生態(tài)浮床在東南沿海水源地水庫(kù)中的應(yīng)用

張榮臻，張 斌，周慧慧

（1.溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江 溫州 325000；2.樂(lè)清市水利局，浙江 樂(lè)清 325600）

1 問(wèn)題的提出

東南丘陵山區(qū)是我國(guó)水庫(kù)最為集中的區(qū)域，其中浙江省水庫(kù)總庫(kù)容最大[1]，承擔(dān)著洪汛調(diào)度、供水灌溉等功能，其地理位置和功能作用的特殊性，形成了和其他城市河道不同的特殊氣候、水文、生態(tài)系統(tǒng)等特征。水庫(kù)水體的理化指標(biāo)和徑流來(lái)水水量水質(zhì)隨著季節(jié)變化而變化，有明顯的季節(jié)性，特別是夏季，水面受陽(yáng)光直曬，熱分層效應(yīng)明顯，水溫、流態(tài)、pH、DO、Eh等理化因子發(fā)生變化，造成水庫(kù)中外源性和內(nèi)源性污染物發(fā)生遷移變化，且機(jī)理復(fù)雜，容易造成富營(yíng)養(yǎng)化污染，甚至沉積物中Fe、Mn元素的釋放。根據(jù)2015年浙江省環(huán)境狀況公報(bào)顯示，浙江省水源地水庫(kù)水質(zhì)總體良好，主要為II類，雖能夠達(dá)到水功能區(qū)的要求，但絕大多數(shù)水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)化水平較高，若將富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)納入水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)體系，水體水質(zhì)要下降1 ～ 2個(gè)等級(jí)[2]。

生態(tài)浮床作為一種原位水體修復(fù)技術(shù)，有著不占耕地、景觀效果好、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高和修復(fù)作用持久，不添加其他藥劑等優(yōu)點(diǎn)[3]，對(duì)脫氮除磷有著很好的效果，已廣泛應(yīng)用于城市河道生態(tài)修復(fù)。近些年生態(tài)浮床也應(yīng)用于湖泊（水庫(kù)）飲用水水源地，如楊浦水庫(kù)[4]、淀山湖[5]等水源地，將其設(shè)置在支流入庫(kù)口庫(kù)灣處，對(duì)水質(zhì)改善有明顯的作用。

由于東南沿海水庫(kù)容易受臺(tái)風(fēng)的影響，風(fēng)力等級(jí)高，短時(shí)降雨量大，造成庫(kù)面風(fēng)浪極大和水位多變，生態(tài)浮床設(shè)置困難，本文通過(guò)生態(tài)浮床在珊溪水庫(kù)主要支流 — 黃坦坑入庫(kù)口處的應(yīng)用，來(lái)探討浮床植物的篩選和浮床工藝的優(yōu)化。

2 珊溪水庫(kù)應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

2.1.1 氣候與水文

珊溪水庫(kù)位于浙江省南部沿海，總庫(kù)容18億m3，河流型水庫(kù)。流域位于洞宮山與雁蕩山之間，氣候受地形影響顯著，氣候溫暖，雨量充沛，陽(yáng)光充足，四季分明，屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，初春綿綿小雨，春末夏初“梅雨”持續(xù)，夏季副高天氣悶熱，多雷雨和臺(tái)風(fēng)，冬季晴冷為主，微量雨雪。多年平均氣溫19.6 ℃，月平均氣溫最高29.5 ℃（7月份），極端最高溫度為43.4 ℃（1956年7月10日）；月平均氣溫最低9.5 ℃（1月份），極端最低溫度為- 1.0 ℃（1955年1月22日）。多年平均日照1 887 h。多年平均水溫19.6 ℃，月平均水溫最高32.7 ℃，最低7.8 ℃。臺(tái)風(fēng)頻繁，常有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在附近沿海登陸，歷年平均風(fēng)速1.8 m/s，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速26.5 m/s。多年平均降雨量1 876.9 mm，4 — 9月雨量集中，占全年74.7%，多年平均降水日149 d，最多184 d，最少80 d。

2.1.2 污染狀況

黃坦坑是珊溪水庫(kù)14條主要入庫(kù)支流中污染最嚴(yán)重的支流，屬于劣V類，2010 — 2011年入庫(kù)口處葉綠素a最高值達(dá)85 mg/m3，pH值最高值達(dá)到9以上，浮游植物高達(dá)78.11×105個(gè)/L，其中綠藻、硅藻、藍(lán)藻、隱藻為主，6月整個(gè)水域出現(xiàn)綠色漂浮帶，水質(zhì)呈富營(yíng)養(yǎng)化污染。主要污染源為畜禽養(yǎng)殖行業(yè)，黃坦坑流域是文成縣主要畜禽養(yǎng)殖基地，并且果園茶園過(guò)度開發(fā)，垂釣捕魚盛行，污水處理設(shè)施落后。

