河道型水源地水體原位生態(tài)凈化工程研究：以小沿河為例

陳煜權(quán)

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院,上海 200434)

1 問(wèn)題的提出

飲用水源地水質(zhì)保障是一項(xiàng)全球性的技術(shù)難題。目前,全球有一半以上飲用水水源不合格,我國(guó)飲用水水質(zhì)現(xiàn)狀也令人擔(dān)憂,源水污染日益嚴(yán)重地威脅著人類的健康[1]。2006年,我國(guó)對(duì)GB 5749—1985《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了重新修訂,標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水質(zhì)有機(jī)物、微生物等提出了更高的要求。僅依靠水廠的物理吸附過(guò)濾、化學(xué)氧化及生物接觸氧化等傳統(tǒng)工藝,代價(jià)高,且治標(biāo)不治本。因此,開(kāi)展水源地水質(zhì)的保障工作,對(duì)于提升我國(guó)飲用水安全保障能力、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧與可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水體生態(tài)凈化技術(shù)具有安全高效、成本低廉等特點(diǎn),近年來(lái)在我國(guó)江浙等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)率先應(yīng)用于微污染水體的凈化、水源地水質(zhì)的保障工作[2-3]。河道型水源地是一種充分利用原有河流水文、河道地形及區(qū)域自然地理?xiàng)l件,在新開(kāi)或拓浚原河道后直接作為飲用水源地進(jìn)行引水的形式。本文介紹了我國(guó)北部城市的河道型水源地—小沿河的原位生態(tài)凈化工程,同時(shí)結(jié)合該工程在野外條件下對(duì)微污染源水的實(shí)際凈化效果,以及工程運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵問(wèn)題的探討,為今后類似工程的開(kāi)展與有關(guān)技術(shù)的研發(fā)提供借鑒。

2 工程技術(shù)方案

2.1 工程背景

小沿河現(xiàn)為某市市區(qū)主要地表水飲用水源地。河道總長(zhǎng)15.5 km,河寬約30～80m,水深約4～5 m。其中,取水口至上游1.6 km處為一級(jí)保護(hù)區(qū),1.6 km處至上游3.1 km處為二級(jí)保護(hù)區(qū)。小沿河規(guī)劃過(guò)流量(取水量)近期為12萬(wàn)m3/d,遠(yuǎn)期為20萬(wàn)m3/d,折合平均流量為1.4,2.4 m3/d。小沿河夏季正常水位為32.5～32.6 m(黃海高程,下同),冬季水位31.9～32.0m,極端最低水位約為30.9m。工程施工前期小沿河水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 工程前期小沿河水質(zhì)情況表 mg/L

從表1可以看出,小沿河飲用水源水質(zhì)主要超標(biāo)因子為CODMn,其余水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)較好。由于小沿河為敞開(kāi)式河道型水源地,在引水過(guò)程中,除了上游來(lái)水存在水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)外,取水口處的水質(zhì)可能還會(huì)受到農(nóng)田面源污染、周邊畜禽養(yǎng)殖污染、支流匯水污染、大氣干濕沉降污染等方面因素的影響。

2.2 工程方案設(shè)計(jì)

根據(jù)小沿河水文特征和當(dāng)?shù)貧夂驐l件,運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)理論和接觸生物氧化理論,采用濕生植物、挺水植物與沉水植物相結(jié)合的全系列植物濱岸帶,同時(shí)結(jié)合生態(tài)懸床工藝,進(jìn)一步提高水質(zhì)凈化效果,保證水生植物正常生長(zhǎng)兼顧水源地生態(tài)景觀需求。小沿河平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置示意圖

2.2.1 全系列植物濱岸帶

小沿河工程河段設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約4.2 km,在全線兩岸高程30.5～32.8 m區(qū)域設(shè)置濕生—挺水—沉水植物濱岸帶。其中沉水植物帶位于河道兩側(cè)高程30.5～31.2 m的水域,挺水植物帶位于河道兩側(cè)高程31.2～32.3 m的水陸交錯(cuò)帶區(qū)域,濕生植物帶位于河道兩側(cè)高程32.3～32.8 m的區(qū)域,共布置全系列植物濱岸帶約8.7萬(wàn)m2。

