原鹽堿化水體中的應(yīng)用由于特殊的環(huán)境特點(diǎn)其應(yīng)用幾乎空白。本工程采用上述生態(tài)學(xué)理念，在內(nèi)蒙古高原鹽堿化公園湖泊富營養(yǎng)化治理中優(yōu)化后應(yīng)用，對(duì)比治理前后湖泊生態(tài)環(huán)境特征變化，分析了水生態(tài)修復(fù)在高原鹽堿化湖泊治理中的作用與效果，可為同類型水體富營養(yǎng)化治理提供技術(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和工程案例。

1 工程概況

1.1 湖體現(xiàn)狀

工程湖泊位于內(nèi)蒙古沙漠公園內(nèi)(圖1)，為地下水形成的天然湖泊。由于周邊酒店污水簡單處理后直排加上部分區(qū)域畜牧養(yǎng)殖，導(dǎo)致湖體水質(zhì)受到污染，富營養(yǎng)化加速，水體渾濁，部分水質(zhì)指標(biāo)為劣V類。隨著湖體水量的增減鹽度在1.5‰～2.3‰，水體呈現(xiàn)一定鹽堿化，除沿岸蘆葦、香蒲外(示范湖體兩側(cè)沿岸95%以蘆葦為主且生物量較高，5%香蒲點(diǎn)綴其中)，大型水生植物缺失，尤其是沉水植物。選取示范區(qū)常水面面積約5 000 m2(枯水期水面面積為3 500～4 000 m2)，隨著水量的增減水深在0.3～1.2 m變化，高低水位差50 cm，湖體為沙子底質(zhì)，為恢復(fù)湖體健康水生態(tài)系統(tǒng)，增強(qiáng)湖泊綜合服務(wù)功能和價(jià)值，于2019年6月開始對(duì)湖體示范區(qū)實(shí)施水體治理工程。在示范湖中心平行選擇2個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)檢測，檢測結(jié)果見表1。

圖1 湖體位置

表1 湖體主要水質(zhì)指標(biāo)

1.2 工程設(shè)計(jì)理論及實(shí)施流程

示范區(qū)水體圍隔切斷了工程水體與外部水體的交換，由于該區(qū)域流域面積很小且降雨極少，面源污染很少能進(jìn)入水體故可忽略。示范區(qū)水體污染源主要是沙子底泥的污染物釋放，但結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)分析這部分污染源對(duì)于水生態(tài)修復(fù)措施來說是可以消納的。本工程充分利用生態(tài)學(xué)原理，恢復(fù)和重建水體系統(tǒng)食物網(wǎng)鏈，強(qiáng)化水體污染物的分解和氮、磷等營養(yǎng)鹽的去除，最大限度提升水體抗外界干擾和自凈能力，使水體持續(xù)清澈透明。其中沉水植物起到非常重要的作用，因?yàn)槌了参锬芪账袪I養(yǎng)物，通過光合作用產(chǎn)生大量氧氣使水體有機(jī)懸浮物被氧化分解成礦物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生氫離子與二氧化碳結(jié)合，使CO2轉(zhuǎn)變成葡萄糖。其也能與微生物通過硝化與反硝化作用去除氮鹽。高覆蓋率的沉水植物也能有效阻止底泥懸浮防止底泥中的磷釋放。此外，沉水植物產(chǎn)生大量溶解氧氧化表層底泥，使底泥氧化還原電位升高，固定營養(yǎng)鹽的同時(shí)促進(jìn)底棲生物及微生物的繁衍及有機(jī)質(zhì)礦化分解。

作為淺水湖泊治理的理論基礎(chǔ)表明隨著環(huán)境污染的加重健康的草型清水態(tài)水體會(huì)向藻型濁水態(tài)變化(圖2)，反之受污染的水體通過人為改善環(huán)境條件，藻型濁水態(tài)也將會(huì)向健康的草型清水態(tài)轉(zhuǎn)變[3]。前期利用微生物初步改善水體環(huán)境；后期按一定比例種植水生植物、投放水生生物來豐富水體生態(tài)系統(tǒng)組成，構(gòu)建健康的水生態(tài)系統(tǒng)，使水中的物質(zhì)和能量有循環(huán)出路，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)的自我循環(huán)、自我凈化，實(shí)現(xiàn)濁水穩(wěn)態(tài)向清水穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)化，能夠自我維持、自我演替的良性循環(huán)(圖3)。

