興隆湖水生態(tài)修復(fù)工程對水質(zhì)影響的研究

王 朝，柴 夏，萬陸軍，周 超，趙 兵，楊 坤

(南京中科水治理股份有限公司，南京 210018)

前 言

城市湖泊是指位于大中城市城區(qū)或近郊的中小型湖泊[1]，具有旅游娛樂、洪澇調(diào)蓄、調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境等多種功能，城市湖泊經(jīng)常被比喻為城市的一顆明珠，如杭州西湖等城市湖泊已經(jīng)成為了當?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展的重要支撐[2]。然而隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)隨著人類活動進入到城市湖泊中，使得水體的富營養(yǎng)化程度不斷升高，水生態(tài)系統(tǒng)功能減弱[3]。由于城市湖泊本身常存在流動性差、自凈功能較弱等問題，城市湖泊水質(zhì)控制逐漸成為一大難題，有些污染嚴重的區(qū)域還會出現(xiàn)水華現(xiàn)象，極大的削弱了城市湖泊原有的景觀娛樂功能[4-5]。

隨著國家社會對生態(tài)環(huán)境的保護意識和重視程度不斷提高，越來越多的地區(qū)開始對城市景觀水體開展水污染治理和水生態(tài)修復(fù)行動。多數(shù)湖泊通過控制外源營養(yǎng)鹽負荷尤其是削減總磷含量，可以有效降低水體中葉綠素濃度和浮游植物生物量[6]。Peng等也發(fā)現(xiàn)，我國湖泊的富營養(yǎng)化類型大多屬于P限制型[7]。但是對于長時間、大范圍受到污染的水體，由于內(nèi)源污染嚴重，僅靠減少外源營養(yǎng)鹽的輸入是無法有效控制湖泊富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化的[8]。目前城市湖泊治理常用的方法涵蓋了物理(如底泥清淤)、化學(xué)(如投撒藥劑)、生物(如沉水植物群落、魚類群落構(gòu)建)等多個層面。其中，化學(xué)方法因投撒劑量難以掌握、易產(chǎn)生二次污染且可能還會引發(fā)一些其他問題對水生態(tài)系統(tǒng)造成破壞而受到使用限制。物理方法如清淤等，主要是用過工程措施直接去除污染物或改變水動力條件以提高水質(zhì)，雖然見效快，但大多耗時、成本高，且并未從根本上解決問題[9]。相比之下生物方法則具有操作簡單、治理效果好、成本低等優(yōu)點，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，生物方法較傳統(tǒng)的物理方法可節(jié)省80%的治理費用[10-11]，對環(huán)境影響小，基本不會存在二次污染的情況，能夠科學(xué)地構(gòu)建一個健康且能建立自我良性循環(huán)的水生態(tài)系統(tǒng)[12]，真正意義上做到原位生態(tài)修復(fù)。以生物方法為核心、物理化學(xué)方法為輔助的水生態(tài)修復(fù)技術(shù)已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到城市湖泊治理工作之中，例如杭州西湖[13]、武漢東湖[14]、成都麓湖[15]等近年來在局部或全湖范圍內(nèi)都開展了水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程，并取得了一定的效果。

興隆湖位于天府新區(qū)成都直管區(qū)中，水域面積約2.8km2，是天府新區(qū)重要的生態(tài)涵養(yǎng)和水利調(diào)蓄節(jié)點。作為“公園城市”的首提地，興隆湖的關(guān)注度極高，2020年天府新區(qū)開展了興隆湖水生態(tài)提升工程以改善湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。然而不同于傳統(tǒng)天然的城市湖泊，成都興隆湖屬于新開挖的人工湖，是在鹿溪河原有河道改造的基礎(chǔ)上，利用低洼地形，壅水成湖。針對興隆湖如此大面積的人工湖開展全湖水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程，在國內(nèi)外也屬少見。本文對興隆湖水生態(tài)綜合提升工程實施前后的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，通過梳理興隆湖治理前后水質(zhì)變化特征，分析判斷本次工程對興隆湖水質(zhì)的提升效果，以期為類似城市湖泊尤其是新建人工湖的整體治理提供參考于參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 區(qū)域概況

