梯級溢流堰對入湖河流水環(huán)境的影響

張邦喜，秦 松，夏品華，林 陶

(1．貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州 貴陽550006;2．貴州師范大學 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，貴州 貴陽550001)

(責任編輯 徐素霞)

河流是水循環(huán)中重要的一環(huán)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)的主要通道，健康的河流能夠提供食物、工農(nóng)業(yè)及生活用水，還具商業(yè)、交通、休閑娛樂等諸多服務功能。然而河流生態(tài)系統(tǒng)比較容易受到外來污染的影響，并且一旦發(fā)生污染，很容易波及整個流域，因而采取有效治理措施使被污染的河流水體變成可利用的資源是當今環(huán)境科學、水域生態(tài)學研究的熱點問題［1］。

河道溢流堰技術是直接在河床上建堰攔水，通過重力沉降、植物吸收和微生物降解等作用對水質(zhì)進行凈化，從而改善河流生態(tài)環(huán)境的方法，具有成本低、運行管理簡單、能持續(xù)發(fā)揮水質(zhì)凈化作用等優(yōu)點，因此成為城市污染河水處理的優(yōu)選技術［2-5］。然而，把這種技術用于喀斯特山區(qū)污染河流治理，在國內(nèi)外還少見報道。為此，本文以百花湖水庫麥西河河道生態(tài)修復集成技術研究與示范為例，針對百花湖水庫入庫河流麥西河水體富營養(yǎng)化嚴重和生態(tài)環(huán)境嚴重退化等主要環(huán)境問題，通過布設麥西河生態(tài)工程措施，建設有魅力的水邊空間，恢復和創(chuàng)造有生命的河流，使河流的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)得到改善，旨在為今后山區(qū)污染河道的生態(tài)修復和水資源的綜合管理與治理提供理論依據(jù)和技術指導。

1 工程概況

1．1 工程簡介與設計

貴州是一個海拔較高、緯度較低、喀斯特地貌典型發(fā)育的山區(qū)省份，河流、溝渠落差大;氣候具有典型的高原性季風氣候特點，系亞熱帶濕潤溫和型氣候。根據(jù)山區(qū)河流天然落差大，具有建設梯級溢流堰以凈化水質(zhì)的優(yōu)勢，將麥西河全長約1 300 m 的河道，自上游到下游劃分為5 個區(qū)段(如圖1)，修筑梯級溢流堰系統(tǒng)，自2010年5月3日開始構建，至6月20日完成。另外，該河流直接進入百花湖(水庫)水源保護區(qū)，為保障出水質(zhì)量，采用人工輔助手段恢復河流植被生態(tài)系統(tǒng)，通過優(yōu)化設計，實現(xiàn)物理沉降、自然曝氣、微生物、水生植物、水生動物和基質(zhì)的有機結合，共同構成一個復雜的河流系統(tǒng)，以較大程度地增加工程生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，從而使整個系統(tǒng)具有較強的抗污染負荷沖擊的能力。

圖1 麥西河梯級溢流堰系統(tǒng)

1．2 河道構建

整個系統(tǒng)分為5 個梯級單元，各級單元參數(shù)見表1。通過工藝和結構優(yōu)化，集成了溢流堰-人工濕地工藝的組合優(yōu)勢，溢流堰串聯(lián)延長水力滯留時間，發(fā)揮物理沉降和厭氧消化功能;利用河道地形落差大的特點進行跌水曝氣、滾水壩曝氣，增加水體的溶解氧(DO)含量，提高水體自凈能力［6-7］。

表1 溢流堰參數(shù)特征

1．3 河道植被構建

梯級溢流堰建成后，示范區(qū)河段環(huán)境和景觀有明顯的改變，河面變寬，水域面積增大，一些濕生及挺水植物(如莎草科和禾本科的多種植物)開始生長，但由于所選河段污染嚴重，未見沉水植物，故采用人工輔助恢復的手段，選擇凈化能力強、環(huán)境適宜的植物進行河道修復，分期引種了挺水植物(如美人蕉、蘆葦、菖蒲和茭白等)、沉水植物(如菹草、苦草、黑藻、輪藻、金魚藻、眼子菜、茨藻等)，以豐富植物的多樣性，完善河道植物群落結構，恢復河道植被生態(tài)系統(tǒng)。其次，對必要河段進行底泥清淤，清理了河道固廢垃圾及水花生。最后，沿岸種植了楊樹、柳樹等植物。待水生植物基本恢復后開始監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)試驗區(qū)域內(nèi)共有濕生植物17種，其中沉水植物7 種、挺水植物3 種、浮水植物3 種、河岸帶濕生植物4 種。根據(jù)水生植物分布(表2)可以看出，dam5 溢流堰中水生植物的種類多于其余滯留塘，說明梯級溢流堰對水生植物的生境有一定的改善作用［8］。