圖2 清水穩(wěn)態(tài)與濁水穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系

圖3 水生態(tài)修復(fù)流程

1.3 抗鹽堿水生植物篩選

由于該湖泊位于沙漠地區(qū)，降雨量與蒸發(fā)量相差較大(年蒸發(fā)量1 500 mm，降雨量小于120 mm)導(dǎo)致水體呈一定鹽堿化，淡水修復(fù)工程常用水生植物不一定適應(yīng)該水體，故在施工開始前進(jìn)行水生植物篩選實(shí)驗(yàn)，將廣布種苦草、輪葉黑藻、菹草、穿葉眼子菜、金魚藻、篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、龍須眼子菜、荷花及睡蓮等水生植物種植在目標(biāo)水體中(各植物種植面積0.2～0.5 m2)，通過1個(gè)月不間斷觀察水生植物生長情況，初步篩選出耐受并適應(yīng)該水體堿度的水生植物。通過本實(shí)驗(yàn)結(jié)果及野外調(diào)研最終確定本地穗花狐尾藻、龍須眼子菜及睡蓮為本工程的主體水生植物品種，其余品種由于不耐受該水體堿度均出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，國內(nèi)也有類似相關(guān)研究成果與應(yīng)用[7]。

1.4 工程介紹

項(xiàng)目包括4個(gè)主體工程:基底挖深、圍隔安裝工程及改良工程、水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程及維護(hù)工程。

a)圍隔安裝。在湖泊中選擇面積5 000 m2區(qū)域作為水生態(tài)修復(fù)示范區(qū)進(jìn)行施工，為防止外界水體干擾采用不透水圍隔與外湖隔開，先采用直徑5 cm鋼管每隔5 m進(jìn)行打樁，再在鋼管上固定不透水圍隔，湖體右側(cè)位置為防止風(fēng)浪沖擊采用雙層圍隔布置。左側(cè)圍隔60 m長，右側(cè)圍隔100 m長。

b)基底挖深及改良工程。由于該湖泊所處位置夏季蒸發(fā)量大，而地下水補(bǔ)水不足，導(dǎo)致湖體水位波動(dòng)較大，最大水位差有50 cm，水體透明度15～20 cm，沿岸較淺水深20 cm左右，夏季湖面面積會(huì)由于蒸發(fā)而大大減小。因此采用挖掘機(jī)對(duì)沿岸較淺區(qū)域進(jìn)行挖深處理，使沿岸往湖中20 m范圍內(nèi)春季水深最大時(shí)為1.0～1.5 m，夏季最小水深0.5～1.0 m，保證湖體在較低水位時(shí)仍能保障沉水植物生長的合適水深約50 cm以上。全示范區(qū)湖底挖深后采用生石灰和硝酸鈣等弱氧化劑帶水作業(yè)對(duì)局部沙子底泥表層中的有機(jī)殘留物進(jìn)行氧化分解及殺菌處理(用量60 kg/畝，1畝約666.67 m2)，同時(shí)固定底質(zhì)中的營養(yǎng)鹽，為后期沉水植物的存活創(chuàng)造條件。

c)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程。包括前期準(zhǔn)備、水生植物群落構(gòu)建、初期沉水植物養(yǎng)護(hù)、水生動(dòng)物群落構(gòu)建及微生物群落構(gòu)建。①前期準(zhǔn)備主要為移除雜魚、酸堿調(diào)節(jié)等，采用漁網(wǎng)將湖體內(nèi)大型雜食性魚類如鯉魚、鯽魚等大量捕撈降低其生物量，防止后期對(duì)沉水植物的牧食。采用醋酸對(duì)水體進(jìn)行酸堿調(diào)節(jié)，降低至8.75以下，每次用量約1 kg/畝，每周3次。②水生植物群落構(gòu)建：本工程選用經(jīng)篩選的穗花狐尾藻和龍須眼子菜作為主要沉水植物品種，兩者密度比例3∶1，種植密度3～4叢/m2，5～8棵/叢，主要采用種植土包根拋種法，沿岸點(diǎn)綴盆栽種植睡蓮500棵，密度6～8棵/叢。③水生動(dòng)物群落構(gòu)建：在目標(biāo)水體投放黑魚10尾，規(guī)格20 cm及環(huán)棱螺60 kg，100個(gè)/kg，結(jié)合水體內(nèi)剩余的小型魚類共同構(gòu)建水生動(dòng)物群落。④微生物群落構(gòu)建：采用芽孢桿菌、EM菌構(gòu)建水體微生物群落，提高水體凈化能力，采用菌劑活化后全湖潑灑，密度5 g/m3，投放頻率每周2次。

