上海地區(qū)人工湖富營養(yǎng)化防治設(shè)計(jì)若干問題探討

劉小梅

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200063)

近年來,隨著上海市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高,親水性景觀環(huán)境越來越多地走入居民生活之中。人工湖泊以其獨(dú)特的生態(tài)及景觀功能,越來越受到人們的青睞,成為新型社區(qū)與公共綠地設(shè)計(jì)的首選。在松江佘山月湖、臨港新城滴水湖等大型人工湖及眾多新建小區(qū)中的人工湖相繼建成后,上海人工湖水面積大幅增加,為改善人居環(huán)境發(fā)揮了重要作用,然而人工湖水質(zhì)狀況不容樂觀,多數(shù)湖泊水質(zhì)屬IV、V類或劣V類,存在不同程度的富營養(yǎng)化問題,對人工湖生態(tài)及景觀環(huán)境造成不利影響。目前,國內(nèi)外學(xué)者對湖泊富營養(yǎng)化防治技術(shù)開展了廣泛研究,并成功應(yīng)用于實(shí)際治理工程。本文在已有研究成果基礎(chǔ)上,從富營養(yǎng)化防治角度,探討人工湖規(guī)劃設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵問題,為人工湖設(shè)計(jì)方案的制定與實(shí)施提供參考。

1 人工湖富營養(yǎng)化影響因素

上海地區(qū)人工湖屬于淺水湖泊,以公共綠地及居民小區(qū)人工景觀湖居多,多數(shù)湖泊平均水深在1.5m～3m,這些湖泊通常湖水面積較小,水位較低,湖底平坦,底泥中有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽十分豐富,水生植物以浮游藻類為主,大型水生植物較少,耐污染負(fù)荷能力較低。在人類活動(dòng)影響下,隨著外來營養(yǎng)鹽和其它污染物的大量流入,水體接納的大量營養(yǎng)鹽 (氮、磷)、有機(jī)物等引起藻類及其它浮游生物迅速繁殖,導(dǎo)致水體溶解氧含量下降,水質(zhì)惡化,水體色度增加,透明度降低,魚類及其它生物大量死亡,人工湖的正常生態(tài)平衡遭到破壞。人工湖富營養(yǎng)化的首要成因在于來自地面徑流的面污染源、來源于生活污水和工業(yè)廢水的點(diǎn)污染源以及水體自凈能力,除此之外,還有水文條件,如水體的深度、流速、循環(huán)周期等因素,而且這些因素往往相互作用,共同促進(jìn)富營養(yǎng)化的形成。水體深度越淺,水體含氧量越高,溫度適宜,可以滿足藻類生物生長和繁殖。因此,淺水相對于深水,更容易產(chǎn)生富營養(yǎng)化問題。而水體的流速慢,其水循環(huán)周期越長,更新速度越慢,流入水體的營養(yǎng)物更易沉積,更易因大量營養(yǎng)物質(zhì)的沉積而導(dǎo)致富營養(yǎng)化的發(fā)生。

2 人工湖富營養(yǎng)化防治設(shè)計(jì)要素

有關(guān)研究成果表明[1],淺水湖泊與深水湖泊相比,更容易富營養(yǎng)化,一旦湖泊富營養(yǎng)化,其治理的時(shí)間較長,治理的難度較大。此外,淺水湖泊風(fēng)浪所導(dǎo)致的底泥懸浮,把大量的營養(yǎng)物質(zhì)釋放進(jìn)入上覆水中,即使控制了所有外源污染,但無法在短期內(nèi)降低湖泊營養(yǎng)負(fù)荷,因此,對湖泊富營養(yǎng)化采取預(yù)防措施十分必要,并且考慮到人工湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,需要從人工湖前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中全面考慮富營養(yǎng)化問題,以避免湖泊設(shè)計(jì)不合理帶給人工湖泊先天的缺陷,對人工湖水景觀效果及工程管理造成不利的影響。

人工湖富營養(yǎng)化主要影響因素包括內(nèi)外污染負(fù)荷、水文條件、水體自凈力等因素。針對上述影響因素,在有關(guān)富營養(yǎng)化研究成果基礎(chǔ)上,利用人工湖的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出人工湖泊富營養(yǎng)化預(yù)防思路為控制內(nèi)外污染源、提供良好水文條件、構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)以及實(shí)施水環(huán)境管理?？刂莆廴驹窗ê粗苓呹懙厣系母鞣N外源負(fù)荷以及湖底沉積物釋放所產(chǎn)生的內(nèi)源負(fù)荷,這對淺水湖泊富營養(yǎng)化控制是非常必要的,也是最基本的環(huán)節(jié)。通過采用多種技術(shù)手段,分析研究人工湖形態(tài)、總體布置、湖泊調(diào)度運(yùn)行方案等內(nèi)容,以達(dá)到促進(jìn)水體流動(dòng)、防止形成死水區(qū),提供良好水文條件的目的。同時(shí),在污染源控制的基礎(chǔ)上,進(jìn)行以水生植物、動(dòng)物為核心的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工作,以有效攔截來自陸地的污染物質(zhì)以及有效降低沉積物懸浮和內(nèi)源污染釋放。國外對人工湖設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒,設(shè)計(jì)中考慮湖泊的選址、形狀、規(guī)模、進(jìn)水方式、流動(dòng)、維護(hù)費(fèi)用等方面,使人工湖能夠發(fā)揮預(yù)期的功能,達(dá)到低維護(hù)的效果。結(jié)合目前的人工湖實(shí)踐,人工湖設(shè)計(jì)中除考慮水源條件、內(nèi)外污染源控制措施以外,在富營養(yǎng)化預(yù)防方面還需要重點(diǎn)考慮湖泊形態(tài)、湖泊調(diào)度運(yùn)行、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵內(nèi)容。