作為天府新區(qū)特別是鹿溪河流域重要生態(tài)涵養(yǎng)和水利調(diào)蓄節(jié)點，興隆湖于2013年11月開工建設(shè)，充分利用低洼地形，壅水成湖。興隆湖設(shè)計水位為464.0m，水域面積約2.8km2，平均水深為2.5m，湖岸線長約11.7km。興隆湖于2014年10月開始蓄水，補水水源為鹿溪河，水質(zhì)標準為劣V類，湖區(qū)水質(zhì)不容樂觀。建成后湖區(qū)水質(zhì)常處于V類和劣V類標準，其中TP、TN、NH3-N多處于劣V類標準，COD和CODMn多處于V類標準。為持續(xù)提高水環(huán)境質(zhì)量，天府新區(qū)先后啟動實施鹿溪河沿線截污管網(wǎng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠提標改造等措施，不斷完善流域污水收集處理體系，興隆湖水質(zhì)較此前得到明顯改善。2020年8月，天府新區(qū)決定開展興隆湖水生態(tài)綜合提升工程，將湖區(qū)內(nèi)水質(zhì)提升至地表水Ⅲ類標準，打造“水清岸綠”的生態(tài)景觀，以滿足周邊老百姓日益高漲的環(huán)境需求。

1.1.2 興隆湖水生態(tài)綜合提升工程

興隆湖水生態(tài)綜合提升工程從湖區(qū)基底改良、湖底地形重塑、水生植物群落構(gòu)建、魚類群落構(gòu)建、大型底棲動物構(gòu)建、水體透明度提升等方面進行了全方位的水生態(tài)系統(tǒng)治理。其中，基地改良工程和湖底地形重塑工程主要是為水生動植物群落營造出適宜的生長生境，減少湖泊治理前存在的內(nèi)源污染，是興隆湖水生態(tài)修復(fù)工程的前處理。水生植物群落構(gòu)建工程可在很大程度上提升水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，并改善湖泊水體景觀效果，是興隆湖水生態(tài)修復(fù)工程的主體內(nèi)容。魚類、大型底棲動物群落構(gòu)建工程可有效提升水體生物多樣性，使治理后的水生態(tài)系統(tǒng)能夠成為一個健康且具有自我良性循環(huán)功能的水生態(tài)系統(tǒng)，也是興隆湖水生態(tài)修復(fù)工程的主體內(nèi)容。水體透明度提升工程則是興隆湖水生態(tài)修復(fù)工程的保障工程。

1.2 水質(zhì)測定評價方法

1.2.1 水質(zhì)監(jiān)測方案

本文對興隆湖自水生態(tài)綜合提升工程啟動以來的定期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)收集后，共挑選了3個點位的完整數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析(圖1)，3個點位的具體位置信息見表1。各項指標現(xiàn)場水樣采集均采用500mL的透明硬質(zhì)玻璃瓶進行，并且均在現(xiàn)場添加硫酸酸化以延長水樣保存時間，采集后的水樣基本于采樣當天在實驗室中完成了水質(zhì)測定。具體水質(zhì)樣品保存方法依據(jù)《水質(zhì) 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ493-2009)。

表1 興隆湖采樣點地理位置Tab.1 Geographical location of Xinglong Lake sampling points

圖1 興隆湖水質(zhì)采樣點分布圖Fig.1 Sampling sites of Xinglong Lake

1.2.2 水質(zhì)測定方法

水質(zhì)指標包含總磷、總氮、氨氮、COD、CODMn。各項水質(zhì)指標測定均依據(jù)相關(guān)國家標準(表2)。

表2 水質(zhì)測定方法Tab.2 Water quality determination method

1.2.3 水質(zhì)評價方法

參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)對主要水質(zhì)指標進行評價。

1.2.4 富營養(yǎng)化評價方法

在監(jiān)測指標數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法對興隆湖3個點位的富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價，方法如下：

