滇池草海湖內(nèi)前置庫構(gòu)建技術(shù)對湖泊水質(zhì)改善效果的研究

趙祥華，葛 銳，杭利民，侯 娟，聶 云

(1.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650034；2.昆明滇池湖泊治理開發(fā)有限公司，昆明 650228)

1 引 言

滇池位于云貴高原中部，湖容量12.9億m3，是云南省最大的淡水湖。草海是滇池流域的重要組成部分，位于滇池流域北部，其湖域深入昆明市城區(qū)，是重要的城市湖泊。草海流域是滇池流域中受人為干擾最為嚴重的水域，水面面積占滇池水面面積2.5%，接納滇池流域約29.16%的污水，水質(zhì)現(xiàn)狀為劣V類。

根據(jù)相關(guān)的研究，滇池草海2002～2014年的年均值水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，草海流域中的第二類污染物是主要污染物，其水質(zhì)波動的主要因素是富營養(yǎng)類污染物，特征污染物是總磷和總氮，說明氮磷是流域污染控制重點[1]。滇池草海水體在高氮磷比的時間段，綠藻生長占優(yōu)勢，滇池水體中綠藻比藍藻更適合高氮磷比的環(huán)境，說明滇池水體中營養(yǎng)鹽對浮游藻類結(jié)構(gòu)的影響較大[2]。草海湖體TN、TP收支平衡結(jié)果表明，經(jīng)出湖口排出和水體庫存的TN量占入湖TN量比例較小，鳳眼蓮的吸收及發(fā)達根部形成的生物膜降解作用是入湖TN量去除的重要途徑之一，說明鳳眼蓮對總氮具有良好的削減作用[3]。

東風(fēng)壩與滇池草海水體相對分割，形成半封閉內(nèi)湖，東風(fēng)壩和草海流域的環(huán)境容量均為零。新運糧河、老運糧河水量較大，是草海的入湖河流，也是草海污染物的主要輸送通道。經(jīng)研究分析，可利用東風(fēng)壩水域構(gòu)建湖內(nèi)前置庫，通過導(dǎo)流將兩條河流水體導(dǎo)進前置庫凈化，減少負荷，改善草海湖泊水質(zhì)。

2 研究方法

2.1 實驗地點和布局

本實驗布設(shè)于于草海東風(fēng)壩水域。該水域一方面有半封閉東風(fēng)壩水庫，另一方面接受新運糧河、老運糧河的微污染水，微污染水以活水的形式持續(xù)排入草海。草海、東風(fēng)壩、新老運糧河口位置關(guān)系，見圖1。

圖1 草海、東風(fēng)壩、新老運糧河位置關(guān)系Fig.1 Location relationship between Caohai, dongfeng dam, old and new grain transportation river

2.2 湖內(nèi)前置庫構(gòu)建

湖內(nèi)前置庫。東風(fēng)壩歷史上是圍草海造出來的大魚塘，后實行退塘還湖后，除有兩個破口與草海聯(lián)通外，基本無進出水，是一相對半封閉的水域，處于閑置狀態(tài)。本實驗將將東風(fēng)壩考慮成前置庫具有創(chuàng)新的想法，根據(jù)新運糧河及老運糧河入湖河口、東風(fēng)壩的位置相互關(guān)系，將新運糧河及老運糧河微污染水導(dǎo)流至東風(fēng)壩內(nèi)，東風(fēng)壩南岸設(shè)置出口及溢流閘，實現(xiàn)對來水的調(diào)控及凈化，湖內(nèi)前置庫分布見圖2。該系統(tǒng)充分利用閑置的東風(fēng)壩水域(面積2.68km2)，配置挺水植物、漂浮植物、沉水植物水生生物系統(tǒng)，構(gòu)建草海湖內(nèi)前置庫。工藝流程見圖3。

圖2 湖內(nèi)前置庫分布圖Fig.2 Distribution of the inner pre-reservoir

圖3 工藝流程示意圖Fig.3 Process diagram

湖內(nèi)前置庫構(gòu)建。分別由河口導(dǎo)流圍堰工程[4](湖內(nèi)導(dǎo)流圍堰設(shè)計圖見圖4)、東風(fēng)壩開口及堵口工程、東風(fēng)壩出口及溢流閘門、東風(fēng)壩水域水生植物種植及修復(fù)工程等4個部分組成，前置庫工藝構(gòu)建見圖5。

