孫子日哈,尚福強(qiáng),吳得卿,唐莉華,王 碩,蔡 一
(1.清華大學(xué)土木水利學(xué)院,北京 100084; 2.中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100048)
近年來我國湖泊水體生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重,其中水體富營養(yǎng)化是湖泊生態(tài)環(huán)境退化的七大問題之一[1]。富營養(yǎng)化湖泊的修復(fù)包括物理、化學(xué)、生物等方法,其中,水生態(tài)修復(fù)技術(shù)因具有投資小、效率高、無二次污染等特點(diǎn)而受到關(guān)注?;谏鷳B(tài)平衡的水體生態(tài)凈化方法是利用適宜的水生動(dòng)植物,構(gòu)建有利于維持湖泊清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?,形成穩(wěn)定的河湖水生態(tài)系統(tǒng)并逐漸實(shí)現(xiàn)河湖水質(zhì)凈化。這種方法屬于生物修復(fù)范疇,利用生物自身的特性凈化水環(huán)境,與自然環(huán)境有更大的相容性。其目的不僅是水質(zhì)的達(dá)標(biāo),最終是要通過階段性治理構(gòu)建一個(gè)處于動(dòng)態(tài)平衡的水生態(tài)系統(tǒng),使水體恢復(fù)自凈能力,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。
國內(nèi)外關(guān)于水體生態(tài)凈化技術(shù)的研究從20世紀(jì)80年代開始,并不斷通過應(yīng)用實(shí)踐對其效果進(jìn)行驗(yàn)證。Ramesh等[2]從1987年起在芬蘭Zwemlust Lake應(yīng)用生物技術(shù)進(jìn)行湖泊修復(fù),到2000年水質(zhì)得到明顯改善。孫剛等[3]從1992年起運(yùn)用水生動(dòng)植物對長春市南湖進(jìn)行綜合治理,1996年發(fā)現(xiàn)水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)。2001年、2002年春巢湖市向巢湖投放了鰱魚和鳙魚,到夏季湖水水質(zhì)得到了較好的改善[4]。陳開寧等[5]2004年起在太湖五里湖開展了大型圍隔試驗(yàn)進(jìn)行生態(tài)重建示范工程,在兩年的時(shí)間里較好地恢復(fù)了水生植被,試驗(yàn)區(qū)水質(zhì)得到了明顯的改善。沙昊雷等[6]在常州市白蕩浜黑臭水體中運(yùn)用包含水生動(dòng)植物、曝氣裝置等措施在內(nèi)的生態(tài)治理,發(fā)現(xiàn)4個(gè)月后河道水質(zhì)有明顯改善。以上研究表明:利用水生動(dòng)植物系統(tǒng)凈化水質(zhì)的措施成效顯著,但需要一定的周期,多種水生動(dòng)植物組合更易發(fā)揮其凈水作用。目前,水生植物的耐污能力、最佳種植密度、水生動(dòng)物的最佳投放比例與規(guī)模均有待進(jìn)一步研究[7]。劉正文等[8]的研究表明,淺水湖泊生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)設(shè)法控制沉積物磷釋放與再懸浮,加速沉水植物群落的恢復(fù),促進(jìn)底棲藻類的發(fā)展,最終形成底棲初級生產(chǎn)者占主導(dǎo)的淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng),即通過影響底棲-敞水生境耦合,重建淺水湖泊清水態(tài)。目前以建立淺水湖泊清水態(tài)的反饋?zhàn)饔脼槟康?,通過構(gòu)建復(fù)合水生態(tài)系統(tǒng),發(fā)揮多種水生生物在時(shí)間、空間上的凈水效果,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)的研究還較少,應(yīng)用實(shí)例更少。
