新建園區(qū)水生態(tài)自凈化生物修復(fù)技術(shù)研究
——以熊貓基地擴建工程為例

羅 利, 周吉日, 王佳林, 鄧力銘

(中國五冶集團有限公司, 成都 610063)

大熊貓活動的區(qū)域多在坳溝、山腹洼地、河谷階地等20°以下的緩坡地形,且周邊水源豐富、水質(zhì)良好,水源是構(gòu)成大熊貓生境的必要條件之一。然而,大熊貓城市圈養(yǎng)環(huán)境中人工溪流及湖泊的水質(zhì)條件難以達(dá)到動物飲用的標(biāo)準(zhǔn)。同時,人工湖泊較為封閉,水體流動性差、水位低、容量小,易導(dǎo)致其自凈化能力弱。此外,新修建園區(qū)由于受人類、施工機械等影響,水體受不同程度污染,易出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題[1]。對于城市公園湖泊、人工濕地的生態(tài)修復(fù)技術(shù),章毅、程璐、徐林箏等人[2-10]針對具體水域在不同水體環(huán)境下,提出了不同的生態(tài)修復(fù)方案。對于新修建過程中的城市棲息生態(tài)園區(qū),通過地形營造水環(huán)境屏障,構(gòu)建立體水生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到凈化水質(zhì)方面還未見相關(guān)研究。為此,以成都熊貓基地擴建工程為例開展技術(shù)攻關(guān),旨在探索科學(xué)、先進(jìn)的立體自凈化生物修復(fù)技術(shù),為類似項目建設(shè)提供參考。

1 工程概況

熊貓基地擴建工程位于成都市熊貓大道西環(huán)城生態(tài)區(qū)域,項目景觀面積114.88 hm2,擬建場地整體地勢為具有川西特色風(fēng)貌的低丘緩坡,平均坡度15%以下。工程擬建水域面積為7 513 m2,另有擬建溪流長度為2 343 m,而原狀地表無河流溪溝,在原地表上構(gòu)建水循環(huán)系統(tǒng)難度大。項目原狀地表土壤污染嚴(yán)重,涉及地表水徑流匯入湖體面積將近20 000 m2,上層滯水無法達(dá)到大熊貓原生棲息環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),如何構(gòu)建自凈化水系,使之達(dá)到熊貓及其伴生動物可直飲的標(biāo)準(zhǔn),是熊貓基地生態(tài)修復(fù)面臨的一大難題。

2 園區(qū)水生態(tài)立體生物修復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建

熊貓基地擴建園區(qū)內(nèi)湖體進(jìn)水污染物有三個部分:一是旱溪雨天攜帶地表污染物流入,二是降雨(徑流范圍內(nèi))沖刷微地形邊坡帶入,三是降雨降塵直接導(dǎo)致湖體污染。通過分析新建園區(qū)污染成因和湖區(qū)周邊地形等特點,決定用水生態(tài)立體自凈化生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)改善,利用湖區(qū)周邊地形起伏構(gòu)建水環(huán)境生態(tài)屏障,同時新建湖體水生態(tài)系統(tǒng),通過水陸兩級凈化體系,使水體處于生態(tài)平衡狀態(tài)。

圖1 熊貓基地擴建工程一期效果圖與完工實景

2.1 地表水徑流及入湖匯水點仿真分析

2.1.1 地形數(shù)據(jù)快速采集與處理

快速精確地獲取地形數(shù)據(jù)是地表水徑流分析的必要前提,通過繪制地形圖可以核實園區(qū)排水通道的寬度、水面標(biāo)高、徑流方向等基本信息。傳統(tǒng)人工測繪方式周期長、測繪點位有限、成本高,難以滿足施工過程中排水系統(tǒng)動態(tài)化管控的要求,而無人機傾斜攝影技術(shù)以其靈活高效、精度高、成本低廉、安全性好等優(yōu)點,很好地解決以上問題。

