南安市梅溪小流域生態(tài)修復(fù)應(yīng)用的成效分析

陳少寶

（南安市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，福建 泉州 362300）

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)及人口的增加，人類活動(dòng)干擾產(chǎn)生了眾多環(huán)境問題，同時(shí)隨著城市化進(jìn)程的加快以及環(huán)境設(shè)施建設(shè)的滯后性，大量生活點(diǎn)源污染、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)林業(yè)及畜牧業(yè)等面源污染導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化[1]，水體污染問題日益嚴(yán)重[2]?！?019 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)主要河流的1610 個(gè)水質(zhì)控制斷面中，仍有20.9%的斷面呈現(xiàn)Ⅳ類及以下水質(zhì)，流域治理任務(wù)依然較為嚴(yán)峻，以小流域?yàn)橹鞯乃鷳B(tài)修復(fù)尤為關(guān)鍵[3]。

目前，小流域的生態(tài)修復(fù)手段主要側(cè)重于點(diǎn)源與面源污染的治理及防控、水土保持及自然修復(fù)等方面[4]，而水環(huán)境治理較為薄弱、技術(shù)手段適應(yīng)性較差以及后期維護(hù)不完善等問題是當(dāng)前小流域治理的薄弱環(huán)節(jié)[5]。為此，亟須找到一種綜合全面的修復(fù)手段對(duì)小流域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，在有效防控點(diǎn)源與面源污染的同時(shí)，也能有效削減內(nèi)源污染，恢復(fù)水體自凈能力，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文通過將“HCECR 水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)”與“功能生態(tài)礁石修復(fù)技術(shù)”進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)梅溪流域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，即采用HCECR 水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)中的微納米曝氣、水生態(tài)因子調(diào)控以及輔助投加環(huán)境友好微生物（包括好氧硝化細(xì)菌、聚磷菌等微生物，活菌數(shù)>108CFU/mL）與功能生態(tài)礁石修復(fù)技術(shù)中的功能生態(tài)礁石聯(lián)動(dòng)使用，對(duì)南安市梅溪小流域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，并對(duì)修復(fù)河段的水質(zhì)狀況進(jìn)行成效分析，旨在為小流域的水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 研究對(duì)象與材料方法

1.1 研究區(qū)概況

南安市梅溪是東溪的一條支流，位于南安市洪梅鎮(zhèn)、洪瀨鎮(zhèn)境內(nèi)，梅溪主要發(fā)源于洪梅鎮(zhèn)山溪村與洛江區(qū)交界的建興山，自北向南流經(jīng)洪梅鎮(zhèn)的山溪村和仁科村以及洪瀨鎮(zhèn)壩田村和集新村等村落，至東林村納四都溪后，于楊美村匯入晉江東溪。河道長(zhǎng)23.20km，流域面積101km2，多年平均徑流量8054 萬m3，地處晉江中下游，屬晉江二級(jí)支流[6]。

梅溪流域污染源來源廣泛，農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖污染、工業(yè)污水排放、內(nèi)源污染、河道生態(tài)破壞等都會(huì)影響梅溪的水質(zhì)。其中，城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)不完善、農(nóng)村污水處理設(shè)施缺失、生活垃圾入河、畜禽養(yǎng)殖廢水直接排放、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)污水排放不達(dá)標(biāo)以及底泥淤積是造成梅溪水質(zhì)惡化、生態(tài)破壞的重要原因。2018 年4 月27 日至5 月6 日梅溪流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，梅溪流域重要點(diǎn)位的水質(zhì)已超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，屬劣Ⅴ類水體，其中氮、磷超標(biāo)嚴(yán)重。

1.2 材料方法

1.2.1 工程情況

針對(duì)梅溪流域水質(zhì)超標(biāo)問題，2018 年5 月開展了水生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目，在梅溪干流鳳凰橋上游、猛虎橋上游、神像工業(yè)園區(qū)，以及梅溪支流潘坑橋上游、新舊貢山橋之間布設(shè)生態(tài)修復(fù)設(shè)備，修復(fù)區(qū)域長(zhǎng)度分別為0.5km，共計(jì)2.5km。根據(jù)流域?qū)嶋H徑流量配置生態(tài)修復(fù)設(shè)備，主要包括4 套水生態(tài)因子調(diào)控設(shè)備[7]、50 套生態(tài)礁石[8]、3 臺(tái)中央控制系統(tǒng)、1 臺(tái)高溶氧發(fā)生裝置[9]、1 臺(tái)微氣泡及微納米氣泡擴(kuò)散裝置[10]、4 套微生物馴化投加系統(tǒng)。