溫州市委、市政府為保護(hù)溫州市500萬(wàn)人民的大水缸，以鐵的手腕進(jìn)行珊溪水源保護(hù)五大工程建設(shè)（生活污水治理、生活垃圾治理、畜禽養(yǎng)殖行業(yè)取締、生態(tài)河道修復(fù)、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)），特別是對(duì)于畜禽養(yǎng)殖行業(yè)取締，大大削減了污染物含量，表1為黃坦坑入庫(kù)口2010年（治理前）和近3 a（治理后）的年平均水質(zhì)數(shù)據(jù)。

表1 黃坦坑入庫(kù)口水質(zhì)情況表 mg/L

2.2 設(shè)計(jì)方案

珊溪水庫(kù)黃坦坑入庫(kù)口生態(tài)浮床系統(tǒng)由浮盤（床體）、PVC框架、陶粒基質(zhì)、繩索錨固裝置，以及浮床植物組成，同時(shí)周邊布置太陽(yáng)能自動(dòng)曝氣裝置。浮床植物采用了美人蕉 + 再力花 + 黃菖蒲的植物組合。浮床單體面積達(dá)10 000 m2，設(shè)置于珊溪水庫(kù)主要支流黃坦坑入庫(kù)口位置。

2.2.1 植物篩選

生態(tài)浮床植物篩選原則一般從植物生長(zhǎng)習(xí)性、去污能力、管理維護(hù)3個(gè)方面考慮。浮床植物應(yīng)具備：①能夠在水面長(zhǎng)期生長(zhǎng)，適應(yīng)濕生或者水生環(huán)境；②根系發(fā)達(dá)、具有較高的干生物累積量以及較強(qiáng)的抗污能力，能夠及時(shí)去除水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，保證水質(zhì)；③具備較強(qiáng)的抗病蟲能力，能夠自然過(guò)冬，最好是多年生植物，方便管理。

針對(duì)沿海大型水庫(kù)因臺(tái)風(fēng)天氣、風(fēng)浪、水深，交通不便等特殊的氣候和水文特質(zhì)，浮床植物還需要具備以下條件[4-6]：①沉水植物不宜考慮，一般選擇挺水植物；②浮床植物高度不宜過(guò)高，具備較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，且不宜考慮漂浮植物，在風(fēng)浪較大情況下極易逃逸；③生長(zhǎng)速率不宜過(guò)快，收割頻次過(guò)高，維護(hù)成本較大，若未能及時(shí)收割植物腐爛容易造成二次污染；④庫(kù)區(qū)一般處于生態(tài)敏感區(qū)，一般不引入外來(lái)物種，以防破壞現(xiàn)有的生態(tài)平衡。

有研究表明有240種植物可以用于生態(tài)浮床[7]，在東南沿海地區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，一般水生植物都能適應(yīng)。本方案采用了較為常見的3種浮床植物，分別為美人蕉、再力花、黃菖蒲，其生長(zhǎng)習(xí)性、去污凈水能力、運(yùn)行管理等特點(diǎn)如下：

（1）生長(zhǎng)習(xí)性。美人蕉、再力花、黃菖蒲均屬于多年生挺水植物，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)。有研究表明植物體內(nèi)過(guò)氧化物酶活性高低是植物適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)弱的生理指標(biāo)之一，美人蕉和再力花的過(guò)氧化物酶較其他植物要高，表現(xiàn)出了環(huán)境的強(qiáng)適應(yīng)力[8]。但是美人蕉、再力花耐寒性不強(qiáng)，在冬季霜期來(lái)臨時(shí)，難以越冬，美人蕉在5 ℃的水面出現(xiàn)生長(zhǎng)不佳，黃菖蒲在南方可以自然過(guò)冬，可作為美人蕉和再力花在冬季的補(bǔ)充。華東、華南沿海等地氣候溫暖，雨量充沛，一般水生植物均能很好的生長(zhǎng)，主要是冬季，植物要能夠自然過(guò)冬，能夠抵御寒冷和霜期，可以選取一些性喜寒冷的植物，如黃菖蒲（黃花鳶尾）、西伯利亞鳶尾[9]等耐寒性植物作為補(bǔ)充。