圖4 湖內(nèi)導(dǎo)流圍堰設(shè)計圖Fig.4 Layout of the inner pre-reservoir cofferdam

圖5 湖內(nèi)前置庫構(gòu)建圖Fig.5 Construction of the inner pre-reservoir

2.3 湖內(nèi)前置庫植物搭配

根據(jù)研究鳳眼蓮可實現(xiàn)草海水質(zhì)中氮的大規(guī)模去除[5]，不同生活型水生植物(漂浮植物鳳眼蓮、浮葉植物睡蓮和菱角、沉水植物黑藻)對調(diào)節(jié)水體理化環(huán)境因素的能力有所差異，這會間接導(dǎo)致其調(diào)節(jié)水體氮生物轉(zhuǎn)化過程的程度差異[6]。本實驗水生植物物種搭配，主要以鳳眼蓮為主，挺水植物蘆葦、水蔥種植在前置庫邊上淺水區(qū)，浮葉植物睡蓮、莕菜做點綴。水生植物植物及修復(fù)工程總面積為1 301.7畝，其中鳳眼蓮種植區(qū)面積1 022.6畝，蘆葦51.7畝，莕菜133.9畝，水蔥52.8畝，睡蓮40.7畝。蘆葦、水蔥主要布置在靠岸一側(cè)淺水區(qū)，深度不超過0.5m，由于東風(fēng)壩水下地形較為平坦，水深平均在2.5m左右，因此結(jié)合滇池圈養(yǎng)鳳眼蓮經(jīng)驗[7]，種植大面積的鳳眼蓮，鳳眼蓮采用圈養(yǎng)形式。

2.4 來水量及停留時間

水量。兩條河旱季進入草海的水量為31萬m3/d，其中新運糧河10萬m3/d(昆明市第九污水處理廠尾水)、老運糧河21萬m3/d(第三污水處理廠尾水)，這些微污染水占草海流域年供水量的50%。

流速。入湖河口水文數(shù)據(jù)顯示，新運糧河2a洪峰流量29.1m3/s，流速0.85m/s。老運糧河2a洪峰流量14.1m3/s，流速0.57m/s。

停留時間。前置庫停留時間為20天。

2.5 TN、TP收支平衡計算

湖庫TN、TP收支平衡，是指單位時間內(nèi)TN、TP輸入量、輸出量間的關(guān)系[8]。進入前置庫的TN、TP 一部分在前置庫積累，通過水體物理、化學(xué)和生物的凈化過程，均勻地分布在水體或者沉積至湖底淤泥和吸收至生物體內(nèi)，少量通過出湖水量和蒸發(fā)量帶走。本實驗的湖內(nèi)前置庫TN、TP削減量為新運糧河、老運糧河入庫污染負荷量，與湖內(nèi)前置庫出庫TN、TP量為東風(fēng)壩出口污染負荷量的差值，在此過程中水量基本不變，其中雨水TN、TP 量和蒸發(fā)量基本被忽略。由于前置庫微生物硝化反硝化作用、沉積等其他途徑削減的水體TN、TP 量難以估算，故用出入庫TN、TP量削減量與鳳眼蓮吸收量差值表示。具體計算公式如下：

W=Q×(Cl-C2)×10-6

(1)

式中，W是前置庫TN或TP削減量，t；Q是前置庫來水水量，m3；Cl是來水TN或TP濃度，mg/L，C2是出庫水體TN或TP濃度，mg/L。

M1=A×m(100-Hw) ×w×10-2

(2)

式中M1是鳳眼蓮吸收TN、TP量，t；A為鳳眼蓮覆蓋面積，m2; m是單位面積生物量，kg/m2; Hw是含水率，%；w是植株干物質(zhì)TN、TP質(zhì)量分數(shù)，g/kg[9]。

M2=W-M1

(3)

式中，M2是其他途徑削減水體的TN、TP量，t。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖內(nèi)前置庫對水體pH值的影響