山東省鄆城南湖是一個(gè)新建的人工湖泊,屬于典型的城市封閉緩流景觀水體,水體自凈能力弱,容易受到污染且難以實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。本文在分析鄆城南湖污染源的前提下,通過調(diào)查典型挺水植物、沉水植物、底棲動(dòng)物和部分魚類的生態(tài)凈水功能,并選用適宜的水生動(dòng)植物構(gòu)建南湖水生態(tài)系統(tǒng),探究基于水生態(tài)系統(tǒng)平衡的南湖水體綜合凈化方案,以提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力,維持良好的湖泊水體環(huán)境質(zhì)量。
南湖位于山東省鄆城縣城區(qū)南部的南湖公園,水面面積約26.7 hm2,平均水深3.5 m,總水量約為93.34萬m3。上游為幾乎不向南湖供水的鄆城水庫,下游因城市建設(shè)被截?cái)?。南湖邊原?個(gè)雨水管入湖,承接周邊2.2 km2范圍的雨水徑流,現(xiàn)雨水管已接入市政管網(wǎng),相應(yīng)的雨水徑流不再入湖。湖區(qū)水量的輸入和輸出主要為湖區(qū)降水、公園內(nèi)徑流和湖面蒸發(fā)。南湖是典型的城市封閉緩流景觀水體,水體流動(dòng)性差,自凈能力弱,易受到污染且不易實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。湖區(qū)現(xiàn)有蘆葦種植面積1.2 hm2、荷花0.55 hm2、黃菖蒲少量。
采用基于水生態(tài)系統(tǒng)平衡的水體生態(tài)凈化修復(fù)方案,設(shè)計(jì)前需要先明晰各污染源,調(diào)研相關(guān)動(dòng)植物的凈水能力,結(jié)合南湖主要污染物及典型濃度場進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
南湖湖水的主要來源為湖區(qū)降水和公園內(nèi)徑流;大氣中的氮、磷通過干、濕沉降的方式進(jìn)入水體,會對南湖造成一定的污染[9-10];同時(shí),作為市民休閑娛樂場所,旅游活動(dòng)也會污染南湖水體。因此,南湖污染源主要考慮大氣沉降污染、旅游活動(dòng)污染和公園內(nèi)的徑流污染。
湖區(qū)氮沉降量計(jì)算公式為[11]
FN=DNA
(1)
式中:FN為全年氮沉降負(fù)荷量,kg;A為水域面積,km2;DN為氮沉降通量,山東省屬于氮高沉降區(qū),采用山東省氮沉降通量數(shù)據(jù),菏澤地區(qū)為3 086 kg/(km2·a)[10]。計(jì)算得到FN約為1 016 kg。
湖區(qū)磷沉降量FP計(jì)算公式為
FP=ρ降水V降水
(2)
式中:ρ降水為降水中磷的質(zhì)量濃度,mg/L;V降水為湖面承接的年降水量的體積,m3。鄆城縣的多年平均降水量為642 mm,大氣磷的濕沉降質(zhì)量濃度約 0.015 mg/L,計(jì)算得到FP約為3.4 kg。
南湖公園內(nèi)湖區(qū)周邊還有廣場(6.52 hm2)、綠化帶(8.31 hm2)、房屋建筑(1.82 hm2)、周邊道路(7.34 hm2),在降雨期間會產(chǎn)生地表徑流。雨水徑流中的氮、磷入湖量計(jì)算公式為
F=S下墊面αHρ徑流β
(3)
式中:S下墊面為公園中各類型下墊面的面積,m2;α為不同下墊面的徑流系數(shù)(道路和廣場取0.48,綠地取0.01,建筑屋頂取0.21)[12];H為年降水深度,mm;ρ徑流為徑流中污染物的質(zhì)量濃度,由實(shí)測雨水徑流污染物濃度可知,ρ(COD)=103.73 mg/L,ρ(氨氮)=3.14 mg/L,ρ(TP)=0.19 mg/L,ρ(TN)=3.14 mg/L;β為污染物入湖系數(shù),取用農(nóng)田徑流入湖系數(shù)0.15[13]。
