重污染湖泊生態(tài)修復(fù)探討
——以武漢市墨水湖修復(fù)實(shí)驗(yàn)為例

段昌兵，侯著霞，余芬芳，陳媛媛，葉 晶

（武漢中科水生生態(tài)環(huán)境股份有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

水體富營(yíng)養(yǎng)化是城市湖泊面臨的重要問(wèn)題之一，而沉水植物在維持清水態(tài)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性上起著關(guān)鍵作用[1-2]。 以種植沉水植物為主的清水態(tài)健康生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建在我國(guó)經(jīng)過(guò)20 余年的研究和推廣，目前在水生態(tài)治理中已成為主要的措施，特別是在淺水湖泊治理中發(fā)揮了核心作用[3-4]。眾多水生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，“十四五”規(guī)劃綱要更是提出，要以“有河有水、有魚(yú)有草、人水和諧”為治水目標(biāo)，要更加注重水生態(tài)環(huán)境保護(hù)[5]。

隨著水生態(tài)修復(fù)治理的深入，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，很多城市湖泊污染嚴(yán)重[6]，處于超富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，治理難度大。 工程修復(fù)中往往由于沉水植物無(wú)法生長(zhǎng)和擴(kuò)繁而導(dǎo)致修復(fù)失敗，成為水生態(tài)修復(fù)的難點(diǎn)[7]，趨同化的設(shè)計(jì)和治理措施已不適合重污染湖泊的治理。在水生態(tài)修復(fù)中，鮮有對(duì)重污染湖泊治理的實(shí)踐跟蹤研究。現(xiàn)有研究具有一定參考意義，但實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值相對(duì)較低，也缺少對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)建立的整體影響研究。如環(huán)保清淤時(shí)，底泥營(yíng)養(yǎng)條件是重要的參考指標(biāo)[8]，研究證實(shí)底泥污染高或貧瘠都會(huì)對(duì)沉水植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[9-10]，而底泥污染較重時(shí)，沉水植物亦可良好生長(zhǎng)[11]。 沉水植物對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽耐受的諸多研究證實(shí)，沉水植物如苦草、黑藻等對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的耐受度很高，ρ（TN）可達(dá)8 mg/L[12]，實(shí)際中該指標(biāo)下湖泊水體少有修復(fù)成功者。 因此開(kāi)展對(duì)該類水體的修復(fù)實(shí)踐和研究，對(duì)重污染湖泊的水生態(tài)修復(fù)具有良好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

墨水湖位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)，漢陽(yáng)大道以南、龍陽(yáng)大道以東，東臨長(zhǎng)江。 西北臨湖為漢陽(yáng)區(qū)政府，湖面積約3.6 km2，平均水深約1.5 m。 歷史上市政廢水排污及暴雨徑流曾是該湖泊的主要補(bǔ)充水源，污染嚴(yán)重[13]，為重度富營(yíng)養(yǎng)湖泊，近年來(lái)經(jīng)過(guò)截污等手段的治理水質(zhì)有所改觀，但水生態(tài)修復(fù)治理仍處于探索期，未實(shí)現(xiàn)有效治理。 本文結(jié)合已有工程實(shí)例、室內(nèi)底泥氧化和沉水植物種植以及墨水湖圍隔原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)等，綜合探討重污染湖泊沉水植物生長(zhǎng)情況，進(jìn)而探究水生態(tài)修復(fù)的適用范圍和工程要點(diǎn)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)修復(fù)區(qū)概況

本研究中圍隔原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)位于墨水湖漢陽(yáng)區(qū)政府區(qū)域水域，具體位置示意見(jiàn)圖1。2019～2020年調(diào)研結(jié)果顯示，該區(qū)域底泥和水質(zhì)污染嚴(yán)重，水質(zhì)波動(dòng)較大，基本為劣Ⅴ～Ⅴ類，水體中ρ（TN）為（7.3±3）mg/L，ρ（TP）為0.35 mg/L，底泥中w（TN）為4 930 mg/kg，w（TP）為1 862 mg/kg。 水深較淺，平均約1.3 m，底泥厚度為60～110 cm，上、下污染特征基本一致，均為黑色發(fā)臭底泥。

圖1 墨水湖原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域示意

1.2 底泥氧化降解實(shí)驗(yàn)