1)數(shù)據(jù)采集。采用精靈4RTK無人機,搭載一臺高清影像傳感器,其主要參數(shù)為1英寸(1英寸=0.54 cm)CMOS,有效像素2 000萬ppi,鏡頭經(jīng)過工藝校正,滿足測繪需要。精靈4RTK集成全新的RTK模塊,免像控情況下水平定位精度為1 cm+1ppm(1ppm是指飛行器每移動1 km誤差增加1 mm),垂直定位精度為1.5 cm+1ppm,平面見圖水平絕對精度5 cm。

2)數(shù)據(jù)處理。航測采集影像數(shù)據(jù)后,篩選有效影像,提高正射影像和點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量,并采用Agisoft photoscan進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3)精度分析。為保證所測地形的準(zhǔn)確性,須對輸出模型的精度進(jìn)行檢驗。航測時,使用標(biāo)靶在現(xiàn)場總計布設(shè)檢查點8處。并通過全站儀獲取其實測坐標(biāo)值,在航測數(shù)據(jù)中分別提取出各檢查點坐標(biāo),檢查點實測坐標(biāo)與模型中顯示坐標(biāo)差值比對結(jié)果如表1所示。

對比結(jié)果顯示,基于精靈4RTK的免像控航測模式,所有單項誤差絕對值均在0.06 m以內(nèi),表明成果精度滿足要求。

表1 誤差分析

2.1.2 地形匯水分析

在傳統(tǒng)的施工管理中,主要依靠現(xiàn)場管理人員施工經(jīng)驗結(jié)合平面等高線地形圖來進(jìn)行地形匯水方案設(shè)計。然而二維圖紙無法準(zhǔn)確地進(jìn)行三維空間信息表達(dá),面對復(fù)雜的地形走勢,人為主觀判斷必然存在疏漏,由此設(shè)計的大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)塑造的微地形匯水方案缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。而基于“Rhino + Grasshopper”的參數(shù)化地形匯水分析是借助建模軟件創(chuàng)建地表水流模型,對大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)塑造的微地形地表水流的流向、強度和聚集區(qū)域進(jìn)行仿真模擬。通過地形數(shù)據(jù)可視化建模,分析得到水流方向、水流大小以及匯水點情況,直觀掌握水系通道變化情況,為后續(xù)臨時集排水設(shè)施的設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)支撐,以達(dá)到優(yōu)化場地空間布局,營造水環(huán)境屏障系統(tǒng)的目的。

1)項目區(qū)域降雨量分析(圖2)。項目水文信息使用的數(shù)據(jù)集,空間分辨率為0.008 333 3°(約1 km),降水量單位為0.1 mm。將下載好的數(shù)據(jù).nc文件進(jìn)行編程處理轉(zhuǎn)為.tif文件后導(dǎo)入arcgis軟件中,將.tif文件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,把地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為投影坐標(biāo)系,然后進(jìn)行重采樣操作,提高圖像的顯示效果,使用ArcToolbox工具箱中掩模提取功能得到場區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)圖像,根據(jù)歷史全年降雨量,準(zhǔn)確分析雨季時間段并獲取最大降雨量。

圖2 降雨量數(shù)據(jù)可視化分布

2)雨水徑流模擬。將所測的地形模型導(dǎo)入,調(diào)用Populate Geometry運算器在地形曲面上隨機獲取數(shù)量適當(dāng)隨機分布點,用以模擬雨水落點。獲取雨水落點后分析每處水滴流淌方向,首先調(diào)用“Surface Closest Point + Evaluate Surface”求取每個點位的法向量N和切平面F。然后使用“Align Plane”運算器,對切平面進(jìn)行糾正,使切平面F的z軸方向保持不變(即為N),將x軸方向調(diào)整至與世界坐標(biāo)z方向夾角最小。這里輸入的校準(zhǔn)向量為Z,所以是與世界坐標(biāo)系z方向夾角最小,此時重力切線方向G就是切平面x軸的反方向(圖3)。求得重力切線方向G之后,再賦予其一個前進(jìn)距離即可模擬水流的前進(jìn)狀態(tài)。