據(jù)調(diào)查南湖平均每天旅游人數(shù)約2 000人,旅游帶來的污染負(fù)荷強(qiáng)度參考其他景區(qū)研究取值[13-18],COD、氨氮、總氮和總磷的人均污染入湖量取3.45 g/d、0.28 g/d、0.43 g/d和0.03 g/d。
根據(jù)2018年6月28日取樣測得的南湖5個(gè)水質(zhì)樣本分析結(jié)果,湖水水質(zhì)在Ⅳ~Ⅴ類水之間,湖區(qū)中央及湖區(qū)南部的水質(zhì)較差。而2019年9月27日現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)南湖水質(zhì)變差,已接近Ⅴ類或超過Ⅴ類水。南湖具有景觀功能、非直接接觸的娛樂用水功能,同時(shí)也是南湖水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,承載著南湖生物群落的生命。一般景觀要求水域水質(zhì)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),非直接接觸的娛樂用水功能需滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。南湖水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)需要魚類和底棲動(dòng)物的放養(yǎng),而Ⅲ類水才能很好地滿足魚類和底棲動(dòng)物的生存。因此先以Ⅳ類水為基本目標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)向Ⅲ類水的過渡。目前湖區(qū)水質(zhì)為Ⅴ類水,目標(biāo)水質(zhì)設(shè)為Ⅳ類水,因此可計(jì)算得到南湖水體中COD、氨氮、總氮及總磷等指標(biāo)提高到Ⅳ類水水質(zhì)時(shí)需處理的負(fù)荷量。由于湖區(qū)降水及公園內(nèi)徑流入湖水量(約21萬m3)小于湖面蒸發(fā)量(41萬m3),方案將會有補(bǔ)水措施,因此本文不考慮濃縮、稀釋過程,只考慮水生動(dòng)植物系統(tǒng)對污染負(fù)荷的凈化能力。
綜上,不同來源污染負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果及南湖水體質(zhì)量提升到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需處理的污染負(fù)荷量見表1。
表1 入湖污染負(fù)荷量及需處理負(fù)荷量 單位:kg/a
水生植物凈化水體主要通過吸收水體中的營養(yǎng)元素,防止?fàn)I養(yǎng)元素富集,從而抑制藻類生長,改善水質(zhì)。選擇能夠削弱浮游植物種群優(yōu)勢的植物,以減少浮游植物的生物量,從而增加水體的透明度,使沉水植物和底棲藻類更易獲得光照,進(jìn)一步發(fā)展為優(yōu)勢種群。沉水植物和底棲藻類都可以提高沉積物表層氧化還原電位,從而抑制鐵、磷的釋放[19],有沉水植物的湖泊沉積物磷釋放速率顯著低于無沉水植物的湖泊[20]。沉水植物是維持清水態(tài),從而維持敞水生境較低磷濃度和較低浮游植物生物量的關(guān)鍵因子[8]。蘆葦(Phragmitescommunis)和輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)有較強(qiáng)的耐污和去污能力。荷花(Nelumbonucifera)、黃菖蒲(Irispseudacorus)在水環(huán)境下會產(chǎn)生適應(yīng)性抗逆反應(yīng),通過調(diào)節(jié)自身的脯氨酸、丙二醛含量以適應(yīng)污水環(huán)境。金魚藻(CeratophyllumdemersumL)的COD凈化率強(qiáng),但耐污染適應(yīng)性能相對較弱。通過分析及文獻(xiàn)調(diào)研的水生植物水體凈化效果,結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有水生植物種類,選擇輪葉黑藻、蘆葦、黃菖蒲、荷花、金魚藻等作為凈水植物。