（2）去污凈水能力。水質(zhì)凈化主要由植物吸收、根系過(guò)濾、植物與微生物的協(xié)同作用3部分組成。植物通過(guò)根系從水體中吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，然后通過(guò)收割將營(yíng)養(yǎng)鹽從水體中去除，植物吸收營(yíng)養(yǎng)物的強(qiáng)弱可能和根系附近的基質(zhì)脲酶和基質(zhì)磷酸酶活性有關(guān)，美人蕉和再力花有著較高的基質(zhì)脲酶和基質(zhì)磷酸酶活性[8]。有研究表明浮床植物根系分泌物有利于微生物生長(zhǎng)，植物通過(guò)光合作用，將氧氣傳送至根系，形成好氧 — 缺氧 — 厭氧微環(huán)境，相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)微小的A2O工藝串聯(lián)并聯(lián)[10]，對(duì)根系以及基質(zhì)吸附富集的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行脫氮除磷和降解。美人蕉、再力花有著很強(qiáng)的根系輸氧能力[11]，黃菖蒲有著發(fā)達(dá)的根系和豐富的根系微生物且種植密度高[12]，都是去除氮、磷的優(yōu)良植物。同時(shí)，浮床植物增加了水體物種的多樣性，抑制藻類生長(zhǎng)。其抑藻原理[5，13]，主要有：①浮床植物和浮游植物（藻類）對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)；②浮床植物化感物質(zhì)的分泌；③浮床為濾食性浮游動(dòng)物提供避難所，浮游植物被捕食。

有研究表明，黃菖蒲、美人蕉有一定的Mn富集能力[14-15]，以預(yù)防水庫(kù)錳超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，Mn作為地表第二大金屬元素，一旦水庫(kù)出現(xiàn)季節(jié)性缺氧和藻類增殖超過(guò)水庫(kù)生態(tài)負(fù)荷，藻類大量死亡下沉，使水體氧化還原電位發(fā)生改變，內(nèi)源性Mn從氧化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)，顆粒態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài)[17]；加上水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，臺(tái)風(fēng)暴雨等天氣，大量土壤通過(guò)徑流進(jìn)入水庫(kù)，農(nóng)藥化肥中成分復(fù)雜，大量有機(jī)質(zhì)進(jìn)入水庫(kù)，使原土壤以及水庫(kù)中的內(nèi)源性Mn溶解，造成Mn含量超標(biāo)。

水生植物在不同的環(huán)境中表現(xiàn)出不同的去污能力，因?yàn)椴煌h(huán)境有不同的氣候條件、水力條件、風(fēng)浪等級(jí)，以及自然水體理化因子，如不同氮、磷比，會(huì)影響浮床植物生長(zhǎng)，如磷為再力花的限制因子，氮為美人蕉和黃菖蒲的限制因子[5]。生態(tài)浮床的去污能力還和植物品種、生長(zhǎng)速率、種植密度有關(guān)，不能僅看單株植物的氮、磷累積量或者單位干物質(zhì)的氮、磷含量，并且對(duì)于浮床的日常運(yùn)行管理也十分重要。

（3）運(yùn)行管理。應(yīng)用于水庫(kù)的生態(tài)浮床植物一定要便于管理，如漂浮植物因風(fēng)浪大極易逃逸，沉水植物受水深影響，一般不采用，且不宜采用生長(zhǎng)過(guò)快的植物。本工程試運(yùn)行時(shí)采用空心菜，其生長(zhǎng)十分迅速，去污能力很強(qiáng)，但是需頻繁收割，運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，因此生長(zhǎng)速度過(guò)快的植物也不利于在水庫(kù)中的應(yīng)用；并且由于其匍匐生長(zhǎng)，受到水庫(kù)中魚類攻擊，大量植株被拖入水體，漂浮物捕撈不及時(shí)造成二次污染。從其他水庫(kù)生態(tài)浮床經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，魚類攻擊浮床植物也是管理中的常見問(wèn)題[6]，魚類資源豐富的水庫(kù)盡量少選擇匍匐生長(zhǎng)植物。

從以上分析和工程實(shí)踐看來(lái)，本方案的植物配置較為合理，美人蕉、再力花的強(qiáng)適應(yīng)能力和去污能力，能夠基本保證水質(zhì)，黃菖蒲的耐寒性可作為美人蕉和再力花在冬季的補(bǔ)充，并且黃菖蒲、美人蕉有一定的錳富集能力，可預(yù)防水庫(kù)錳超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 浮床工藝

生態(tài)浮床作為一個(gè)系統(tǒng)，浮床植物僅僅是其中一個(gè)環(huán)節(jié)，凈水能力還與受試水體、栽培季節(jié)、浮床工藝等影響[14]，因此還需注重浮床工藝的優(yōu)化創(chuàng)新，如采用組合式浮床工藝提升去污效果，選擇優(yōu)良性能的基質(zhì)、填料強(qiáng)化去污功能，優(yōu)化浮床結(jié)構(gòu)增加抗風(fēng)浪能力等。