圖3 重力切線方向分析模型

上述模擬點,每移動一段后重新輸入HoopSnake,此流程進(jìn)行循環(huán)迭代計算,依據(jù)每一步移動距離合理設(shè)置循環(huán)次數(shù),直到達(dá)到預(yù)想情況,停止運算。連接所有雨水位置點,形成線段獲得雨水路徑(圖4)。

圖4 雨水徑流模擬

2.1.3 匯水點模擬

雨水點沿重力切線G方向進(jìn)行多次迭代后搜尋下一個臨近點,最終到達(dá)相鄰高程的最低點時停止計算不再運動,此處便是匯水點。通過計算所得成都市降雨量,模擬出大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)塑造的微地形地表徑流最大流量以及單位時間內(nèi)各匯水點的最大匯水量。

通過對大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)微塑造,改造水域邊際地區(qū)微地形,利用無人機地形掃描、雨水落點模擬、匯流路徑模擬及匯水點分析,精準(zhǔn)模擬地表水徑流及入湖匯水點,為后續(xù)面源污染負(fù)荷計算及水生態(tài)修復(fù)技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 湖體污染負(fù)荷分析

2.2.1 補水污染負(fù)荷

以熊貓基地所在地金牛區(qū)氣象信息做水平衡計算分析。

金牛區(qū)近30年月均降水量、蒸發(fā)量如表2所示。

計算需要的補水量:

W需=W降-W蒸

(1)

W降=水面降雨量(萬m3)-實際降雨量(mm)×水面面積(萬m2)×0.001;

W蒸=水面蒸發(fā)量(萬m3)-實際蒸發(fā)量(mm)×水面面積(萬m2)×0.001。

計算結(jié)果如表3所示。

表2 金牛區(qū)近30年月均降水量、蒸發(fā)量資料

表3 水量平衡分析計算

從計算結(jié)果看出,熊貓基地擴建園區(qū)水域邊際地區(qū)年補水量10.8萬m3,其中7、8、9月不需要補水,最大月補水量出現(xiàn)在5月,需補水6.7萬m3。補水水源地表攜帶的污染負(fù)荷總量計算公式為

Q=αV

(2)

式中:Q為水源攜帶的污染負(fù)荷總量(t/hm2);α為水源水體的單位污染負(fù)荷(mg/L);V為補水水量(m3/a)。根據(jù)計算,補水水源污染負(fù)荷見表4。2.2.2 地表徑流污染負(fù)荷

在降雨過程中雨水及其形成的徑流流經(jīng)各地面,聚集一系列污染物質(zhì)并直接排入水體而造成水質(zhì)污染(初期雨水面源污染負(fù)荷)。大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)周邊綠地植被和土壤中殘留一定程度的污染物,經(jīng)雨水和綠化噴灑隨地表徑流或下滲流入湖體。其匯雨面積約為2.18 km2,成都市公園綠地的雨水徑流TN、TP分別為43.68 mg/L、1.32 mg/L,據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定,綠地地表徑流系數(shù)取0.25,地表徑流計算公式為

Q=10HφF

(3)

式中:Q為年平均地表徑流匯入量(mm);H為設(shè)計降雨量(mm/hm2),參考成都市金牛區(qū)氣象資料;φ為綜合雨量徑流系數(shù),取0.25;F為匯水面積(m2)。

參考《城市面源污染的控制原理和技術(shù)》[12],確定匯水面積內(nèi)地表徑流中主要污染物TN(總硝酸鹽)、TP(總磷)的綜合排放系數(shù)分別為2.2 mg/L、0.18 mg/L。經(jīng)計算,地表徑流污染負(fù)荷見表5。

表4 補水水源污染負(fù)荷

表5 地表徑流污染負(fù)荷值

2.2.3 降雨降塵污染負(fù)荷

自然降雨及湖區(qū)周邊的微地形地表徑流會進(jìn)入湖體。自然降雨對小湖的污染主要體現(xiàn)在初期雨水?dāng)y帶的面源污染負(fù)荷。項目研究地區(qū)的年平均降雨量為885.8 mm。降雨對不同粒徑的顆粒物都有很高的去除率,普遍達(dá)到50%以上。大氣中的營養(yǎng)物質(zhì)會隨著降塵和降雨帶入湖中,降雨和降塵中含有的氮、磷濃度隨地區(qū)特性不一樣而變化,但其影響對于水生態(tài)系統(tǒng)而言無法忽略。據(jù)成都市氣象水文資料顯示,成都地區(qū)初期雨水中的總氮濃度為0.51～3.97 mg/L,磷濃度為0.005～0.44 mg/L。其自然降雨的污染負(fù)荷計算公式為