利用水生態(tài)修復(fù)工程中常用底泥氧化劑過(guò)硫酸氫鉀片（w=50%）及同類產(chǎn)品“底改博士”對(duì)墨水湖底泥進(jìn)行室內(nèi)氧化試驗(yàn)，探究其對(duì)底泥的修復(fù)作用。底泥采自墨水湖漢陽(yáng)區(qū)政府區(qū)域水域，用1 L 燒杯裝350 mL 底泥，注純凈水至800 mL，每2 d 加入1 g藥劑，合計(jì)加入3 g。 底泥氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 底泥氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 圍隔原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)

墨水湖底泥污染嚴(yán)重，前期數(shù)次沉水植物的工程種植均未能成活，底泥的毒害作用被認(rèn)定為重要因素。為探究墨水湖底泥能否種活沉水植物，也為圍隔原位實(shí)驗(yàn)做鋪墊，于2019年12月～ 2020年1月，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期30 d 的沉水植物室內(nèi)試種實(shí)驗(yàn)。 采集墨水湖實(shí)驗(yàn)區(qū)底泥和湖水，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用6個(gè)5 L 燒杯種植沉水植物。 由于在冬季，所種沉水植物未出現(xiàn)明顯生長(zhǎng)，但均生發(fā)了新根，其中有2 組已萌發(fā)了新芽，這一結(jié)果證實(shí)了在墨水湖底泥營(yíng)養(yǎng)條件下，沉水植物未出現(xiàn)因底泥污染的毒害作用導(dǎo)致的直接死亡，沉水植物可以存活。該結(jié)論為沉水植物在墨水湖的修復(fù)奠定了基礎(chǔ)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為更好保護(hù)沉水植物，進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)時(shí)，用種植土對(duì)苦草根部進(jìn)行包裹。

在墨水湖漢陽(yáng)區(qū)政府區(qū)域修復(fù)水域布置4 個(gè)50 m2（5 m×10 m） 的不透水圍隔進(jìn)行原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)，圍隔頂部浮體高10 cm，底部以沙袋固定，實(shí)驗(yàn)區(qū)域情況見(jiàn)圖1。 實(shí)驗(yàn)沉水植物選擇苦草，種植密度為40 株/m2，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 圍隔原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以生石灰、漂白粉、明礬、硅藻土等常用凈水產(chǎn)品對(duì)透明度進(jìn)行控制，底質(zhì)氧化采用過(guò)硫酸氫鉀片，實(shí)驗(yàn)中底質(zhì)氧化主要用于種植前、后1個(gè)月內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)周期為300 d，時(shí)間為2020年9月～2021年7月。

1.4 樣品采集和分析

底泥氧化實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試其氧化深度、 氧化層和非氧化層底泥營(yíng)養(yǎng)情況，圍隔原位實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試沉水植物生長(zhǎng)情況、水質(zhì)、透明度等。 數(shù)據(jù)分析均采用SPSS18.0 軟件分析，p<0.05 被認(rèn)定為具有顯著性差異，制圖采用CAD 及Origin 等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

氧化層界限示意見(jiàn)圖2。 由圖2 可以看出，實(shí)驗(yàn)條件下，表層底泥被氧化，由黑色變?yōu)榛液稚?，并出現(xiàn)明顯分界線，本文將黑灰界面定為氧化層界面，底泥氧化結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 底泥氧化實(shí)驗(yàn)氧化層數(shù)據(jù)

圖2 氧化層界線示意

由表3 可知，本實(shí)驗(yàn)中“底改博士”組氧化效果最好，其氧化層厚度為0.45 cm，過(guò)硫酸氫鉀片（50%）組的氧化厚度為0.35 cm，自然氧化條件下氧化層厚度為0.25 cm。 為進(jìn)一步驗(yàn)證氧化劑作用，在“底改博士” 組中繼續(xù)一次性加入10 g 藥劑，5 d 后氧化層厚度基本不再增加，氧化層厚度深度合計(jì)約1 cm，10 g 氧化劑的氧化厚度僅約0.55 cm。

對(duì)“底改博士”這一組實(shí)驗(yàn)中氧化層和非氧化層進(jìn)行底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)氧化層營(yíng)養(yǎng)鹽水平明顯下降，w（TN）下降65%，w（TP）下降32%，對(duì)比組氧化層營(yíng)養(yǎng)水平也有下降，但相對(duì)較低，其中w（TN）下降53%，w（TN）下降16%，氧化層以下底泥保持黑臭狀態(tài)，底泥營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)值檢測(cè)基本沒(méi)有變化。