d)水生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)工程。種植初期需對(duì)水生植物進(jìn)行精心養(yǎng)護(hù)，過程中持續(xù)關(guān)注水質(zhì)、附著藻、雜魚、酸堿度等影響因素，尤其需要注意水混、青苔、水綿爆發(fā)情況。如遇突發(fā)性雨水涌入或長期陰雨天氣導(dǎo)致水質(zhì)較差時(shí)，都需進(jìn)行應(yīng)急處理，快速提高水體透明度，促進(jìn)沉水植物光合作用，以保證水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)溫度大幅降低水體全部冰凍前，及時(shí)打撈死亡植株以防止其腐爛后污染水體，到第二年溫度升高后及時(shí)補(bǔ)種沉水植物，以保證水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 初期水環(huán)境條件改善

構(gòu)建與恢復(fù)水生植物群落，必須與水環(huán)境改善相結(jié)合，否則水生植物很難恢復(fù)成功，難以抵抗外部脅迫[4-8]。底泥營養(yǎng)鹽可在一定條件下向上覆水體釋放[9-10]，如當(dāng)水體中藍(lán)藻暴發(fā)時(shí)，由于藍(lán)藻光合作用使水體pH升高，底泥營養(yǎng)鹽釋放增加[11]。初期僅靠沉水植物難以抑制藻類過量生長，必須先原位削減內(nèi)源營養(yǎng)負(fù)荷[12]，改善前期水環(huán)境條件，原位處理指原地對(duì)底泥進(jìn)行處理，減少底泥污染物含量或降低污染物溶解度、毒性或遷移性，并通過一系列方法阻止污染物向上覆水釋放[10]，本工程主要采用生石灰及過氧化鈣對(duì)污染嚴(yán)重的表層黑臭底泥進(jìn)行處理，殺菌消毒的同時(shí)起到抑制污染物釋放的作用。此外鹽堿化水體不適合水生植物生長，由于該水體pH呈堿性(pH=9.08～9.09)，故初期定期通過醋酸調(diào)節(jié)水體酸堿度，使其降低至7.52～8.75，降低對(duì)水生植物生長的抑制。上述措施保障了沉水植物的成活，為后續(xù)治理活動(dòng)開展改善條件。

2.2 治理前后水質(zhì)變化

表2 湖體主要水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

2.3 治理前后水生生物組成變化

治理前該湖泊中鯉魚(10～25 cm)、鯽魚(5～10 cm)等雜魚生物量較高，占70%以上，導(dǎo)致作為食物的沉水植物、浮游動(dòng)物生物量較低。工程實(shí)施后，由于魚類的轉(zhuǎn)移等措施，降低了水生植物牧食壓力和浮游動(dòng)物的捕食壓力，浮游動(dòng)物生物量顯著提升。生物操縱在湖泊治理中具有重要作用[1,3]，非經(jīng)典的生物操縱理論主要是通過調(diào)控食物鏈，即增加肉食性魚類減少濾食性魚類來調(diào)節(jié)浮游動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)用浮游動(dòng)物對(duì)藻類牧食來控制水體藻含量，從而改善水質(zhì)[1-2,11]。本工程中由于轉(zhuǎn)移了大部分魚類，導(dǎo)致浮游動(dòng)物生物量大幅增加，從而加重浮游藻類牧食，有效控制了藻類生物量。