通過滇池水務(wù)水質(zhì)監(jiān)測中心提供的逐月檢測數(shù)據(jù)(見表1)，東風(fēng)壩進水水質(zhì)呈現(xiàn)一定的弱堿性，pH在7.5～8.5之間浮動。經(jīng)前置庫水生植物水質(zhì)凈化后，東風(fēng)壩出口水質(zhì)pH相對穩(wěn)定，仍停留在7.65～8.97之間。表明鳳眼蓮能有效降低水體pH，使之逐漸接近中性，有助于浮游動物、底棲動物的繁殖與生長[10～12]。將pH控制在偏中性范圍內(nèi)，有利于總氮、總磷的去除[13]。

3.2 湖內(nèi)前置庫對水體溶解氧的影響

從圖6可以看出，東風(fēng)壩出口的溶解氧濃度均大于東風(fēng)壩進口的溶解氧濃度，說明湖內(nèi)前置庫可充分利用微污染活水和前置庫生態(tài)系統(tǒng)，增加半封閉水體內(nèi)的溶解氧。

表1 湖內(nèi)前置庫對水體pH的影響Tab.1 The influence of inner pre-reservoir on pH

圖6 湖內(nèi)前置庫對溶解氧的影響圖Fig.6 The influence of inner pre-reservoir on dissolved oxygen

前置庫出口水體溶解氧基本維持在7.0mg/L，說明前置庫相對完整的水生生態(tài)系統(tǒng)，對前置庫內(nèi)的溶解氧具有良好的調(diào)節(jié)作用。實踐證明，當(dāng)鳳眼蓮覆蓋度不超過50%時，鳳眼蓮對湖泊水體復(fù)氧和浮游動物的生長無明顯不利影響，且鳳眼蓮的根系發(fā)達，可為底棲動物提供棲息場所，提高水生生物多樣性，有效改善水體底棲生態(tài)環(huán)境[12]。

3.3 湖內(nèi)前置庫對TP、TN、NH3-N的影響

根據(jù)圖7，自2016年7月至2017年8月，湖內(nèi)前置庫構(gòu)建對TP、TN、NH3-N均有明顯的削減效果明顯，年均削減率分別為38.0%、51.9%、65.7%。說明湖內(nèi)前置庫已建成完善水生生態(tài)系統(tǒng)，水生植物通過生態(tài)吸附、吸收、降解等過程，可有效削減TP、TN、NH3-N等有機污染負荷。因為鳳眼蓮根際微生物群落參與滇池水體的碳、氮和硫循環(huán)[14]，且規(guī)?；仞B(yǎng)鳳眼蓮可削減水體大量的氮、磷，且對全湖水質(zhì)改善具有一定效果[15]。

圖7 湖內(nèi)前置庫對TP、TN、NH3-N的影響Fig.7 The influence of inner pre-reservoir on TP, TN, NH3-N

根據(jù)污染物削減率，可以看出湖內(nèi)前置庫對有機污染負荷的削減能力為TP

湖內(nèi)前置庫構(gòu)建對TP的影響。自2016年7月至2017年2月，歷時8個月，TP月均削減率呈現(xiàn)居高穩(wěn)定的狀態(tài)，與鳳眼蓮出苗期至生長旺盛期對TP的削減規(guī)律一致[18]。

湖內(nèi)前置庫構(gòu)建對TN和NH3-N的影響。湖內(nèi)前置庫對TN和NH3-N的月均削減率波動較大，規(guī)律不是十分明顯。但從東風(fēng)壩出口數(shù)據(jù)可以看出，東風(fēng)壩出口TN和NH3-N濃度數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，其中TN維持在3.3～8.4mg/ L之間，均值為5.6mg/L；NH3-N維持在0.2～1.3mg/ L之間(去除異常值2.3mg/L)，均值為0.7mg/L。說明前置庫內(nèi)已形成完善的水生生態(tài)系統(tǒng)，水生植物、微生物和藻類等對TN、NH3-N的負荷沖擊有強大的調(diào)節(jié)能力。