Q=aDS

(4)

式中:a為年平均降雨量(mm),取885.8 mm;D為初期雨水最大污染負(fù)荷(mg/L),取3.97 mg/L;S為匯雨面積(m2),取14 500 m2。自然降雨的污染負(fù)荷計算結(jié)果如表6所示。

2.2.4 污染負(fù)荷總量

對上述三種主要污染種類的污染負(fù)荷統(tǒng)計分析,采用EPA(美國環(huán)保署)提出的BMPs(best management practices)模型,評估熊貓基地水環(huán)境屏障系統(tǒng)污染物消減及有效截留情況。計算得出大熊貓城市棲息地水域邊際地區(qū)的污染負(fù)荷總消減量如表7所示。

表6 降雨降塵污染負(fù)荷值

表7 污染負(fù)荷總量

模型擬合結(jié)果表明,此技術(shù)手段不僅有效減輕初期降雨徑流水量對湖體的沖擊負(fù)荷,還對非點源污染物進(jìn)行大幅度消減,如TSS(總懸浮固體)消減量為3.24 t、TN(總硝酸鹽)消減量為19.95 t、TP(總磷)消減量為0.85 t。同時,新建熊貓基地園區(qū)湖水邊際構(gòu)建成片低影響開發(fā)(low impact deve-lopment,LID)控制技術(shù),設(shè)置雨水花園、透水鋪裝、植草溝、綠色屋頂?shù)?最終構(gòu)建起一套針對熊貓城市棲息地湖區(qū)水質(zhì)保護的屏障系統(tǒng)。

2.3 園區(qū)立體水生態(tài)體系構(gòu)建

湖區(qū)水體修復(fù)方法有水體交換及原位生態(tài)修復(fù)兩種。根據(jù)熊貓基地擴建園區(qū)補水年最大供給量、建設(shè)周期、成本及水質(zhì)效果多方面對比結(jié)果,擬采用原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行水生態(tài)治理。水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建內(nèi)容主要包括底質(zhì)改良、透明度提升、水生植物群落構(gòu)建、微生物及水生動物群落構(gòu)建等。

2.3.1 底質(zhì)改良

水生態(tài)修復(fù)過程中前期投放部分微生物,對底泥進(jìn)行活化,促進(jìn)沉水植物的生長。一般情況下,微生物采用的是人工投放。隨著工程項目水域的逐步增大,人工投放微生物等已不能滿足項目需求。為此,將機械翻耕旋耕機與微生物投放裝置等整合在一起,形成一套完整的集基底翻耕及微生物投放的組合裝置。

2.3.2 透明度提升

在自然界水體中,水體透明度差,水體中藻類含量相對過多是最主要的原因。自然水體中藻類數(shù)量的多少與水體中浮游動物的數(shù)量有關(guān)。浮游動物是藻類等浮游植物的天敵,通過浮游動物控制水體中藻類提升水體的透明度是切實可行的措施。通過引入“食藻蟲”這一浮游動物,形成由浮游植物(藻類)→“食藻蟲”→魚類的食物鏈,實現(xiàn)富營養(yǎng)物質(zhì)資源化,將富營養(yǎng)資源轉(zhuǎn)移出湖體。食藻蟲是自然界廣布種,可被水中魚蝦螺貝及魚類攝食,成為食物鏈系統(tǒng)的一部分。食藻蟲能大量攝食水體中的藍(lán)綠藻、腐屑、懸浮物顆粒物等,迅速提高水體透明度,促進(jìn)沉水植物生長及生態(tài)系統(tǒng)光合作用,且食藻蟲弱酸性分泌物可有效抑制藻類的繁殖,避免藻華爆發(fā)。湖體構(gòu)建期投放的食藻蟲在生態(tài)系統(tǒng)中形成穩(wěn)定的種群數(shù)量,以水體中的藻類為食,控制藻類的數(shù)量,從而達(dá)到生態(tài)平衡狀態(tài)。