3 人工湖形態(tài)設(shè)計(jì)

3.1 湖泊平面形態(tài)

湖面形狀設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮景觀效果和水流平順的原則,其平面形態(tài)應(yīng)盡量利用流線發(fā)散和收束的特點(diǎn),以利于水流平順、不留死水區(qū),故除了地形條件的約束外,人工湖泊平面形態(tài)構(gòu)造受水的進(jìn)出口條件影響。對于口門簡單 (分別有一個(gè)進(jìn)、出水口門)的湖泊,布置成為梨形是比較理想的。對于進(jìn)出水口門較多的情況,湖泊的平面形態(tài)以流線型的圓、橢圓或蝶形為主,一是保證水體的整體流向平順,有利水體交換,二是減少水流之間的干擾頂托,降低人工湖營養(yǎng)物質(zhì)不均勻沉淀的機(jī)會(huì)。例如,上海臨港新城滴水湖平面形態(tài)呈圓形,湖面積5km2,直徑2.5km；地處佘山旅游度假區(qū)的佘山月湖呈蝶形,水面積0.3km2,岸線長2465m。

另外,人工湖平面設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注湖心島的位置,由于湖心島的存在往往會(huì)形成死水區(qū),對該區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生不良影響,因此人工湖設(shè)計(jì)過程需采用數(shù)值模型等手段對此進(jìn)行多方案論證,以避免出現(xiàn)死水區(qū)。臨港新城滴水湖水面積4.571km2,湖區(qū)布置有南島、北島和西島等3座島嶼,島嶼面積分別為0.163km2、0.172km2、0.094km2。為使滴水湖自身具有良好的水動(dòng)力條件,有關(guān)研究機(jī)構(gòu)采用三維水質(zhì)數(shù)值模型分析滴水湖水動(dòng)力學(xué)基本特征及水質(zhì)指標(biāo),研究結(jié)果表明:北島并岸時(shí)背風(fēng)處流速明顯減小,局部形成死水區(qū)；北島離岸時(shí)在島嶼和岸邊通道和淺水處,流速較大,流向?yàn)轱L(fēng)向和岸線方向,與滴水湖內(nèi)存在的大小環(huán)流形成更大的環(huán)流,促進(jìn)水體混合和交換。據(jù)此,對滴水湖中湖心島位、島形進(jìn)行了優(yōu)化,形成北島為半島,南島、西島為全島的景觀效果,并在北島與湖岸之間設(shè)置底寬50m的水流通道。調(diào)整后的滴水湖,在風(fēng)的作用下或進(jìn)行水體調(diào)度時(shí),湖中形成了更多、規(guī)模更大的環(huán)流,明顯改善了湖區(qū)內(nèi)水流條件。

3.2 湖泊立面形態(tài)

湖泊立面包括水深較淺的湖岸濕地、水深較深的湖盆濕地、湖盆底部深水區(qū)三個(gè)部分,其設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素包括湖底形態(tài)、湖泊水深及岸坡等,其中湖底形態(tài)應(yīng)有利于水體垂直交換及流動(dòng)；湖泊水深應(yīng)滿足湖泊水體熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求、增強(qiáng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性能、減少蒸發(fā)損失的需要；湖岸邊坡應(yīng)根據(jù)岸坡整體穩(wěn)定、湖區(qū)風(fēng)浪水流作用下的灘地穩(wěn)定和施工開挖等因素確定。臨港新城滴水湖湖底設(shè)計(jì)中,利用數(shù)值模擬方法分析不同湖底高程及湖底形態(tài)下的水流情況,最終確定湖底總體呈蝶形,大部分區(qū)域湖底高程為-0.5m；湖心呈馬鞍形,即湖心在-2.0m高程設(shè)平臺(tái),東、西兩側(cè)分別形成深水區(qū),最低處高程-3.50m。滴水湖常水位2.7m時(shí),水深為3.2m～6.2m,蓄水庫容為1620萬m3。有深有淺的湖底形態(tài),有利于形成日夜溫流,促進(jìn)垂向的水體交換。