2.2.2.1 組合式浮床工藝

組合式工藝指的就是將傳統(tǒng)的植物浮床和生物膜處理技術(shù)相結(jié)合，根系微生物脫氮除磷在生態(tài)浮床的去污作用占了很大的比重，但由于水源地水體營(yíng)養(yǎng)物低，根系微生物不夠豐富，一般通過(guò)添加基質(zhì)或者填料，基質(zhì)（填料）利用高比表面積吸附富集營(yíng)養(yǎng)物，同時(shí)作為微生物生長(zhǎng)載體，形成生物膜，利用根系、基質(zhì)（填料）和微生物的耦合、協(xié)同機(jī)制去除水體中營(yíng)養(yǎng)物，本方案采用了陶粒這種常見的無(wú)機(jī)基質(zhì)，它具有穩(wěn)定、無(wú)害、高比表面積的特點(diǎn)。

對(duì)于組合式浮床工藝，最關(guān)鍵的是基質(zhì)（填料）的選擇，一般采用比表面積大，生物親和性強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的污染物富集能力和生物載體的優(yōu)良品種。除了和本方案一樣的陶粒無(wú)機(jī)基質(zhì)，還有球型填充型[18]或者仿水草懸掛型[19]的高分子有機(jī)合成填料。學(xué)者們也在嘗試一些天然材料作為基質(zhì)，如天然纖維素物質(zhì)[20-21]，其天然親水性和生物親和性，能很好地完成掛膜，并且水源地水體中可能碳源不足，C/N較低，天然纖維素還可以按照微生物需求生物釋碳，提供碳源；生物炭[22]的易塑特性可以用于固定植物，在具備強(qiáng)大的吸附能力的同時(shí)，含有天然微量元素，可以提供植物生長(zhǎng)。近些年也有浮床植物 + 籠養(yǎng)濾食性水生生物 + 懸掛填料的立體式浮床工藝[23]，增加了物種的多樣性，為水體提供一個(gè)更加穩(wěn)定的生態(tài)圈。

2.2.2.2 浮床材質(zhì)與結(jié)構(gòu)

對(duì)于應(yīng)用于水源地水庫(kù)的浮床而言，其材質(zhì)的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性十分重要，床體、框架的材質(zhì)必須無(wú)毒、穩(wěn)定。本方案采用了UPVC管框架和食品級(jí)的床體（浮盤），以保障水質(zhì)安全。結(jié)構(gòu)框架要有足夠的浮力和強(qiáng)度，金屬?gòu)?qiáng)度雖高但浮力小，竹排浮力小但容易腐爛，因此一般采用PVC，成本低、管理方便。也有不采用框架的，如采用椰絲纖維縫合而成的床體形成無(wú)框型浮島[24]，在景觀上則顯得更為自然，但是在強(qiáng)度及使用時(shí)間上不及有框式的。

水庫(kù)中的浮床還需加強(qiáng)錨固和配備消浪裝置，如采用PVC材質(zhì)的浮球連接作為防浪墻[25]，浮床外圍布置竹排作為消浪排[7]，緩解水流。本方案繩索抗拉力達(dá)240 kN，可以抵抗大風(fēng)而不至于飄走，并以PVC浮球作為防浪墻。

2.3 浮床運(yùn)行效果

入庫(kù)口浮床上游與浮床處水質(zhì)變化見表2，生態(tài)浮床對(duì)水質(zhì)凈化起到了不錯(cuò)的效果。

表2 入庫(kù)灣水質(zhì)變化情況表 mg/L

3 結(jié)論與展望

（1）以配置美人蕉、再力花、黃菖蒲，并以陶瓷為基質(zhì)的生態(tài)浮床，運(yùn)行管理便利。鑒于生態(tài)浮床在黃坦坑入庫(kù)口的成功運(yùn)行，珊溪水庫(kù)另外一條主要支流 — 莒江溪入庫(kù)口處擬建設(shè)生態(tài)浮床，規(guī)模為30 000 m2。

（2）在東南沿海水庫(kù)生態(tài)浮床的應(yīng)用中，植物篩選應(yīng)注意耐寒性，浮床工藝上應(yīng)注意抗風(fēng)浪性，運(yùn)行管理時(shí)收割植物的及時(shí)性。

（3）生態(tài)浮床工藝作為一種兼具去污和景觀功能的水體修復(fù)技術(shù)，有著很大的應(yīng)用前景。今后的研究趨勢(shì)應(yīng)注重生態(tài)浮床新工藝的探索，研發(fā)優(yōu)良生物載體的基質(zhì)（填料），優(yōu)化組合式浮床工藝，以及開發(fā)新型抗風(fēng)浪裝置。

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