這5種水生植物對有機(jī)污染物及營養(yǎng)鹽的去除效果較好,且成活率高、易栽培、成本低,對水深條件要求不高。水生植物對COD、氨氮、總氮和總磷的去除能力從文獻(xiàn)中獲得。文獻(xiàn)[21-25]中研究的地域及實(shí)驗(yàn)條件不盡相同,大多數(shù)指標(biāo)的范圍較大。綜合考慮各種因素,本文計(jì)算采用的植物凈水能力按調(diào)研結(jié)果去除最大值和最小值后的平均值取值。蘆葦、黃菖蒲、荷花對COD的處理能力取值分別為312.83 mg/(d·m2)、1 377.39 mg/(d·m2)、44.16 mg/(d·m2);對氨氮的處理能力取值分別為97.02 mg/(d·m2)、227.81 mg/(d·m2)、7.74 mg/(d·m2);對總氮的處理能力取值分別為87.35 mg/(d·m2)、326.77 mg/(d·m2)、19.81 mg/(d·m2);對總磷的處理能力取值分別為16.09 mg/(d·m2)、49.17 mg/(d·m2)、1.05 mg/(d·m2)。
魚類對淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響之一就是影響水動(dòng)力條件。底棲生物食性魚類可能會通過攝食活動(dòng)促進(jìn)沉積物的再懸浮,增加磷釋放風(fēng)險(xiǎn);浮游生物食性魚類雖然能降低藍(lán)藻量,但也可能會提高湖水的總磷濃度[8]。因此不選擇底棲生物食性魚類,選擇低密度的浮游生物食性魚類,以構(gòu)建南湖魚類群落結(jié)構(gòu)。濾食性的鰱魚和鳙魚活動(dòng)于上層水體,攝食浮游植物和浮游動(dòng)物。在富營養(yǎng)化水體中按3∶1的比例放養(yǎng)鰱魚和鳙魚,對總氮和NH3-N的去除率均能達(dá)到60%以上[26]。底棲動(dòng)物田螺攝食單胞藻、原生動(dòng)物、有機(jī)碎屑等;雙殼類可以降低敞水生境中的懸浮物濃度,提高透明度,從而有利于底棲植物的生長以及湖泊清水態(tài)的維持;河蚌攝食水生植物嫩莖葉、藻類、細(xì)菌和有機(jī)碎屑等,它們對于富營養(yǎng)化水體中的COD、總氮、總磷等也有一定的去除效果[27-28]。草魚攝食浮水、沉水、挺水植物等,生活在水體中下層,其排泄物可給鰱魚提供營養(yǎng),但其對水質(zhì)要求一般比較高。紅鯽魚攝食底棲動(dòng)物、有機(jī)碎屑等,生活在水體底層,可抑制藻類和底棲動(dòng)物過量繁殖。草魚和紅鯽魚可考慮用于構(gòu)建湖泊中的食物鏈。
污染物在水體中隨著水流遷移,在遷移過程中會受到各種物理、化學(xué)因素的影響,發(fā)生輸移、混合、分解、稀釋和降解。水質(zhì)模型的目的就是用數(shù)學(xué)語言描述污染物在水體中的變化規(guī)律以及相互制約因素。為了解南湖水體中污染物分布的空間變異性,采用MIKE21軟件對南湖流場和濃度場進(jìn)行模擬。運(yùn)用MIKE21軟件中的HD水動(dòng)力學(xué)模塊和Ecolab水質(zhì)模塊,構(gòu)建南湖二維水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模型。根據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,在Ecolab模塊中設(shè)置相應(yīng)的變量方程,以氮濃度場模擬為例,選擇的主要變量為氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮,變量方程表達(dá)式分別為
(4)
(5)
(6)