由此可見(jiàn)，氧化劑可以對(duì)底泥產(chǎn)生氧化和降解作用，但僅局限于表層，表層氧化后，起到了明顯的阻斷氧化作用。在實(shí)際工程中，氧化劑很難達(dá)到如此使用量，且本實(shí)驗(yàn)中所用水為純凈水，工程實(shí)際中，湖水也會(huì)對(duì)氧化劑產(chǎn)生消耗，使得氧化劑對(duì)底泥修復(fù)更加有限。而沉水植物如苦草，其種植深度一般大于10 cm，底泥氧化層厚度遠(yuǎn)不及種植深度，底泥氧化作用對(duì)沉水植物根系很難起到實(shí)際保護(hù)作用，所以底泥氧化更多的是起到阻斷作用，減少底層底泥的營(yíng)養(yǎng)釋放，降低水華頻率。綜上可知在水生態(tài)修復(fù)沉水植物種植過(guò)程中需要合理考慮底泥氧化改良的效果和作用，應(yīng)更注重于對(duì)沉水植物種植前后內(nèi)源污染物釋放的控制，加強(qiáng)對(duì)氧化劑使用時(shí)間和使用量的合理安排。

2.2 圍隔原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證沉水植物在墨水湖的生長(zhǎng)情況，進(jìn)行原位圍隔種植實(shí)驗(yàn)。 a 組和b 組透明度提升主要集中在種植前后，投撒凈水劑保證透明度保持在80 cm 以上，底質(zhì)氧化在種植前后使用，定植后對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行常規(guī)維護(hù)，待沉水植物成活后只進(jìn)行必要維護(hù)。 c 組和d 組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于未對(duì)透明度進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)期間透明度基本保持在30～50 cm。

沉水植物種植30 d 后，打撈沉水植物，觀察其生長(zhǎng)情況，其中a 組和b 組中沉水植物已經(jīng)生根發(fā)芽，葉色泛綠。 c 組和d 組則根部發(fā)黑，葉色發(fā)黃，15 d后繼續(xù)打撈觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)c 組和d 組中沉水植物已經(jīng)死亡。

修復(fù)區(qū)和圍隔外透明度，TP，TN 隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。 由圖3（a）可以看出，a 組和b 組平均透明度，最高值達(dá)1 m，平均值為0.84 m，比實(shí)施前的0.35 m 提升了1.4 倍，提升效果顯著。 由于所用圍隔浮體高度小，大雨時(shí)湖水會(huì)涌入圍隔內(nèi)，導(dǎo)致圍隔內(nèi)水質(zhì)波動(dòng)較大。 檢測(cè)結(jié)果顯示，a 組和b 組圍隔內(nèi)水質(zhì)一般為Ⅴ～劣Ⅴ類左右，部分營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)達(dá)到Ⅳ類，但基本都優(yōu)于圍隔外水質(zhì)，其中ρ（TN）平均降低28%，ρ（TP）平均降低21.7%。

圖3 修復(fù)區(qū)和圍隔外透明度，TP，TN 隨時(shí)間變化趨勢(shì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打撈a 組和b 組圍隔內(nèi)的沉水植物，測(cè)量濕重和高度。 a 組圍隔內(nèi)沉水植物平均高度為75 cm，平均生物量為6.2 kg/m2，b 組圍隔內(nèi)沉水植物平均高度為73 cm，平均生物量為5.6 kg/m2，二者沒(méi)有顯著差異，且沉水植物經(jīng)過(guò)10 個(gè)月生長(zhǎng)擴(kuò)繁，基本都為新生個(gè)體。 實(shí)驗(yàn)期間，通過(guò)魚(yú)類探測(cè)發(fā)現(xiàn)，a 組和b 組圍隔內(nèi)魚(yú)類明顯多于圍隔外，成為a組和b 組圍隔內(nèi)沉水植物附著物和渾濁度較高的原因之一。

通過(guò)以上原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)可以證明，在墨水湖底質(zhì)和水質(zhì)條件下，沉水植物可以成活和擴(kuò)繁，且對(duì)水質(zhì)能起到改善作用。在該類水體中，沉水植物種植前后透明度的提升作用至關(guān)重要，魚(yú)類也是一個(gè)需要高度重視的因素，而底泥氧化、微生物降解等措施的采取并未對(duì)生態(tài)修復(fù)起到實(shí)質(zhì)作用。