1.2.2 水樣采集

本研究針對(duì)梅溪流域設(shè)置4 個(gè)采樣點(diǎn)，分別為對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位（陳厝橋，N25°04′32″、E118°31′36″）、修復(fù)區(qū)S2 點(diǎn)位（神像工業(yè)園，N25°3′15″、E118°30′59″）、修復(fù)區(qū)S3 點(diǎn)位（潘坑橋，N25°3′6″、E118°31′8″）和修復(fù)區(qū)S4 點(diǎn)位（獅峰橋，N25°3′12″、E118°30′53″），2018 年5 月10 日開始陸續(xù)實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程，運(yùn)營(yíng)期至2020 年10 月結(jié)束。工程前期對(duì)梅溪流域進(jìn)行診斷分析；工程運(yùn)營(yíng)期間，定時(shí)對(duì)各點(diǎn)位進(jìn)行采樣檢測(cè)。采樣方法參照《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》（HJ 494—2009）。

1.2.3 水質(zhì)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理

氨氮（NH3-N）依據(jù)《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009），采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；總磷（TP）依據(jù)《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》（GB/T 11893—1989），采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。數(shù)據(jù)測(cè)定后采用SPSS 19.0 進(jìn)行顯著性分析[11]，并使用Origin 9.0 完成繪圖工作。

2 結(jié)果

2.1 梅溪流域修復(fù)前水質(zhì)

圖1 梅溪流域修復(fù)前水體NH3-N 濃度

圖2 梅溪流域修復(fù)前水體TP 濃度

本研究于2018 年4 月27 日至5 月6 日期間對(duì)梅溪進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。由圖1、圖2 可知：生態(tài)修復(fù)前，各點(diǎn)位水體的NH3-N 和TP 濃度分別介于1.294—7.218mg/L 和0.176—0.981mg/L，超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中流域Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（NH3-N <1.0mg/L、TP <0.2mg/L），其中多數(shù)時(shí)間超出了流域Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（NH3-N <2.0mg/L、TP <0.4mg/L），水質(zhì)超標(biāo)較為嚴(yán)重。由上表可知，生態(tài)修復(fù)前，各點(diǎn)位水體NH3-N 濃度均值介于（2.854±1.926）—（4.189±1.940）mg/L，超出流域Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)42.71%—109.45%；各點(diǎn)位水體TP 濃度均值介于（0.428±0.213）—（0.609±0.123）mg/L，超出流域Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)7.00%—52.25%，水質(zhì)為地表水劣Ⅴ類，水體污染嚴(yán)重。

梅溪流域重要點(diǎn)位修復(fù)前水質(zhì)均值

2.2 梅溪流域修復(fù)后水質(zhì)

2.2.1 水體氨氮濃度變化

生態(tài)修復(fù)后水體NH3-N 濃度變化情況如圖3 所示。顯著性分析表明，2018—2020 年，對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的NH3-N 濃度與修復(fù)區(qū)S2、S3 及S4 點(diǎn)位的NH3-N 濃度均存在顯著性差異（P<0.01）。生態(tài)修復(fù)期間，對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為1.847—2.770mg/L，流域長(zhǎng)期為Ⅴ類和劣Ⅴ類水體。而修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的NH3-N 濃度在2018 年5 月底已基本擺脫劣Ⅴ類，6 月至11 月期間，除7 月和11 月由于水體污染物本底值較高而導(dǎo)致個(gè)別點(diǎn)位水質(zhì)偶有超標(biāo)外，其余月份的NH3-N 濃度滿足Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，S2 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.697—2.110mg/L，削減率達(dá)19.95%—60.64%；S3 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為1.110—2.106mg/L，削減率達(dá)19.53%—41.52%；S4 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.890—1.980mg/L，削減率達(dá)24.89%—52.66%。2019 年，修復(fù)區(qū)NH3-N濃度已基本提升至Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（<1.5mg/L），除了5 月和11 月由于降水和氣候影響而導(dǎo)致水體污染物本底值升高，使得修復(fù)區(qū)點(diǎn)位水質(zhì)變?yōu)棰躅愅?，剩余多?shù)月份修復(fù)區(qū)點(diǎn)位水質(zhì)已提升至Ⅲ類。其中，S2 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.364—1.783mg/L，削減率達(dá)29.72%—83.33%；S3 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.316—1.520mg/L，削減率達(dá)38.93%—82.89%；S4 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.432—1.540mg/L，削減率達(dá)39.30%—77.23%。2020 年，修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的NH3-N 濃度已基本提升至Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，S2 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.225—0.921mg/L，削減率達(dá)54.20%—88.10%；S3 點(diǎn)位的NH3-N 濃度為0.162—1.190mg/L，削減率達(dá)45.44%—91.96%；S4 點(diǎn)位的水體濃度為0.130—1.040mg/L，削減率達(dá)52.03%—94.29%，除氮效果較為顯著。2020 年7—11 月數(shù)據(jù)顯示，修復(fù)區(qū)水體逐步優(yōu)化并滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（<0.5mg/L），水質(zhì)修復(fù)效果良好。