表2 各采樣點濕生植物種類組成

2 工程實施效果分析

2．1 工程實施后水環(huán)境條件的變化特征

工程建成、植物群落恢復穩(wěn)定后，在S 點進水處和dam1、dam2、dam3、dam4、dam5 滾水壩出水處設采樣點，于2010年7月至2011年7月每月監(jiān)測1 次。從1年的監(jiān)測均值(見圖2)來看，水體經(jīng)梯級溢流堰系統(tǒng)后DO 濃度均大幅增加，分析原因為:水流經(jīng)梯級溢流堰的水壩曝氣及系統(tǒng)內(nèi)各種水生植物根部向水體輸送氧氣，增加了水體溶解氧含量。而系統(tǒng)進出水pH 值基本上在7 ～8 之間變化，沒有大的波動，這表明梯級溢流堰對河水pH 值影響較小。

圖2 溢流堰系統(tǒng)各采樣點溶解氧濃度和pH 值變化

2．2 工程實施后水體營養(yǎng)鹽的去除效果

工程實施后系統(tǒng)中水生植物對水體營養(yǎng)鹽地球化學循環(huán)過程的影響，除通過直接的同化吸收外，更主要的是通過環(huán)境條件改變來加強營養(yǎng)鹽的轉化過程的［9-10］。試驗河段水質(zhì)改善工程經(jīng)過1年的運行之后，各采樣點各參數(shù)的年平均值變化趨勢如圖3?？梢钥闯?，受污河水流經(jīng)梯級溢流堰系統(tǒng)后，總體上營養(yǎng)鹽濃度在降低。其中，總氮從9．59 mg/L 降低到4．05 mg/L 左右，氨氮從3．52 mg/L 降低到0．99 mg/L 左右，懸浮物從17 mg/L 降低到7 mg/L 左右，化學耗氧量從16 mg/L 降低到6 mg/L 左右，總磷從0．42 mg/L降低到0．1 mg/L 左右，可溶性總磷從0．33 mg/L 降低到0．08 mg/L左右。另外，從各級溢流堰出水營養(yǎng)鹽年平均含量變化來看，各級溢流堰與整個系統(tǒng)對營養(yǎng)鹽的去除效果有所不同，有些溢流堰出水營養(yǎng)鹽年平均值未呈現(xiàn)梯級下降的趨勢，這一現(xiàn)象的存在可能是各級溢流堰內(nèi)的水生植物恢復數(shù)量及其對受污水體的滯留時間不同所致，并受河岸兩側的農(nóng)田滲流等因素的影響，這也是河道污染物輸入呈現(xiàn)波動的主要原因［11-12］。1年的試驗結果表明，梯級溢流堰系統(tǒng)對于山區(qū)河道受污水體有較好的去除效果，其對受污水體的凈化效果要顯著優(yōu)于單個溢流堰系統(tǒng)。

圖3 生態(tài)修復工程實施后各采樣點水質(zhì)參數(shù)變化

2．3 工程實施前后水體營養(yǎng)鹽的去除效果

圖4 河道梯級溢流堰系統(tǒng)實施前后各水質(zhì)參數(shù)去除率

將試驗工程完成后的一年與試驗工程實施前一年的水質(zhì)指標進行對比可知，富營養(yǎng)化指標存在明顯的區(qū)別(圖4)，除工程實施前未監(jiān)測的可溶性總磷及可溶性總氮外，工程實施后總磷、總氮、氨氮、有機質(zhì)、懸浮物的年平均去除率分別為76．62%、57．77%、71．96%、61．38%和59．60%，按去除率排序為總磷＞氨氮＞有機質(zhì)＞懸浮物＞總氮。同時，對比前后兩年的水質(zhì)指標發(fā)現(xiàn)，除懸浮物濃度外，幾乎所有水質(zhì)指標工程完成后的一年都好于工程實施前，好轉的幅度為17% ～71%。工程實施后，懸浮物年平均去除效果反而較差，可能與工程實施后河道水面拓寬、拓深，水質(zhì)明顯好轉，魚蝦重現(xiàn)，河道兩側小孩嬉水，致使植物截留的懸浮物及沉積物再懸浮有關［13］?？偟膩砜?，河道生態(tài)工程的實施改善了入湖/庫河道受污水體水質(zhì)，為周圍居民提供了休閑空間，在生態(tài)教育等方面具有廣泛的社會價值。

3 結 論

(1)該系統(tǒng)根據(jù)當?shù)氐匦温洳畲蟮奶攸c，利用河道進行跌水曝氣，無需動力。

(2)通過工藝和結構優(yōu)化，集成了溢流堰-人工濕地工藝的組合優(yōu)勢，溢流堰串聯(lián)延長水力滯留時間，發(fā)揮物理沉降和厭氧消化功能，可攔截大部分漂浮雜物及懸浮物。

(3)在溢流堰內(nèi)種植各種水生植物，不僅可以直接利用氮磷營養(yǎng)物質(zhì)、補充氧氣、美化環(huán)境，還可給微生物提供附著載體，提高凈化效率。另外，溢流堰內(nèi)還可以放養(yǎng)魚，為農(nóng)民增收，其出水灌溉還可以緩解農(nóng)村用水緊張問題。

(4)不投放藥劑，無二次污染，管理運行簡便，無需專人管理和運行經(jīng)費，處理效果穩(wěn)定可靠，這是貧困山區(qū)農(nóng)村污水處理良好運行的保證。

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