4 湖泊調(diào)度運(yùn)行方案

人工湖的合理調(diào)度運(yùn)行可以有效促進(jìn)湖內(nèi)水體置換及流動(dòng),達(dá)到預(yù)防湖泊富營養(yǎng)化的目的。湖泊調(diào)度運(yùn)行方案應(yīng)綜合考慮湖泊容積、進(jìn)出水方式、換水周期等因素。換水周期需根據(jù)湖泊的水源條件、湖泊水體多少和可能的污染預(yù)測情況等分析確定,例如杭州西湖 (湖面積5.6km2)從錢塘江引水,采用1個(gè)月?lián)Q水一次,西湖水質(zhì)得到明顯改善。臨港新城滴水湖瀕臨東海,環(huán)湖水系由3條漣河、7條射河組成,并規(guī)劃有從大治河引水的專用引清河道,滴水湖從大治河引水,經(jīng)過環(huán)湖水系由滴水湖出海閘排水,實(shí)現(xiàn)水體的快速置換。為了更好地確定滴水湖調(diào)度運(yùn)行方案,有關(guān)研究機(jī)構(gòu)采用平原河網(wǎng)地區(qū)河湖互聯(lián)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,針對在水閘調(diào)控條件下的引排分開模式和邊引邊排模式,分別模擬分析了不同引排水口優(yōu)化組合條件下的湖泊入湖與出湖水量,以及相應(yīng)的水動(dòng)力場及水質(zhì)改善效果。研究成果表明:采用引排分開模式,引水期間的20h引水時(shí)間的水流場和水質(zhì)改善效果,基本等同于邊引邊排條件下引水96h的改善效果,并且可以消除無調(diào)度條件下單純風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的死水區(qū)域。鑒于現(xiàn)階段從大治河引水的專用引清河道尚未實(shí)施,滴水湖水系的漣河及射河入湖處無口門控制,由距出海閘較近的臨時(shí)引水口門進(jìn)行邊引邊排模式會(huì)產(chǎn)生引水不入滴水湖而經(jīng)由附近漣、射河直接排海的 “短流”現(xiàn)象,所以目前采用引排分開模式,并需根據(jù)水源狀況確定下降水位。將來在滴水湖水系逐步完善且設(shè)置相應(yīng)的控制口門后,可采用邊引邊排模式。

5 湖泊生態(tài)設(shè)計(jì)

人工湖生態(tài)系統(tǒng)通過種植水生植物和放養(yǎng)水生動(dòng)物來實(shí)現(xiàn)。湖岸可在水深以下0.5m的岸坡區(qū)種植挺水植物香蒲、蘆葦,0.5m以上岸坡種植溫生植物香根草和風(fēng)車草,岸坡上種植這些植物可形成環(huán)湖的過濾帶,對地表徑流流入湖中的水起過濾作用,阻攔并吸收、轉(zhuǎn)化、積累輸人的部分有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽,再通過收割利用,移出水體,有利水體自凈,營養(yǎng)鹽收支平衡,防止水體富營養(yǎng)。湖中適當(dāng)放養(yǎng)蚌類、魚類、螺獅等動(dòng)物,延長食物鏈,提高生物凈化效果。湖底種植苦草等沉水植物和蓮花等浮葉植物,通過養(yǎng)分競爭、克生物質(zhì)釋放以及提供植食性浮游動(dòng)物庇護(hù)所等多種機(jī)制影響湖泊生態(tài)系統(tǒng),并防止底泥再懸浮。臨港新城滴水湖引水通道D港生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)研究成果表明:通過投放"食藻蟲"快速濾食水華藻類和有機(jī)碎屑,可有效提高水體透明度,并采用移植方式構(gòu)建了以伊樂藻、苦草、輪葉黒藻、光葉眼子菜和菹草為主的沉水植物群落,經(jīng)過10個(gè)月已形成了能夠進(jìn)行自行演替的、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

6 結(jié)語

上海地區(qū)人工湖屬于淺水湖泊,生態(tài)平衡極易受到外界因素的干擾,容易產(chǎn)生富營養(yǎng)化問題,并且一旦產(chǎn)生富營養(yǎng)化,其治理時(shí)間和難度較大,為此在人工湖規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮富營養(yǎng)化的預(yù)防措施。人工湖富營養(yǎng)化主要影響因素包括內(nèi)外污染負(fù)荷、水文條件、水體自凈力等因素,針對上述影響因素,人工湖富營養(yǎng)化防治設(shè)計(jì)除需考慮水源條件、內(nèi)外污染源控制措施以外,還需要重點(diǎn)考慮湖泊形態(tài)、湖泊調(diào)度運(yùn)行、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵內(nèi)容,并綜合利用湖泊富營養(yǎng)化防治技術(shù),達(dá)到維持湖泊生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境的目的。

1 秦伯強(qiáng)等.湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制與控制技術(shù)及其應(yīng)用,科學(xué)通報(bào),2006年8期.