式中:mBOD為單位時(shí)間內(nèi)BOD降解過程釋放出的氨氮質(zhì)量;mplant為單位時(shí)間內(nèi)植物攝取的氨氮質(zhì)量;mbact為單位時(shí)間內(nèi)細(xì)菌攝取的氨氮質(zhì)量;mnitrif1為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮的氨氮質(zhì)量;mnitrif2為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用生成的亞硝酸氮質(zhì)量;mnitri1為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用轉(zhuǎn)換成硝酸氮的亞硝酸氮質(zhì)量;mnitri2為單位時(shí)間內(nèi)通過硝化作用生成的硝酸氮質(zhì)量;mdeni為單位時(shí)間內(nèi)反硝化作用消耗的硝酸氮質(zhì)量。
結(jié)合文獻(xiàn)資料設(shè)置初始參數(shù),并通過控制點(diǎn)模擬與實(shí)測結(jié)果對比,不斷對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,從而進(jìn)行水質(zhì)濃度場的計(jì)算。圖1為采用MIKE21軟件模擬得到的南湖典型日總氮質(zhì)量濃度分布,可見總氮濃度較高區(qū)主要分布在湖區(qū)的中部、東部和西南部,與實(shí)測結(jié)果基本一致。
圖1 南湖典型日總氮質(zhì)量濃度場分布
若新增的植物均集中布置在岸邊或某個(gè)區(qū)域,則湖中污染物濃度高且水體流動(dòng)性差的區(qū)域水質(zhì)將難以達(dá)到預(yù)期效果,可能仍處于富營養(yǎng)狀態(tài),而植物集中布置區(qū)可能會偏向于貧營養(yǎng)狀態(tài),而由此導(dǎo)致的過高或過低營養(yǎng)鹽濃度均不利于水生植物生長而發(fā)揮凈水作用。因此考慮借助生態(tài)浮島技術(shù),根據(jù)總氮高濃度區(qū)的位置較均勻地布置水生植物。
人工生態(tài)浮島技術(shù)是目前國內(nèi)外常用的湖泊水體凈化技術(shù),具有凈化水質(zhì)、美化水面景觀、提供動(dòng)物棲息空間等功能,并具有易制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用生態(tài)浮島技術(shù)處理效率遠(yuǎn)高于單純的水生動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)[29]。什剎海實(shí)施人工生態(tài)浮島工程1年后,總氮、總磷濃度分別下降了4.74 mg/L和 0.45 mg/L,去除率分別達(dá)79%和91%[30]。
為了方便運(yùn)輸布置,可使用若干生態(tài)浮床拼接成生態(tài)浮島。綜合考慮凈水效果和耐用等因素,可選擇長方形的有框濕式浮床、PVC管浮床框體、聚苯乙烯泡沫板浮床床體、海綿浮床基質(zhì)。每個(gè)浮島的4個(gè)頂點(diǎn)均需打樁固定,浮島內(nèi)浮床之間通過框體連接,浮島四周由PVC管框體連接。
水生態(tài)修復(fù)的核心是建立水生態(tài)系統(tǒng)的平衡,需要遵循水生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境的作用關(guān)系、生物與生物之間的食物鏈特征等規(guī)律。因此方案首先要實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域能量和物質(zhì)收支趨于平衡的目標(biāo),如利用生物有效控制環(huán)境中過量且不利于維持生態(tài)平衡的物質(zhì);其次構(gòu)建有利于促進(jìn)湖泊自我修復(fù)和自我調(diào)節(jié)的食物鏈。水生植物種植方案既要削減南湖水體中過剩的營養(yǎng)鹽,也要避免南湖水體進(jìn)入貧營養(yǎng)鹽狀態(tài);魚類和底棲動(dòng)物主要用于構(gòu)建生物之間的食物鏈關(guān)系,要避免數(shù)量過多而不利于水平衡狀態(tài)的形成。
由植物的凈水能力以及需處理的COD、氨氮、總氮、總磷負(fù)荷量,可計(jì)算所需各水生植物的種植面積。由于水生植物一般從3月初開始萌芽,到11月底衰落,因此3種水生植物的生長期取9個(gè)月,即275 d。南湖現(xiàn)有一定面積的蘆葦和荷花,能處理一部分負(fù)荷,進(jìn)而可得處理剩余負(fù)荷量所需的各種植物面積(表2)。