植物配置:濕生植物主要種植梭魚草+西伯利亞鳶尾+黃菖蒲+千屈菜;挺水植物主要種植再力花+水蔥+茭草+黑三棱;沉水植物主要種植依次配置伊樂(lè)藻+刺苦草+龍須眼子菜+水毛茛+輪葉黑藻+狐尾藻。

2.2.2 生態(tài)懸床

生態(tài)懸床是一項(xiàng)新興的水體原位修復(fù)和控制技術(shù),目前在工程中大規(guī)模運(yùn)用的案例較少,尚停留在試驗(yàn)階段。該技術(shù)主要應(yīng)用在水體較深或不適應(yīng)沉水植物在基底生長(zhǎng)的區(qū)域,將沉水植物種植在人工載體上,整體懸浮于水體中。由于主體位于水面以下,可避免紫外線直接照射以及低溫季節(jié)水面冰凍對(duì)床體及植物造成的傷害。小沿河工程生態(tài)懸床布設(shè)在二級(jí)保護(hù)區(qū)河道中心處,目前共設(shè)置600 m2,沉水植物主要選擇伊樂(lè)藻+刺苦草。

3 水質(zhì)凈化效果分析

3.1 凈化機(jī)理

小沿河工程主要采取構(gòu)建濱岸帶及生態(tài)懸床技術(shù)。河流濱岸帶是指河水—陸地交界處,直至河水影響消失為止的地帶[4],能夠通過(guò)根系攔截、植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化等一系列機(jī)械、物理、化學(xué)和生物過(guò)程達(dá)到對(duì)上游與下游、陸地與水體間傳輸?shù)奈镔|(zhì)的緩沖作用[5]。小沿河工程在河道全線布設(shè)了一定寬度植物濱岸帶,有效地控制了地表徑流,起到水土保持、凈化水質(zhì)、削減面源污染、改善生物棲息地、提高景觀多樣性等多方面效果。

在濱岸帶及生態(tài)懸床中充分利用沉水植物是小沿河工程的一大特色。近年來(lái),沉水植物在微污染水體修復(fù)中的重要性越來(lái)越得到人們的認(rèn)可[3]。大型沉水植物可通過(guò)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)、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)制影響水生態(tài)系統(tǒng)[6];沉水植物的莖、葉和表皮都與根一樣具有吸收作用,且皮層細(xì)胞含有葉綠素,具有進(jìn)行光合作用的功能。這種結(jié)構(gòu)對(duì)水體中不同污染物,尤其是氮、磷等具有良好的吸收作用[7]。

3.2 凈化效果

自2010年小沿河水源地水體生態(tài)凈化工程實(shí)施以來(lái),小沿河水質(zhì)有了明顯好轉(zhuǎn)。據(jù)2010年、2011年全年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料計(jì)算,小沿河一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)2個(gè)斷面的水質(zhì)情況見(jiàn)表2?？梢钥闯?目前小沿河取水口處水質(zhì)已基本穩(wěn)定并能達(dá)到地表III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 工程運(yùn)行期間小沿河水質(zhì)情況表mg/L

4 工程關(guān)鍵問(wèn)題探討

4.1 物種配置

水生植物是生態(tài)凈化技術(shù)的核心與特色所在,不同水生植物的生活型、生長(zhǎng)周期、生長(zhǎng)條件不同,由其構(gòu)成的凈化系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的改善特征也不同。小沿河工程在物種配置上遵循了4個(gè)方面的要求:①功能性:所選植物能耐受貪營(yíng)養(yǎng)水體,在這種環(huán)境下能生長(zhǎng)良好,有為微生物提供附著界面的龐大根系,有較強(qiáng)的輸氧能力;②多樣性:不同水生植物對(duì)不同污染因子的凈化能力并不相同,本研究選取了不同生活型多種水生植物,所組成的植物群落具有更高的穩(wěn)定性,易于建立完整穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)[8];③長(zhǎng)期性:不同水生植物有著不同的生活史,為保證生態(tài)凈化系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定,在物種配置上應(yīng)注意其生長(zhǎng)周期的交替更新。以沉水植物為例,小沿河工程配置的伊樂(lè)藻、水毛茛在冬春季生長(zhǎng)旺盛,輪葉黑藻、狐尾藻、刺苦草、龍須眼子菜的則在夏秋季生長(zhǎng)旺盛,生長(zhǎng)周期的更替能確保生態(tài)系統(tǒng)的活力,維持系統(tǒng)的凈水穩(wěn)定性;④地域性:小沿河工程選取的物種大多數(shù)為土著種,所構(gòu)成的植物群落能更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、對(duì)病蟲害有較強(qiáng)的抵抗力、人工管理較為容易。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控及維護(hù)