2.3.3 水生植物群落構(gòu)建

作為生態(tài)水處理的沉水植物,種植時須滿足三個條件:一是凈水能力強,二是景觀效果好,三是能夠有效控制,不會恣意泛濫生長的種類。

為此,在總磷、總氮等污染物質(zhì)濃度較高的進(jìn)水?dāng)嗝?構(gòu)建水深較淺的湖體地形以適宜矮型苦草、金魚藻等耐高濃度總磷、總氮的動植物生存;在湖體中間斷面構(gòu)建水深較深的湖體地形,以便于苦刺草、食藻蟲等主要水質(zhì)凈化功能性群落生存;最后,于末端斷面構(gòu)建適宜水質(zhì)敏感類動植物生存的湖體地形環(huán)境。

根據(jù)成都市的地理環(huán)境、氣候、光照等特點,結(jié)合項目的工況條件,置四季常綠矮型耐污型苦草、改良刺苦草、龍須眼子菜、水蘭、小茨藻、伊樂藻和輪葉黑藻來構(gòu)建園區(qū)水生態(tài)沉水植物群落系統(tǒng)。

2.3.4 微生物及水生動物群落構(gòu)建

良好的水生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)“分解者、消費者、生產(chǎn)者”的合理配置。在湖體底改微生物群落的基礎(chǔ)上,投放光合細(xì)菌、芽孢桿菌等產(chǎn)氧、凈化水質(zhì)的菌種,構(gòu)建水體中的微生物群落,形成“水底-水中”完整的微生物群落系統(tǒng)。

在湖體內(nèi)投放水生動物,形成穩(wěn)定的水生動物群落結(jié)構(gòu)。魚類以肉食性魚類為主,輔助投放濾食性和雜食性魚類。同時投放蝦、螺、貝等底棲動物,完善食物鏈。

通過水域底部地形塑造及對水生態(tài)系統(tǒng)的立體營造達(dá)到不同區(qū)域內(nèi)功能性群落的合理分布,水域水體徑流過程中TN(總硝酸鹽)、TP(總磷)不斷下降,DO(溶解氧)不斷上升。經(jīng)水質(zhì)監(jiān)測,湖區(qū)核心部位及出水部位湖體水質(zhì)總氮、總磷、溶解氧分別為0.12 mg/L、0.008 mg/L、8.6 mg/L,逐步實現(xiàn)從地表Ⅲ類水體到Ⅱ類水體凈化提升。提升效果如表8和圖5所示。

3 效果與結(jié)論

針對新建的熊貓基地公園湖泊,借助湖區(qū)周邊LID(低影響開發(fā))技術(shù)手段,并通過對熊貓生存場域環(huán)境內(nèi)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理,營造湖區(qū)邊際微地形及水環(huán)境屏障系統(tǒng);對場域內(nèi)地形進(jìn)行匯水分析與匯水點模擬,計算湖體污染負(fù)荷,并對野生大熊貓的水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行模擬分析,快速構(gòu)建了熊貓生存環(huán)境的自凈化立體水生態(tài)體系(包括水生環(huán)境改造和水生植物群落構(gòu)建),為大熊貓?zhí)峁┝诉m宜的水生環(huán)境。第三方機構(gòu)水質(zhì)檢測結(jié)果顯示,完工后1年內(nèi),熊貓基地擴建工程公園湖區(qū)核心部位及出水部位湖體水質(zhì)各項檢測指標(biāo)均達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),恢復(fù)效果明顯。湖水水質(zhì)、透明度均已達(dá)到預(yù)期要求,后續(xù)也產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)和經(jīng)濟效益。

表8 湖區(qū)斷面單項指標(biāo)達(dá)標(biāo)率

圖5 熊貓基地1#人工湖泊凈化后效果