三峽庫區次級河流富營養化及其生態治理

肖鐵巖　許曉毅　付永川　羅固源

摘要：三峽水庫蓄水水位已達165米，其水環境性質為半封閉型的緩流水體，水體自凈能力下降。庫區次級河流水質的狀況直接影響著三峽庫區的水環境與生態安全。在分析庫區次級河流水體富營養化現狀與發生條件的基礎上，結合國內外河流整治的生態觀念和思路，對庫區次級河流污水生態工程治理技術進行了的初步探討。

關鍵詞：三峽庫區；次級河流；富營養化；生態工程

中圖分類號：X171文獻標志碼：A文章編號：1008－5831(2009)01－0005－04

水體富營養化是指緩流水體中營養物質達到某一限值，在其他相關自然、水文條件等因素的共同影響下，水體發生一系列物理、化學和生物的復雜變化，并導致水生生態系統失衡的過程。舉世矚目的三峽工程目前已蓄水至165m水位，在其防洪、發電、航運和旅游等方面帶來的經濟效益正逐步體現的同時。隨著干流水環境特性的改變，其水污染過程和自凈機制等方面都發生著顯著、深刻的變化。庫區次級河流的水質狀況成為直接影響三峽庫區的水環境質量與生態安全的關鍵因素。筆者在分析庫區次級河流水體富營養化的現狀、發生條件的基礎上，結合國內外治河的生態觀念與思路，提出了庫區河流小流域生態整治的技術思路，并對次級河流污水治理適宜的生態工程技術進行了討論。

一、三峽庫區次級河流富營養化污染特性

(一)庫區次級河流水體富營養化現狀

庫區次級河流流域多為廣闊、起伏綿延的山地，實施污水收集和治理工程代價昂貴而且困難，加之次級河流流域現存的眾多工、農業排放點污染源，以及流向眾多次級河流的緩坡地面徑流形成的面源污染，使庫區次級河流的水環境問題特別突出。三峽庫區蓄水后，次級河流水體局部河段的水文特征、地質條件、水環境容量及納污特性等隨之改變，主要表現為回水段流速顯著降低、水體自凈能力下降，納污容量降低，庫區許多典型次級河流局部回水區域水質與底質惡化，并顯現出浮游生物種類減少而個體密度加大，魚類減少甚至死亡等水體富營養化征兆或爆發潛勢。近兩年的監測結果表明，重慶市境內的70條主要次級河流的172個監測斷面中，不能滿足相應水域功能的斷面比例約30％以上。龍溪河、小安溪河、瀨溪河、梁灘河、苧溪河、龍寶河、五橋河、梅溪河等許多庫區次級河流污染嚴重。主要超標污染物中，總磷、總氮濃度普遍偏高，總磷達劣Ⅴ類的斷面所占比例超過30％，為藻類生長提供了充足的營養鹽，水體富營養化潛勢較高。此外，由于三峽水庫次級河流的開放性特征，次級河流水體富營養化程度存在較明顯的地域、區域分異現象，其回水區富營養化的狀態或潛勢相對更為嚴重，許多河流入江回水區曾一度出現了長度從幾百米到上千米不等的水華帶。

(二)庫區次級河流富營養化條件分析

從營養鹽輸入的角度分析，工業污水、村鎮生活污水、農田徑流、農產品加工廢水、養殖廢水等任意排放，次級河流沿岸的農村生活垃圾、農作物秸桿、人畜糞便形成固體廢棄物、大氣濕沉降等，是流域營養鹽面源污染負荷的主要來源。據統計，庫區典型的15條次級河流中，TN年排放量超過3.14×10⁵t，TP年排放量超過1.76×10⁴t。根據河流流量作靜態粗略分析，并結合現狀監測值，庫區十余條典型次級河流營養鹽輸入量已遠超過“水華”的臨界濃度，支流回水段TP平均濃度為0.148mg／L(最大濃度達到1.368mg／L)，TN平均濃度1.90mg／L(最大濃度達到10.06mg／L)，都遠遠高于湖庫水體出現富營養化的TP和TN臨界濃度0.02、0.2mg／L。庫區支流回水區藻類生長具有充足的營養基礎，因此，次級河流水體營養鹽的輸入和有效削減必須引起足夠重視。

從水體富營養化的作用機制分析，隨著三峽庫區水文條件的顯著改變，同時受水庫回水頂托的影響，次級河流河口一定長度的江段形同緩流湖泊，次級河流流態特征(尤其是河口水文條件)改變，污染物生化降解反應特性等也隨之變化。主要表現為，河口區域水體擴散能力變差，水體稀釋自凈能力和生化反應能力減弱，河口回水腹心區生化反應器水力停留時間增長，污染物尤其是營養鹽積存而易于形成水體內源污染，水體富營養化的潛勢增加等。另一方面，河流富營養化是一個非常復雜的環境生態體系，由于庫區眾多次級河流具有的相對開放特性，藻類爆發生長所涉及的因子就更為復雜。除營養鹽負荷這一重要因素外，次級河流回水河段特性與回水水量、氣候、水溫、鐵錳微量元素含量等因素，也是影響次級河流水體富營養化程度、優勢藻種比例、“水華”發生或消亡、發生區域擴張或收縮的重要因子。