3 討論

影響沉水植物生長(zhǎng)的因素眾多，主要有透明度、光照、水質(zhì)、深度、魚(yú)、底泥等，而光為沉水植物生長(zhǎng)的先決條件，滿足沉水植物的光補(bǔ)償點(diǎn)，才能存活和生長(zhǎng)[14]，本研究中，c 組和d 組圍隔內(nèi)沉水植物死亡，主要原因就是透明度低。 研究顯示沉水植物對(duì)水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)水平耐受較高，黑藻、苦草、馬來(lái)眼子菜等對(duì)TN耐受適宜質(zhì)量濃度限度可達(dá)8 mg/L，對(duì)NH4+耐受雖然較低，但苦草耐受質(zhì)量濃度仍可達(dá)4 mg/L，最佳適宜質(zhì)量濃度約2 mg/L，并且貧瘠條件下沉水植物生長(zhǎng)受限明顯[15]。 對(duì)于以上營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)而言，其水質(zhì)已超Ⅴ類數(shù)倍，與墨水湖原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)區(qū)初始水質(zhì)條件相似，a 組和b 組中苦草的成活也進(jìn)一步證實(shí)該結(jié)論。研究證明水生態(tài)治理中，一定范圍內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高會(huì)促使沉水植物生長(zhǎng)發(fā)育，但是營(yíng)養(yǎng)鹽升高，藻類更容易生長(zhǎng)，形成水華，進(jìn)而成為濁水態(tài)[16]，c 組和d 組內(nèi)透明度低就是水華所致，而很多水體在低營(yíng)養(yǎng)水平條件下也會(huì)發(fā)生藻華[17]，所以在水生態(tài)修復(fù)中，需要重點(diǎn)控制沉水植物種植初期藻類的大量繁殖，勿使其成為濁水態(tài)，進(jìn)而避免導(dǎo)致透明度降低，威脅沉水植物生長(zhǎng)，而這在重污染湖泊中更容易發(fā)生。 本研究在有力保證原位修復(fù)區(qū)初期透明度情況下，實(shí)現(xiàn)了a 組和b 組圍隔內(nèi)沉水植物的成活，并且后期常規(guī)維護(hù)狀態(tài)下的擴(kuò)繁也有效證實(shí)了這一論斷，因此，實(shí)施重污染湖泊的治理特別是提升沉水植物種植及生長(zhǎng)初期透明度至關(guān)重要。

底泥是內(nèi)源污染的主要來(lái)源，也被普遍認(rèn)為是影響沉水植物生長(zhǎng)的重要因素，工程設(shè)計(jì)中多以沉積物污染嚴(yán)重為由進(jìn)行清淤。 已有研究結(jié)論表明高營(yíng)養(yǎng)和貧瘠底質(zhì)會(huì)抑制沉水植物的生長(zhǎng)，中度營(yíng)養(yǎng)條件更適合植物生長(zhǎng)[18]。 但并未形成相對(duì)統(tǒng)一的污染程度清淤標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，而一些項(xiàng)目中只是借鑒方法，未考慮沉水植物對(duì)底泥的耐受和適應(yīng)情況，一些污染明顯較低的底泥也參考進(jìn)行了清淤[19-20]，浪費(fèi)大量人力、物力，且清淤將會(huì)產(chǎn)生很多次生問(wèn)題，如底泥的處置、生態(tài)系統(tǒng)的破壞等[9]。本文結(jié)合工程案例，選取營(yíng)養(yǎng)條件為高營(yíng)養(yǎng)水平的研究，對(duì)沉水植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行探討，具體情況見(jiàn)表4。 由表4 可以看出，該表中底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)按照EPA 標(biāo)準(zhǔn)，均達(dá)到重污染，部分超標(biāo)3 倍，有研究將所治理湖泊定義為超富營(yíng)養(yǎng)化湖泊和黑臭水體[7，21]，但在這些底質(zhì)情況下，均實(shí)現(xiàn)了沉水植物的成活，且很多沉水植物在高營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下沉水植物生長(zhǎng)狀態(tài)很好，由此可推斷依靠EPA標(biāo)準(zhǔn)或其他確定清淤深度的方法，實(shí)施清淤可能并非是最優(yōu)措施，清淤時(shí)更應(yīng)充分考慮沉水植物對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)情況的適應(yīng)和需求。