表2 剩余負(fù)荷量及所需補(bǔ)種植物面積
計(jì)算結(jié)果顯示,完成COD的削減目標(biāo)時(shí)所需各種植物面積均最大,僅對去除COD而言,黃菖蒲所需種植面積最小,約為30 272 m2,但數(shù)值較大。考慮到經(jīng)濟(jì)成本以及湖面的整體景觀效果,以COD量控制蘆葦、黃菖蒲、荷花的種植面積不太現(xiàn)實(shí)。當(dāng)以總氮來控制時(shí),3種植物需補(bǔ)種的面積均大于以總磷和氨氮控制的情況,此時(shí)總氮、總磷、氨氮均能達(dá)到凈化目標(biāo)。湖泊生態(tài)恢復(fù)除了削減水體中的磷外,氮負(fù)荷的削減也是關(guān)鍵,水體的總氮質(zhì)量濃度小于2 mg/L時(shí)有利于湖泊中沉水植物的發(fā)展,否則將可能延緩湖泊生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程[31]。因此選擇總氮作為控制指標(biāo),此時(shí)3種植物中黃菖蒲的種植面積最小,約需16 631 m2。為促進(jìn)底棲植物的覆蓋度和優(yōu)勢度,可在12月至次年3月南湖水位較低時(shí)在淺水區(qū)及水岸過渡帶播種沉水植物輪葉黑藻和金魚藻。輪葉黑藻和金魚藻一方面可抑制沉積物中營養(yǎng)鹽的靜態(tài)釋放,另一方面可為草魚等水生動(dòng)物提供天然餌料。
選擇魚類和底棲動(dòng)物的主要目的是維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。選擇能攝食浮游植物的魚類用于削減南湖浮游植物生物量,協(xié)助水生植物削弱浮游植物在富營養(yǎng)化的南湖水生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種群作用。選擇適宜的底棲動(dòng)物構(gòu)造底棲食物網(wǎng)結(jié)構(gòu),促進(jìn)南湖底棲初級生產(chǎn)力,維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?。根?jù)水生動(dòng)物的水質(zhì)凈化作用及生長習(xí)性,選擇河蚌、田螺去除COD;選擇鰱魚和鳙魚去除總氮和氨氮,消耗浮游植物等;選擇草魚構(gòu)建南湖水體中的食物鏈。紅鯽魚的攝食活動(dòng)可能會促進(jìn)沉積物再懸浮和營養(yǎng)鹽擴(kuò)散[8],因此不放養(yǎng)紅鯽魚。草魚對水質(zhì)要求相對較高,可在方案實(shí)施的第二年放養(yǎng)。
結(jié)合北海和什剎海投放鰱魚、鳙魚、草魚實(shí)現(xiàn)凈水的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[32],選擇鰱魚、鳙魚、草魚的放養(yǎng)密度分別為495尾/hm2、165尾/hm2、165尾/hm2,其中草魚先試放養(yǎng)100尾/hm2,若能較好存活,最終放養(yǎng)密度調(diào)整至鳙魚的放養(yǎng)密度。河蚌、田螺放養(yǎng)密度分別選擇為 3個(gè)/m2、10個(gè)/m2。
目前南湖荷花和蘆葦?shù)拇笾路植家妶D2。保留現(xiàn)有的荷花和蘆葦,在合理范圍內(nèi)讓其自由生長蔓延,使其結(jié)合岸邊的綠化帶形成有屏障作用的湖濱帶,在一定程度上阻攔陸域污染物進(jìn)入南湖,可以對公園內(nèi)徑流污染和人為污染起到緩沖削減作用。
圖2 南湖現(xiàn)有植物分布及浮島布置
綜合考慮蘆葦?shù)膬羲芰?、在南湖良好的生長狀況以及浮島的景觀效果后,除黃菖蒲外,也選擇蘆葦作為浮床植物。為便于浮床布置,最終確定黃菖蒲、蘆葦種植面積分別為1.7萬m2、1 000 m2,將18 000 m2的植物均分至5個(gè)浮島,每個(gè)浮島上尺寸為60 m×60 m。單個(gè)浮島上的蘆葦面積為20 m×10 m,黃菖蒲面積為 3 400 m2。每個(gè)浮島由360個(gè)5 m×2 m 的浮床組成,其中黃菖蒲浮床340個(gè),蘆葦浮床20個(gè)。