二、庫區次級河流富營養化生態控制技術對策

國外對城市河流的開發和整治先后經歷了三個不同的發展階段，即從初期工程治河階段對河流系統簡單人工化，到污染控制與水質恢復時期側重于以人工措施治理工業及生活污染，再到現階段的可持續管理利用時期的生態修復、河流自然化與功能多樣化。以生態學觀點為指導，采取多學科綜合整治的策略，成為當今世界各國流域生態整治技術的總體思路。

(一)庫區次級河流流域生態整治技術思路

從庫區次級河流水環境與污染防治現狀來看，點源污染的截污、治污與營養負荷減排仍然是一項十分必要的措施，但從非點源污染表現出的產生隨機性、影響滯后性和影響因子復雜性的角度，應該通過環境科學、水力學、生態學、園林學等多學科的方法和原理，實現在截污基礎上河流水體的自凈功能和生態學功能最大化，并引導生態系統向草型生態系統方向發展，恢復次級河流與河岸生態系統的良性循環，再現一個自然的、能自我調節的生態平衡系統。結合三峽庫區的生態環境狀況，從“認識與理解”、“城市河流內涵與外延”、“河流功能”、“次級河流整治”以及“整治系統的技術體系特征”等幾個方面，提出三峽庫區次級河流水體富營養化綜合整治對策的總體思路(表1)。

結合三峽庫區次級河流的普遍特點，認為尤其應從小流域的角度考慮次級河流水污染的綜合整治；對小流域進行不同河流河段的確定功能定位，針對不同河流的污染和生態環境現狀、水文水力條件、流域經濟發展水平，按照生態型河道構建和河流的生態系統修復的原則，科學建立小流域水污染綜合整治的評價指標體系，遵循再生循環的生態原理，利用生態系統的自我組織、自我調節能力，因地制宜、有針對性地進行小流域不同區域的生態修復重建。對于城市河段應采用截污、生態型河道構建等作為主要的治理措施；對于農村河段，則應考慮發展生態農業，注重控制面源污染、畜禽養殖污染、水土流失及污水的生態工程控制。庫區次級河流小流域綜合治理技術路線為：污染源調查一污染物轉移擴散分析一污染負荷削減與污染物治理一河流生態系統自凈一流域生態平衡。

(二)構建流域污染生態綜合整治的評價指標

體系

河流生態系統綜合整治效果評價體系的構建是河流生態整治的核心問題之一。近20年來，國際上對河流健康評價的方法學不斷發展，形成了一系列較為系統的評價方法。從評價原理的層面，可大致將這些評價方法分為預測模型法和多指標評價法。IBI指數(Index of Biotic Integrity)是一種由美國開發的健康河流評價指標多指標指數，其特點是將測試點生物群落的結構、物種的組成、數量及生物量等與參照點對比，得出相應的IBI值，從而得到河流的健康情況。該指標最初用于魚類群落的評價。后來逐步推及到大型脊椎動物。歐盟開發了健康河流評價指標WFD指標(Water Framework Directive)，該指標評價河流的基本原則主要基于河流中的生物(如深水大型無脊椎動物等)，河流按類型劃分并與其對應的參照類型對照，分“優、良、中、差、特差”5級評價，生物元素應考慮其組成、豐度、無脊椎動物種類多樣性水平、敏感的種類與不敏感種類的比例。澳大利亞開發了河流狀況指數(ISC：Index of stream Condition)評價模式，是一種包括河流水力、物理形式、河岸帶、水質、水生動物等5種狀況在內的綜合指標評價體系。

近年來中國已經開始關注從河流健康狀況的視角保護河流，但緣于經濟發展水平上的差異，西部地區在生態治河理念、治河技術體系方面還較為滯后。總體而言，建立庫區典型次級河流健康評價指標體系、河流健康狀況評價方法學以及生物監測評估模式，是次級河流小流域生態綜合整治的重要技術內容。現階段，應首先構建適合于庫區次級河流污染特征和相應水域功能定位的生態評價指標體系，形成現狀監測評估基礎數據庫。

(三)庫區次級河流污染治理生態工程技術分析

十余年來，國內外的有關專家和研究人員經過不斷探索和研究，運用現代生態學、環境科學、系統工程的基本原理和方法，研發了一系列流域水環境生態修復和生態工程技術。結合庫區次級河流地域特點和污染特性，從著眼于外源營養物污染控制和資源持續利用的角度，認為水污染生態治理工程是庫區次級河流流域生態調控修復的較佳選擇之一。庫區次級河流水體富營養化防治應遵循“水污染治理與生態修復”相結合的技術路線，采用低投資、低運行管理費用和適應性較強的生態工程治理技術，并充分發揮資源的生產潛力。