(1)確定各水質(zhì)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[16]

TLI(Chl.a)=10*(2.5+1.086*ln Chl.a)

(1)

TLI(TP)=10*(9.436+1.624*ln TP)

(2)

TLI(TN)=10*(5.453+1.694*ln TN)

(3)

TLI(SD)=10*(5.118-1.94*ln SD)

(4)

TLI(CODMn)=10*(0.109+2.661*ln CODMn)

(5)

(2)相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

(6)

式中：Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(j)為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

(3)富營養(yǎng)等級劃分

根據(jù)Carlson理論，判斷出相應(yīng)的富營養(yǎng)化等級。TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)；TLI(∑)>50為富營養(yǎng)；5070為重度富營養(yǎng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)分析采用EXCEL 2006、IBM SPSS Statistics 25進行，作圖采用SigmaPlot 12.5進行，地圖繪制采用ArcGIS 10.2進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 治理前后水質(zhì)指標變化情況

本次研究結(jié)果表明，治理前三個采樣點位的總磷、氨氮、COD濃度值均處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的Ⅱ類標準(圖2)，這主要是因為興隆湖的補水水源為東風(fēng)渠，水源水質(zhì)較好。據(jù)相關(guān)部門了解，東風(fēng)渠于2021年對興隆湖共進行了5次引水，3月份引水量為75.39萬m3，4月份引水量為107.03萬m3，5月份引水量為27.77萬m3，9月份引水量為119萬m3，12月份引水量為0.03萬m3，2021年總引水量為329.22 m3，占比湖體正常蓄水容積的49.14%。

圖2 興隆湖主要水質(zhì)指標治理前后變化情況Fig.2 Changes of main water quality indicators of Xinglong Lake before and after treatment

而在興隆湖水生態(tài)綜合提升工程改造完成后，1號點和3號點均降至Ⅰ類標準，治理效果顯著(FTP=11.84P<0.01)(圖3，表3)。同時，1號點和3號點的氨氮、COD濃度值在治理后也降至Ⅰ類標準，總氮濃度值從Ⅲ類標準降至Ⅱ類，(圖2)，治理效果同樣顯著(FCOD=24.01P<0.01；FNH3-N=4.16P<0.05)(圖3)。2號點各項水質(zhì)指標濃度值在治理前后雖處于同一標準，但各項水質(zhì)指標濃度值明顯降低。(圖2)。這主要是因為在水生態(tài)實際修復(fù)過程中，各點位均進行了較高生物量且不同品種的沉水植物群落構(gòu)建，通過構(gòu)建沉水植物群落可以有效對水體中的總磷、總氮、氨氮、COD等營養(yǎng)鹽進行有效去除[17～22]，蘇州潛龍渠[23]和長沙松雅湖[24]等的研究均證實了這一點。同時，興隆湖水質(zhì)綜合提升工程還投放了大量的大型底棲動物包括螺類、貝類，能有效去除水體懸浮物，改善水質(zhì)，并能控制浮游植物生長，在水質(zhì)凈化方面起著重要的作用[19]。有研究證明，1個成年美洲貝類(C.virginica)濾水速度為9.5L/h，可將水體中75%的葉綠素a濾食掉[25]。

表3 3個點位定期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 Regular water quality monitoring data of three sites (mg/L)

圖3 興隆湖主要水質(zhì)指標治理前后箱型圖Fig.3 Box plots of main water quality indicators of Xinglong Lake before and after treatment

2.2 營養(yǎng)化狀態(tài)評價

按照綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，計算出三個點位治理前后的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(表4)。三個點位治理前的營養(yǎng)化指數(shù)值分別為39.67、37.33、38.15，營養(yǎng)化等級均為“中營養(yǎng)”水平。治理后三個點位的營養(yǎng)化指數(shù)值分別為33.46、32.65、31.66，營養(yǎng)化等級仍處于“中營養(yǎng)”水平，營養(yǎng)指數(shù)變化率分別為15.65%、12.53%、17.01%。