根據(jù)南湖典型日總氮質(zhì)量濃度分布(圖1),將5個(gè)浮島布置在氮濃度高的區(qū)域,使浮島上的黃菖蒲和蘆葦在與浮游植物競爭光照和營養(yǎng)鹽等因子中占優(yōu)勢地位,從而抑制浮游植物生物量的過度增加。蘆葦和黃菖蒲在浮床上的種植密度分別為 16株/m2和25叢/m2。
根據(jù)南湖現(xiàn)有植物和新增的植物面積,估算其對COD、氨氮、總氮、總磷的去除量,并評估此方案實(shí)施后南湖可能達(dá)到的水質(zhì)狀況,結(jié)果見表3??梢钥闯觯捶桨钢性O(shè)計(jì)的蘆葦、黃菖蒲及荷花種植面積,通過水生植物的凈化效果,可以使湖區(qū)水體中的總氮、總磷及氨氮滿足Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo),COD接近凈化目標(biāo)??偟|(zhì)量濃度小于2 mg/L,有利于沉水植物的發(fā)展[31]。
表3 方案處理效果預(yù)估
根據(jù)預(yù)估結(jié)果,COD由于負(fù)荷量較多,單靠蘆葦、荷花、黃菖蒲的凈化作用不能達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是沉水植物對COD也有較好的凈化效果,金魚藻和輪葉黑藻的凈化效果有時(shí)比荷花和黃菖蒲更高[33-35],因?yàn)榉桨钢形炊坑?jì)算沉水植物、魚類和底棲動(dòng)物對COD的處理作用,因此COD的濃度理論上會比表3的計(jì)算值要低,更接近目標(biāo)水質(zhì)。根據(jù)污染源分析,南湖入湖污染物中旅游活動(dòng)COD貢獻(xiàn)占78%,為保證湖區(qū)水質(zhì),需要通過嚴(yán)格管理措施進(jìn)行旅游污染輸入控制,從污染源頭減少COD入湖量。
計(jì)算結(jié)果顯示,湖水中的總磷負(fù)荷能完全被處理,但實(shí)際上水體中的總磷質(zhì)量濃度不會下降至0。一方面隨著湖中總氮、總磷濃度的降低,浮島植物的凈化能力會受到抑制;另一方面,布置的沉水植物和放養(yǎng)的底棲動(dòng)物對沉積物營養(yǎng)鹽[36]釋放的抑制作用無法定量評估,因此浮島植物削減了水體中大量的氮、磷等營養(yǎng)鹽后,沉積物中的營養(yǎng)鹽可能會隨著濃度梯度和草魚等的擾動(dòng)而釋放。沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放又會促進(jìn)浮島植物的生長,浮島植物進(jìn)一步抑制浮游植物,水體變清澈,沉水植物因獲得更多光照而有生長優(yōu)勢,便形成了維持南湖清水態(tài)的反饋?zhàn)饔谩?/p>
因降水進(jìn)入南湖的水量每年約為21萬m3,而南湖年蒸發(fā)量約為41萬m3,考慮這部分水量變化后,可計(jì)算剩余COD、氨氮、總氮在剩余水體的質(zhì)量濃度分別為44.5 mg/L、0.89 mg/L、1.82 mg/L。此時(shí)COD、總氮的濃度均達(dá)不到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因此需每年向南湖補(bǔ)水約20萬m3,以維持其水深,使南湖的總氮和氨氮濃度滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于補(bǔ)水量需具有季節(jié)變異性,每月的補(bǔ)水量可根據(jù)月降水量和蒸發(fā)量進(jìn)行分配。以2018年為典型年,根據(jù)降水量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)分析,1~12月補(bǔ)水量分配見表4。冰凍時(shí)期未能補(bǔ)充的水量可在其他月份進(jìn)行補(bǔ)充。
表4 各月補(bǔ)水量分配 單位:萬m3