1、人工濕地技術

人工濕地法在歐洲又稱為根區法，通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由基質、植物、微生物和水體組成的復合體，利用生態系統中基質一水生植物一微生物的物理、化學和生物的協同作用，將水中可沉降固體、膠體物質、BOD₅、N、P、重金屬、難降解有機物、細菌和病毒等去除，實現對污水的凈化和改善，是一種具有較高生產力和較大活性的營養鹽控制的生態處理系統。人工濕地的類型主要有水平流碎石床濕地、下行流濕地、上行流濕地等。國內外工程實例資料表明，人工濕地耐污及水力負荷強，抗沖擊負荷性能好，效果穩定，處理廢水能耗省。維護管理簡便，具有相當脫氮除磷能力，并能形成多樣性的生境。人工濕地技術對于小流量及間歇排放的廢水處理以及建設次級河流河口區域生態緩沖帶等尤為適宜。但由于人工濕地系統所需要的土地面積相對較大，一般只能用于次級河流流域中用地相對不受限制的地方，也可用于流域內城鎮污水處理廠尾水的深度處理。

2、人工生態浮島或浮床

生態浮島(浮床)技術是通過人工把水生植物或改良馴化的陸生植物移栽到水面浮島上，植物在浮島上生長，并與微生物形成互生協同效應，通過根系吸附并吸收水體中的氮、磷等營養物質，從而達到防治水體富營養化的目的。一些浮島植物還具有良好的克藻效用，能專性地抑制相應藻類的生長。一個完整的浮島主要包括三個部分：浮島載體、浮島固定裝置和浮島植物。人工生態浮島技術是一種非常有效的水體氮磷污染防治技術，在國內外具有許多成功應用的實例，和其他污水生態治理技術相比，在工程造價與占地、營養鹽去除效果、生物生態多樣性、人造景觀以及經濟效益等方面優勢明顯，是一種適宜用于庫區次級河流水體富營養化防治的一種生態工程技術，尤適用于河流中氮磷濃度高且水流流速平緩的中小河道。但作為一種新興的水處理生態技術，人工浮島技術出水水質的可靠性和穩定性還有待進一步提高，尤其在冬季氣溫較低的條件下，植物生長受到抑制而對處理效果產生一定的不利影響。

3、生態穩定塘

生態穩定塘是一種半人工的生態系統，細菌、浮游動物、藻類等水生植物、高等動物等形成多條食物鏈，構成穩定塘中各種生物相互依存、相互制約的復雜生態體系，其功能主要是滯留污染徑流，循環利用水體中的營養物質，使廢水中的污染物質得到分級轉化、降解和利用。生態穩定塘進行污水凈化的占地面積相對較大，且作為一種半人工的生態系統，人為調節眾多環境因子的能力非常有限。但生態穩定塘建造成本低，操作管理容易，不僅能取得良好的BOD₅去除效果，而且可有效去除氮、磷等營養物質，還原重金屬及有毒有機物等。因此，生態穩定塘不僅可以作為庫區污水營養鹽去除的一種具有競爭優勢的生態工程技術，而且也是能夠結合水產養殖的一種有效的資源化手段。

4、生態溝凈化技術

生態溝是一種凈化農村生活污水的治理系統。一般在其溝底鋪鵝卵石，中間鋪粗砂，表面鋪細沙。細沙上種水浮蓮、水芋等根系發達的植物。生態溝技術對營養物質的去除主要通過土壤的浸潤毛細作用，吸附、過濾、沉淀作用以及生物降解與土壤中生長的植物攝取作用，實現污水高效治理及營養物去除的目的。同時，溝中沙石填料構成濾床也可對污水中顆粒雜物進行過濾治理。經生態溝后處理的農村生活污水，還可直接排入農田灌溉，實現污水的資源化利用。生態溝技術污水治理成本很低，從保護農村生態環境和降低入河氮磷污染負荷的角度，很值得在庫區廣泛推廣。

三、結語

結合庫區次級河流水體富營養化現狀與特性以及過去幾十年國際上的污染河流治理經驗，從小流域的角度考慮次級河流水污染的綜合整治，削減流域面源營養污染負荷，恢復河流應有的自然物理生態結構，是庫區次級河流富營養化污染防治和恢復河流生態系統功能的最根本措施。充分利用生態系統的自我組織和自我調節能力，因地制宜地優化組合各種生態工程治理技術對受污染水體進行治理，是三峽庫區富營養化水體防治的最佳選擇之一，對改善庫區水環境質量、促進庫區次級河流小流域生態系統的良性循環和可持續發展具有重要意義。

(責任編輯傅旭東)