表4 興隆湖三個點位治理前后水質(zhì)營養(yǎng)化指數(shù)變化情況Tab.4 Changes of water quality nutrition index at three sites of Xinglong Lake before and after treatment

2.3 相關(guān)性分析

為找出各項水質(zhì)指標和各采樣點位間的同源性，分別進行了各指標不同采樣點位間的相關(guān)性分析(表5)和各采樣點位不同水質(zhì)指標間的相關(guān)性分析(表6)，相關(guān)性越大，說明同源性越強或其影響因素基本保持一致。SPSS相關(guān)性分析結(jié)果表明，1號點和3號點的總磷、總氮、氨氮、COD濃度值在P<0.01水平上均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(R2=0.801，R2=0.936，R2=0.888，R2=0.767)(表5)。同時，1號點和2號點的氨氮、COD濃度值在P<0.01水平上也呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(R2=0.634，R2=0.906)(表5)，而總氮濃度值在P<0.05水平上呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(R2=0.546)(表6)。此外，2號點和3號點的總氮、COD濃度值也分別在P<0.05和P<0.01水平上呈現(xiàn)出了顯著正相關(guān)(R2=0.49，R2=0.592)(表5)。這可能是因為1號點靠近進水口，3號點靠近湖區(qū)出水口，且三個點位均位于湖區(qū)老河道附近，從1號點至3號點為湖區(qū)的水流方向，所以各項水質(zhì)指標呈現(xiàn)出較為明顯相關(guān)性。同時，在水生態(tài)工程進行期間，三個點位均進行了基地改良、湖底地形重塑以及沉水植物群落構(gòu)建等修復(fù)措施，三個點位的水化學(xué)環(huán)境較為相似，因此，各點位間的各項水質(zhì)指標變化表現(xiàn)出較強的相似性。

表5 興隆湖主要水質(zhì)指標三個點位間Pearson相關(guān)性分析結(jié)果Tab.5 Pearson correlation analysis results of main water quality indicators of Xinglong Lake among three sites

表6 興隆湖三個點位不同水質(zhì)指標間Pearson相關(guān)性分析結(jié)果Tab.6 Pearson correlation analysis results between different water quality indicators in three sites of Xinglong Lake

此外，三個點位不同水質(zhì)指標間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，1號點的總氮和COD濃度值變化在P<0.05水平上呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(R2=0.48)(表6)。2號點和3號點的氨氮和COD濃度值變化在P<0.05水平上同樣呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(R2=0.47，R2=0.46)(表6)。這可能是興隆湖在遇到補水或風(fēng)浪較強時，底層有機物上升至表層所致。

3 結(jié) 論

(1)本研究中，興隆湖通過開展水生態(tài)綜合提升工程對湖區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生了明顯的改善效果，水體中總氮、氨氮、總磷和COD的平均含量較治理前均有明顯降低。其中，本研究區(qū)中的1號和3號監(jiān)測點的總磷、氨氮、COD濃度值均降至了地表水Ⅰ類標準，且總氮濃度值也從Ⅲ類標準降至Ⅱ類。

(2)興隆湖水生態(tài)綜合提升工程實施后，3個點位的營養(yǎng)化等級雖未改變，但富營養(yǎng)化程度有所降低。在進行基地改良、湖底塑性以及沉水植物群落構(gòu)建等一系列修復(fù)措施后，各點位間的水質(zhì)指標表現(xiàn)出一定的相似性。

(3)興隆湖水生態(tài)綜合提升工程實施后湖區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定達到地表水Ⅲ類標準以上，本工程的成功實施為大型城市人工湖全湖開展水生態(tài)修復(fù)建立了工程示范，為日后相關(guān)工程的建設(shè)提供了經(jīng)驗參考。