湖內(nèi)前置庫內(nèi)的水生植物將營養(yǎng)物質(zhì)儲存在植物體內(nèi)。根據(jù)各月湖內(nèi)前置庫的進出水質(zhì)，計算污染負荷年削減量，得到湖內(nèi)前置庫年削減TN855.33 t/a、TP11.18 t/a、NH3-N245.54 t/a，削減量分別占年排放量50.40%、19.76%、36.17%?？紤]鳳眼蓮在不同生長時期對水質(zhì)的影響不同，在生長盛期對水質(zhì)有一定的凈化作用，在生長后期和枯死期又會引起水質(zhì)惡化[17]。為防止水生植物在冬季枯萎死亡，植物殘體遺留至湖泊，加速湖泊沼澤化進程。根據(jù)草海水生植物生長特點，對水生植物進行定期收割打撈，收割打撈時間定為每年12月～次年2月，防止植物腐爛后沉入湖底。這部分削減污染物經(jīng)收集打撈后，送至明波處置基地進行處理，最后運輸至安寧神瑞有機肥廠制作有機肥。

3.4 湖內(nèi)前置庫對COD的影響

根據(jù)圖8，自2016年7月-2017年8月，湖內(nèi)前置庫構(gòu)建出庫COD一定程度增加，特別在6月份雨季時最明顯。經(jīng)分析，與東風(fēng)壩的演變過程有關(guān)，東風(fēng)壩水域曾作為魚塘滿足生產(chǎn)生活需要，但一直沒有開展相關(guān)內(nèi)源清淤工作，底泥厚度在0.5～0.8m，本次大流量的水進入后，對底泥進行了擾動，因底泥中有機質(zhì)成分較多，COD含量較高，導(dǎo)致出水比進水濃度高。

3.5 湖內(nèi)前置庫TN、TP收支平衡分析

根據(jù)各月湖內(nèi)前置庫的進出水質(zhì)，計算污染負荷年削減量，得到湖內(nèi)前置庫年削減量TN855.33 t/a、TP11.18 t/a(見表2)。

表2 湖內(nèi)前置TN、TP年削減量Tab.2 TN and TP reductions in inner pre-reservoir

根據(jù)2016年12月～2017年2月鳳眼蓮的實際生長和收割打撈數(shù)據(jù)，分析鳳眼蓮對TN、TP的吸收量如表3所示?？紤]水質(zhì)凈化和良性水生生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)需要，2016年在前置庫內(nèi)進行鳳眼蓮種植，種植面積0.68km2(1 022.6畝)，收割1次，鳳眼蓮生長量為3.48萬t/a，鳳眼蓮TN、TP的吸收量分別達90.75t、6.44 t。

表3 鳳眼蓮覆蓋面積、產(chǎn)量及其吸收的TN、TP 量Tab.3 Covered area, biomass and amounts of TN and TP assimilated by Eichhornia crassipes

表4 湖內(nèi)前置庫TN、TP收支平衡狀況Tab.4 Balances of TN and TP loads in inner pre-reservoir

由表4可以看出，湖內(nèi)前置庫中鳳眼蓮負荷的削減比例為TN10.61%，TP 57.60%，而前置庫內(nèi)微生物硝化反硝化作用、沉積等其他途徑的削減比例為TN89.39%，TP42.40%。由此可初步分析，湖內(nèi)前置庫對TN、TP等營養(yǎng)物質(zhì)削減作用，與鳳眼蓮生長消耗有一定關(guān)系，但更重要的影響因素是健康的水生生態(tài)系統(tǒng)。因微污染活水的引入，改善了東風(fēng)壩半封閉水域內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)，加快系統(tǒng)內(nèi)生物硝化反硝化過程、植物吸收過程的反應(yīng)進程，使湖內(nèi)前置庫內(nèi)形成了健康的、有活力的水生生態(tài)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

該實驗方法和技術(shù)能有效利用半封閉水域、微污染活水的現(xiàn)狀特點，實現(xiàn)健康水循環(huán)和污染負荷削減。湖內(nèi)前置庫負荷削減能力強，通過水生植物的生態(tài)吸附、降解、吸收等過程，明顯改善水體pH、溶解氧，為生物生長提供良好的自然環(huán)境，有效削減TP、TN、NH3-N等有機污染負荷，年均削減率分別達到38.0%、51.9%、65.7%。同時通過恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，凈化微污染水和形成清水通道，全面改善草海中部、東部水體水質(zhì)，促進水生植物生長，為魚類、鳥類的棲息、繁殖創(chuàng)造生境條件，從而形成具有健康氣息和活力的水生生態(tài)系統(tǒng)。

另外，本次研究發(fā)現(xiàn)利用魚塘改造成前置庫時必須先進行環(huán)保清淤，減少內(nèi)源污染的釋放。