本方案共布置水生植物1.8 hm2,約占南湖水面面積的6.5%。魚類和底棲動(dòng)物放養(yǎng)密度也均較小,以實(shí)現(xiàn)不投餌不施肥構(gòu)建食物鏈,可以削弱維持渾水態(tài)的正反饋?zhàn)饔?,形成維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔谩7桨钢须m未考慮沉積物中污染再釋放的影響,但選用的輪葉黑藻、蘆葦具有較強(qiáng)的耐污能力,荷花、黃菖蒲具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,因此方案也對沉積物氮、磷的釋放有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
由于每年外源污染物入湖量小于方案中植物每年所能處理的污染量,因此方案實(shí)施后湖中的各種污染負(fù)荷理論上均會減小。而輕度富營養(yǎng)化水中的氮磷是植物生長的限制因子,需控制輕度富營養(yǎng)化水中植物量。當(dāng)水體中營養(yǎng)鹽的濃度有所下降,植物表現(xiàn)出缺乏營養(yǎng)鹽的癥狀時(shí),需將部分浮島移出南湖。為避免水生植物枯落物成為二次污染源,需在植物衰落后及時(shí)收割出湖,避免大量枯落物入湖;定期調(diào)查水生動(dòng)物存活狀況,若有大量死亡現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)從湖中取出。
本文根據(jù)南湖不同污染源入湖量的分析,基于水生植物、魚類及底棲動(dòng)物的凈化能力設(shè)計(jì)了南湖水生態(tài)凈化方案。通過構(gòu)建水生態(tài)平衡系統(tǒng)(包括蘆葦、黃菖蒲、荷花、輪葉黑藻、金魚藻等植物布置方案,鰱魚、鳙魚、草魚、河蚌、田螺放養(yǎng)形式等),削弱浮游植物的生長優(yōu)勢,促進(jìn)沉水植物的優(yōu)勢度,有效抑制沉積物中的營養(yǎng)鹽大量釋放,維持清水態(tài)的反饋?zhàn)饔?,提高水體自凈能力。
經(jīng)過分析計(jì)算,南湖COD、氨氮、總氮、總磷入湖負(fù)荷總量約分別為3 241 kg、218 kg、1 349 kg、29 kg。按不同水生植物的處理能力以及浮島布置需求,在現(xiàn)有的1.2 hm2蘆葦及0.55 hm2荷花的基礎(chǔ)上,需種植黃菖蒲1.7 hm2,蘆葦0.1 hm2,并放養(yǎng)鰱魚、鳙魚、草魚、河蚌、田螺等水生動(dòng)物,以形成良好的水生態(tài)平衡系統(tǒng)。初步估算,在該水體生態(tài)凈化方案下,南湖中總氮、總磷、氨氮的濃度將能到達(dá)甚至優(yōu)于Ⅳ類水;而COD由于污染負(fù)荷入湖量較大,光靠水生動(dòng)植物的凈化1年內(nèi)可能暫不能達(dá)標(biāo),需要采取管理手段對旅游污染源進(jìn)行控制。
由于數(shù)據(jù)有限,本文只計(jì)算了年尺度的污染負(fù)荷,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì),未能考慮年內(nèi)的水質(zhì)變化,但方案可在年際間根據(jù)實(shí)測水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整,如營養(yǎng)鹽濃度顯著降低時(shí)可將部分浮島移出湖區(qū)。另外,由于旅游活動(dòng)產(chǎn)生的入湖COD占入湖總量的比例高達(dá)78%,需要相關(guān)部門聯(lián)合加強(qiáng)管理,如通過在公園道路合理布設(shè)垃圾桶、控制入園人數(shù)等措施減少旅游污染入湖量。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測,若發(fā)生水質(zhì)惡化現(xiàn)象,可考慮人工綠藻打撈、人工引水沖淤等物理應(yīng)急手段進(jìn)行處理,以保證水生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力。