通過水生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施，構(gòu)建成以蘆葦為主的挺水植物群落、以穗花狐尾藻和龍須眼子菜為主的沉水植物群落及以睡蓮為主的浮葉植物群落，這些水生植物的莖葉表面吸收水體營養(yǎng)鹽，根從底泥中獲取營養(yǎng)鹽，其光合作用可不斷向水體釋放氧氣，促進(jìn)污染物的氧化分解，使底泥表層成為氧化抑制內(nèi)負(fù)荷釋放，改善水體理化環(huán)境，有利于水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)[14-15]。后期由于水質(zhì)的改善沉水植物群落生物量及種類均有增加的趨勢。通過表3可知，工程實(shí)施后沉水植物生物量逐漸增加，隨著氣候的變冷沉水植物逐漸衰亡故生物量有下降的趨勢，施工時(shí)沉水植物覆蓋率達(dá)40%～50%，到沉水植物成活擴(kuò)散后覆蓋率可達(dá)60%～70%，由于沙子底質(zhì)的原因覆蓋率較難增加，后期由于天氣的原因生物量逐漸降低，到冬季冰封期間沉水植物植物體水中部分全部死亡，僅留底泥中少量根系，待第二年溫度起來后植物根系又重新發(fā)芽生長，逐漸形成新的群落。

表3 沉水植物定性分析

2.4 水生系統(tǒng)運(yùn)維重要性

生態(tài)治理工程實(shí)施后魚類結(jié)構(gòu)失衡、青苔滋生等均會(huì)對(duì)草型系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊，突出了系統(tǒng)維護(hù)調(diào)控的重要性。研究表明草型和藻型都是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)，將對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫，系統(tǒng)雖具有一定自我恢復(fù)的能力，但當(dāng)污染負(fù)荷過大，超過草型生態(tài)系統(tǒng)承受極限，此時(shí)草型生態(tài)系統(tǒng)崩潰，浮游植物生態(tài)系統(tǒng)取而代之[13]。對(duì)于湖泊治理，首先需要掌握水生植物生長所需環(huán)境條件和維持一個(gè)草型生態(tài)系統(tǒng)所需要的外部條件，主要因素包括物理環(huán)境(如風(fēng)浪、光照和透明度、懸浮物等)、化學(xué)環(huán)境(如氨氮濃度、根部還原環(huán)境強(qiáng)弱等)及生物環(huán)境(如魚類牧食、浮游植物濃度等)[4,13]。在治理后期維護(hù)過程中要不斷改善水環(huán)境條件，創(chuàng)造適合植物存活持續(xù)發(fā)揮作用的環(huán)境才能保證草型生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)該地區(qū)極端惡劣的天氣及底質(zhì)條件為沉水植物的穩(wěn)定擴(kuò)繁帶來極大影響，都是后期運(yùn)維中需要注意的問題。水生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)內(nèi)容見圖4。

圖4 水生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)內(nèi)容

2.5 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

該水體治理示范工程生態(tài)環(huán)境效果顯著，水體富營養(yǎng)化得到遏制，水質(zhì)指標(biāo)消減達(dá)到初期目標(biāo)，得到有關(guān)部門及游客的肯定。完整水生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，形成良性循環(huán)大大提高水體活力，為水生植物和動(dòng)物的生長、代謝及污染物降解、水體透明度提升創(chuàng)造條件[14,16]。通過生態(tài)治理工程的實(shí)施水體生境條件改善，通過幾個(gè)月的運(yùn)行，水生植物及動(dòng)物種類及生物量大大提高，吸引了野鴨等水禽的棲息(10～20只)，高等動(dòng)物的進(jìn)入證明了該示范水體生態(tài)環(huán)境的實(shí)質(zhì)性改善，能體現(xiàn)較好的水質(zhì)與較豐富的食物來源。清澈水體、水生植物、水生動(dòng)物加上水面景觀共同豐富提升了公園水體景觀質(zhì)量。

3 結(jié)論

a)工程實(shí)踐證明水生態(tài)構(gòu)建技術(shù)有效改善高原弱鹽堿化富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水體營養(yǎng)物質(zhì)間的有效轉(zhuǎn)移，達(dá)到水質(zhì)凈化目的；湖體生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施后，湖體DO含量顯著增加，TP、CODCr濃度明顯下降，依GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》主要指標(biāo)基本達(dá)到III類標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)改善目標(biāo)。

b)要保持水生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，施工后期的運(yùn)維尤其重要，水生植物有一定生命周期，應(yīng)適時(shí)適度收割調(diào)控，將一些營養(yǎng)元素輸出的同時(shí)，也減少由植物自然凋落腐爛分解而引起的二次污染，須時(shí)刻改善影響沉水植物健康生存的各類不利條件。