圖3 2018—2020 年梅溪流域水體NH3-N 濃度變化情況

年際變化顯示（見圖4），2018—2020 年對(duì)照區(qū)S1點(diǎn)位的NH3-N 年均值介于2.131—2.330mg/L，由于面源污染無法完全杜絕，對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的水體NH3-N年均值一直處于劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。2018 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的NH3-N 年均值介于1.868—1.880mg/L，水質(zhì)由地表水劣Ⅴ類提升至Ⅴ類表明水生態(tài)系統(tǒng)已在緩慢恢復(fù)中；2019 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位NH3-N 年均值均介于0.877—0.966mg/L，穩(wěn)定提升至Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；2020 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位NH3-N 年均值均介于0.547—0.642mg/L，穩(wěn)定維持在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水體氨氮指標(biāo)得到逐年優(yōu)化，修復(fù)效果較為顯著。

圖4 2018—2020 年梅溪流域水體NH3-N 濃度年際變化情況

2.2.2 水體TP 濃度變化

生態(tài)修復(fù)后水體TP 濃度變化情況如圖5 所示。顯著性分析表明，2018—2020 年，對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的水體TP 濃度與修復(fù)區(qū)S2、S3 及S4 點(diǎn)位的TP 濃度均存在顯著性差異（P<0.01）。生態(tài)修復(fù)期間，對(duì)照區(qū)S1點(diǎn)位的TP 濃度為0.275—0.456mg/L，超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)期處于Ⅳ、Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（<0.30mg/L 和<0.40mg/L），水質(zhì)較差。而修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的TP 濃度在2018 年5 月底已達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，5 月至11 月期間，除5 月由于水體污染物本底值較高而導(dǎo)致修復(fù)區(qū)S2 點(diǎn)位水質(zhì)超過Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的TP 濃度均滿足Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，S2 點(diǎn)位的TP 濃度為0.145—0.308mg/L，削減率為14.92%—65.64%；S3 點(diǎn)位的TP 濃度為0.129—0.245mg/L，削減率為32.32%—62.56%；S4 點(diǎn)位的TP 濃度為0.087—0.202mg/L，削減率為54.71%—70.00%。2019 年，修復(fù)區(qū)水體TP 濃度已穩(wěn)定提升至Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)月份（如3 月、7 月）可達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，S2 點(diǎn)位的TP 濃度為0.051—0.259mg/L，削減率達(dá)40.05%—81.45%；S3 點(diǎn)位的TP 濃度為0.078—0.228mg/L，削減率達(dá)50.00%—73.16%；S4 點(diǎn)位的TP 濃度為0.023—0.219mg/L，削減率達(dá)49.31%—91.64%。2020 年，修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的TP 濃度已基本滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)月份（如5 月及11 月）可達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（<0.1mg/L）。其中，S2 點(diǎn)位的TP 濃度為0.034—0.209mg/L，削減率達(dá)47.88%—91.83%；S3 點(diǎn)位的TP 濃度為0.070—0.153mg/L，削減率達(dá)59.84%—81.49%；S4 點(diǎn)位的TP 濃度為0.047—0.179mg/L，削減率達(dá)52.03%—88.70%，控磷效果顯著。

圖5 2018—2020 年梅溪流域水體TP 濃度變化情況

年際變化顯示（見圖6），2018—2020 年對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的TP 年均值介于0.384—0.409mg/L，由于面源污染無法杜絕，對(duì)照區(qū)S1 點(diǎn)位的TP 年均值一直處于Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。2018 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位的TP 年均值介于0.228—0.278mg/L，已提升至Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；2019 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位TP 年均值介于0.148—0.166mg/L，已提升至Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；2020 年修復(fù)區(qū)各點(diǎn)位TP 年均值介于0.102—0.115mg/L，水質(zhì)指標(biāo)已穩(wěn)定滿足流域Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水體TP 指標(biāo)得到不斷優(yōu)化，水生態(tài)修復(fù)效果良好。