在水生植物種植完畢后,應(yīng)當(dāng)對(duì)初步建立的水生生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)和調(diào)控,根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性地對(duì)生態(tài)凈化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)人為引導(dǎo)、營(yíng)造適宜條件以激發(fā)生態(tài)系統(tǒng)自身的活力。小沿河工程在運(yùn)行過(guò)程中,重點(diǎn)進(jìn)行了以下工作:①觀察水生植物的存活情況,必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)種及物種更替;②對(duì)生長(zhǎng)過(guò)于旺盛或處于衰敗期的水生植物進(jìn)行人工控制或打撈。植物殘?bào)w若不能及時(shí)人工移出,經(jīng)過(guò)植物富集的污染物質(zhì)會(huì)隨著植物細(xì)胞的分解重新回到水體中形成二次污染。此外,在生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建的前期或應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染事件時(shí),以及需要進(jìn)行植物病蟲害防治、外來(lái)物種防治時(shí),適當(dāng)?shù)妮o助措施也必不可少。

4.3 水體青苔的防治

水體青苔是絲狀藻等低等水生植物的俗稱,主要附著在水草葉片及石頭上,以綠色品種居多,外形多半為棉花狀、線狀、網(wǎng)狀或刷狀。水體青苔可從水體理化性質(zhì)、沉水植物、水生動(dòng)物等多種途徑影響水生態(tài)系統(tǒng)[9],進(jìn)而影響水質(zhì)生態(tài)凈化效果,目前國(guó)內(nèi)對(duì)該問(wèn)題的研究幾乎空白。在農(nóng)業(yè)及水產(chǎn)領(lǐng)域,青苔主要依靠施用化學(xué)藥劑控制[10],而小沿河作為特殊的敏感水體,常規(guī)化學(xué)方法不適用。為找到適用于水源地的青苔防治方法,小沿河工程嘗試采用了:①合理提高挺水、濕生植物種植密度以阻礙青苔的光合作用;②定期收割生長(zhǎng)過(guò)于旺盛的沉水植物以減少青苔的附著基質(zhì);③在早春及晚秋青苔易發(fā)期提前進(jìn)行打撈,防止青苔蔓延。上述方法有效地控制了水體青苔的爆發(fā)。

5 結(jié) 語(yǔ)

一切水質(zhì)問(wèn)題都是不健全、不完整的水生生態(tài)系統(tǒng)的表現(xiàn)。若輔以適當(dāng)?shù)娜斯ご胧?促使當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù),水質(zhì)也將會(huì)逐漸改善。小沿河工程是以自然河道生態(tài)系統(tǒng)為模板,先通過(guò)人工引種營(yíng)造合理生境等工程措施,恢復(fù)河道水生植物系統(tǒng),然后采用生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控手段,使小沿河內(nèi)部逐漸形成良性演替、動(dòng)態(tài)平衡的水生生態(tài)系統(tǒng)。這樣能產(chǎn)生水質(zhì)凈化的即時(shí)效果,更能增強(qiáng)當(dāng)?shù)厮w生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而抵御、降低外來(lái)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn),保障飲用水體的安全。

水源地水體的生態(tài)凈化工程目前在國(guó)內(nèi)尚處在起步階段,許多問(wèn)題尚在探索過(guò)程中。在今后水源地保護(hù)工作中,采取更為生態(tài)的工程方法,幫助當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初始、自然的狀態(tài),從根源上解決水質(zhì)安全問(wèn)題。

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