表4 不同營(yíng)養(yǎng)條件底質(zhì)沉水植物生長(zhǎng)情況mg·kg-1

湖南常德濱湖公園水體和武漢北太子湖其底泥營(yíng)養(yǎng)條件亦較高，屬于重污染水平，但在幾乎不清淤條件下，通過(guò)水生態(tài)治理達(dá)到良好狀態(tài)，且已分別保持了7 和4 a[22-23]，宋春雷等[24]發(fā)明專利中對(duì)清淤與否的底泥營(yíng)養(yǎng)參數(shù)也與上述湖泊相似。 基于以上判斷，可知當(dāng)?shù)踪|(zhì)中w（TN）為3 000 mg/kg，w（TP）為1 000 mg/kg 條件下，不清淤也可較好的實(shí)現(xiàn)水生態(tài)修復(fù)且可長(zhǎng)久維持。 本研究和武漢南湖的示范區(qū)治理案例[7]則進(jìn)一步證明，在底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)水平更高條件下，通過(guò)現(xiàn)有治理措施，不清淤也可以實(shí)現(xiàn)沉水植物的存活和擴(kuò)繁，并且可以對(duì)水質(zhì)起到一定的修復(fù)作用。 這些研究和工程實(shí)踐為重污染湖泊治理提供了一種更加環(huán)保的方法和道路，特別對(duì)生態(tài)清淤更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

沉水植物作為水生態(tài)修復(fù)的核心，其不僅可以吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)凈化水質(zhì)、抑制藻類生長(zhǎng)，還可以很好地穩(wěn)定底質(zhì)、修復(fù)底泥環(huán)境，使底泥成為污染匯而不是污染源[31-32]。沉水植物可通過(guò)根莖等輸氧至底泥深處，對(duì)底泥進(jìn)行深層次的修復(fù)[33]，從而避免本研究中所述底泥氧化層的封閉阻隔現(xiàn)象，更好的修復(fù)深層底泥，也減少底泥在缺氧條件下產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)對(duì)沉水植物的毒害。在湖泊生態(tài)修復(fù)工程實(shí)踐中，核心是保證沉水植物的成活和擴(kuò)繁，對(duì)于重污染湖泊而言，各種不利因素的影響均被放大，如魚(yú)類啃食和擾動(dòng)、種植擾動(dòng)、外源污染干擾等都可能導(dǎo)致沉水植物死亡，治理時(shí)需進(jìn)行控制和調(diào)整，特別是種植初期更應(yīng)注意，因此，該類水體的生態(tài)修復(fù)應(yīng)遵循“木桶效應(yīng)”，在保證透明度基礎(chǔ)上，還要加強(qiáng)短板控制，進(jìn)行綜合治理和過(guò)程調(diào)控。該類研究，特別是工程實(shí)踐目前還相對(duì)較少，同時(shí)沉水植物成活后，水生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)更需進(jìn)一步研究和實(shí)踐。 重污染湖泊沉水植物的成活以及系統(tǒng)的可建立性為該類湖泊治理提供了更環(huán)保、可實(shí)施性更強(qiáng)的方法，值得深入研究和實(shí)踐，同時(shí)，持續(xù)深入跟蹤研究其修復(fù)過(guò)程也是十分必要和急迫的。

4 結(jié)論

底質(zhì)氧化實(shí)驗(yàn)證明，氧化劑（過(guò)硫酸氫鉀）可對(duì)底泥產(chǎn)生氧化和降解作用，但一般局限于底泥表層，工程實(shí)踐中其修復(fù)作用對(duì)沉水植物根莖保護(hù)非常有限，水生態(tài)修復(fù)使用時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)用時(shí)間和目的。

沉水植物種植和原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，沉水植物可以在較高營(yíng)養(yǎng)水體和底泥條件下成活和擴(kuò)繁，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的凈化作用。 結(jié)合已有研究和工程實(shí)例，在底泥高營(yíng)養(yǎng)條件下（w（TN）≤3 000 mg/kg，w（TP） ≤1 000 mg/kg），可有效實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的有效建立和維持，清淤時(shí)應(yīng)該充分考慮沉水植物對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)條件的適應(yīng)和需求。

重污染湖泊治理核心是保證沉水植物成活，治理時(shí)建議遵循“木桶效應(yīng)”，加強(qiáng)短板控制和綜合治理，在保證透明度基礎(chǔ)上，降低其他不利影響因子的干擾。 沉水植物的成活以及系統(tǒng)的可建立性為該類湖泊治理提供了方向，但對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的建立和維護(hù)仍需深入研究和實(shí)踐。