圖6 2018—2020 年梅溪流域水體TP 濃度年際變化情況

3 討論

目前，常見的流域水生態(tài)修復(fù)措施主要包括生態(tài)浮島、生態(tài)護(hù)岸、微生物強(qiáng)化技術(shù)等，但這些措施都有一定的局限性。如生態(tài)浮島雖能利用植物的根系吸收水中污染物，改善水質(zhì)[12]，但其抗水利沖擊能力差且種植的水生植物大多難以抵抗極端天氣，因而使用壽命短；生態(tài)護(hù)岸工程雖然能增強(qiáng)岸坡的抗侵蝕和沖刷能力，也兼具景觀效果[13]，但無法從根源上改善水質(zhì)污染問題，因而成效并不顯著；微生物強(qiáng)化技術(shù)雖能有效降解水中污染物[14]，促進(jìn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但微生物群落受水環(huán)境影響較大且易流失[15]，因而其修復(fù)效果并不長(zhǎng)久，需反復(fù)多次投加。由于目前的生態(tài)修復(fù)措施無法有效實(shí)現(xiàn)流域的水生態(tài)修復(fù)，因此亟須找到一套綜合全面的修復(fù)技術(shù)，從根本上解決流域的水質(zhì)污染問題，提升水體自凈能力，恢復(fù)水體的生態(tài)健康，實(shí)現(xiàn)受污染水體的“長(zhǎng)治久清”。

本研究通過將“HCECR 水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)”與“功能生態(tài)礁石修復(fù)技術(shù)”聯(lián)合應(yīng)用，形成科學(xué)的生態(tài)修復(fù)體系，對(duì)梅溪流域水質(zhì)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，其原理是：在水體底部安裝微納米曝氣與生態(tài)礁石裝置，配套岸上的水生態(tài)因子調(diào)控設(shè)備，不僅能增加水中溶解氧（DO）含量，改善水底厭氧環(huán)境，同時(shí)能有效調(diào)節(jié)水中的水生態(tài)因子，為微生物提供適宜的繁殖條件，促進(jìn)微生物群落對(duì)于污染物的高效降解；生態(tài)礁石可作為微生物固載吸附大量的環(huán)境友好型微生物，并利用水體持續(xù)的微循環(huán)作用[16]，使其能長(zhǎng)期作用于目標(biāo)水體中，不斷促進(jìn)污染物的高效降解，從而提升河道水體的自凈能力，長(zhǎng)效提升水質(zhì)。

王睿等[14]采用微孔曝氣與微生物技術(shù)對(duì)豐湖進(jìn)行水質(zhì)修復(fù)，雖然在一定程度上提升了水體的DO 含量和透明度、降低了高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），但由于所投加的微生物無法長(zhǎng)期作用于水體，導(dǎo)致其水質(zhì)狀態(tài)反復(fù)，修復(fù)效果難以保持。由此可見，微生物強(qiáng)化技術(shù)需要與生物固載體配合使用，才能長(zhǎng)效作用于目標(biāo)水體，從而穩(wěn)定提升水質(zhì)。

研究表明，微納米曝氣氧化性強(qiáng)，傳質(zhì)效率高，能有效分解水中有機(jī)顆粒，提升水質(zhì)[17]。微納米曝氣與微生物法的結(jié)合[18]能提升水中DO 含量，提高好氧微生物的生理活性，提升好氧硝化細(xì)菌對(duì)于水中NH3-N的削減能力及聚磷菌對(duì)于水中TP 的吸收能力，并在短時(shí)間內(nèi)降低污染物濃度、凈化水質(zhì)。水生態(tài)因子調(diào)控和生態(tài)礁石的疊加作用能為微生物提供更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)微生物群落降解底泥中的污染物，起到抑制內(nèi)源污染、提升水質(zhì)的效果[19]。黃磊等[20]采用微納米曝氣和微生物法進(jìn)行圍隔試驗(yàn)，結(jié)果顯示該方法能提升水質(zhì)，水中TN 和TP 的去除率約分別為37.7%和43.3%。

本研究通過多種技術(shù)的聯(lián)合使用，能最大限度降低污染物濃度，提高水體自凈能力，削減內(nèi)源污染，促進(jìn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因而對(duì)水中NH3-N 和TP 等污染物的削減效果更為顯著。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2018—2020 年，梅溪口斷面處水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)逐年優(yōu)化的趨勢(shì)，其中DO 和BOD5的年均值都由Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)逐漸優(yōu)化成Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，CODMn年均值從Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)逐漸優(yōu)化成Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。由此，可看出本研究對(duì)于梅溪流域的生態(tài)修復(fù)效果較為顯著。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)梅溪小流域的水質(zhì)超標(biāo)問題，實(shí)施“一河一策”的生態(tài)修復(fù)措施，在促進(jìn)梅溪流域水質(zhì)提升的同時(shí)，也為梅溪流域的綜合治理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：生態(tài)修復(fù)后，梅溪小流域的鳳凰橋修復(fù)區(qū)、四都溪支流潘坑橋修復(fù)區(qū)以及獅峰橋修復(fù)區(qū)內(nèi)水體的氮、磷指標(biāo)均已顯著下降并得到逐年優(yōu)化，目前已穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。2018—2020 年，水體氨氮削減率介于19.95%—94.29%；總磷削減率介于14.92%—91.83%，氮、磷削減率逐年提升，控氮除磷效果顯著，水質(zhì)修復(fù)效果良好。