梯級溢流堰對入湖河流水環境的影響

張邦喜，秦 松，夏品華，林 陶

(1．貴州省農業資源與環境研究所，貴州 貴陽550006;2．貴州師范大學 貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴州 貴陽550001)

(責任編輯 徐素霞)

河流是水循環中重要的一環，是陸地生態系統和水生態系統間物質循環的主要通道，健康的河流能夠提供食物、工農業及生活用水，還具商業、交通、休閑娛樂等諸多服務功能。然而河流生態系統比較容易受到外來污染的影響，并且一旦發生污染，很容易波及整個流域，因而采取有效治理措施使被污染的河流水體變成可利用的資源是當今環境科學、水域生態學研究的熱點問題［1］。

河道溢流堰技術是直接在河床上建堰攔水，通過重力沉降、植物吸收和微生物降解等作用對水質進行凈化，從而改善河流生態環境的方法，具有成本低、運行管理簡單、能持續發揮水質凈化作用等優點，因此成為城市污染河水處理的優選技術［2-5］。然而，把這種技術用于喀斯特山區污染河流治理，在國內外還少見報道。為此，本文以百花湖水庫麥西河河道生態修復集成技術研究與示范為例，針對百花湖水庫入庫河流麥西河水體富營養化嚴重和生態環境嚴重退化等主要環境問題，通過布設麥西河生態工程措施，建設有魅力的水邊空間，恢復和創造有生命的河流，使河流的生態環境和生態系統得到改善，旨在為今后山區污染河道的生態修復和水資源的綜合管理與治理提供理論依據和技術指導。

1 工程概況

1．1 工程簡介與設計

貴州是一個海拔較高、緯度較低、喀斯特地貌典型發育的山區省份，河流、溝渠落差大;氣候具有典型的高原性季風氣候特點，系亞熱帶濕潤溫和型氣候。根據山區河流天然落差大，具有建設梯級溢流堰以凈化水質的優勢，將麥西河全長約1 300 m 的河道，自上游到下游劃分為5 個區段(如圖1)，修筑梯級溢流堰系統，自2010年5月3日開始構建，至6月20日完成。另外，該河流直接進入百花湖(水庫)水源保護區，為保障出水質量，采用人工輔助手段恢復河流植被生態系統，通過優化設計，實現物理沉降、自然曝氣、微生物、水生植物、水生動物和基質的有機結合，共同構成一個復雜的河流系統，以較大程度地增加工程生態系統的多樣性和穩定性，從而使整個系統具有較強的抗污染負荷沖擊的能力。

圖1 麥西河梯級溢流堰系統

1．2 河道構建

整個系統分為5 個梯級單元，各級單元參數見表1。通過工藝和結構優化，集成了溢流堰-人工濕地工藝的組合優勢，溢流堰串聯延長水力滯留時間，發揮物理沉降和厭氧消化功能;利用河道地形落差大的特點進行跌水曝氣、滾水壩曝氣，增加水體的溶解氧(DO)含量，提高水體自凈能力［6-7］。

表1 溢流堰參數特征

1．3 河道植被構建

梯級溢流堰建成后，示范區河段環境和景觀有明顯的改變，河面變寬，水域面積增大，一些濕生及挺水植物(如莎草科和禾本科的多種植物)開始生長，但由于所選河段污染嚴重，未見沉水植物，故采用人工輔助恢復的手段，選擇凈化能力強、環境適宜的植物進行河道修復，分期引種了挺水植物(如美人蕉、蘆葦、菖蒲和茭白等)、沉水植物(如菹草、苦草、黑藻、輪藻、金魚藻、眼子菜、茨藻等)，以豐富植物的多樣性，完善河道植物群落結構，恢復河道植被生態系統。其次，對必要河段進行底泥清淤，清理了河道固廢垃圾及水花生。最后，沿岸種植了楊樹、柳樹等植物。待水生植物基本恢復后開始監測，發現試驗區域內共有濕生植物17種，其中沉水植物7 種、挺水植物3 種、浮水植物3 種、河岸帶濕生植物4 種。根據水生植物分布(表2)可以看出，dam5 溢流堰中水生植物的種類多于其余滯留塘，說明梯級溢流堰對水生植物的生境有一定的改善作用［8］。

表2 各采樣點濕生植物種類組成

2 工程實施效果分析

2．1 工程實施后水環境條件的變化特征

工程建成、植物群落恢復穩定后，在S 點進水處和dam1、dam2、dam3、dam4、dam5 滾水壩出水處設采樣點，于2010年7月至2011年7月每月監測1 次。從1年的監測均值(見圖2)來看，水體經梯級溢流堰系統后DO 濃度均大幅增加，分析原因為:水流經梯級溢流堰的水壩曝氣及系統內各種水生植物根部向水體輸送氧氣，增加了水體溶解氧含量。而系統進出水pH 值基本上在7 ～8 之間變化，沒有大的波動，這表明梯級溢流堰對河水pH 值影響較小。

圖2 溢流堰系統各采樣點溶解氧濃度和pH 值變化

2．2 工程實施后水體營養鹽的去除效果

工程實施后系統中水生植物對水體營養鹽地球化學循環過程的影響，除通過直接的同化吸收外，更主要的是通過環境條件改變來加強營養鹽的轉化過程的［9-10］。試驗河段水質改善工程經過1年的運行之后，各采樣點各參數的年平均值變化趨勢如圖3?？梢钥闯?，受污河水流經梯級溢流堰系統后，總體上營養鹽濃度在降低。其中，總氮從9．59 mg/L 降低到4．05 mg/L 左右，氨氮從3．52 mg/L 降低到0．99 mg/L 左右，懸浮物從17 mg/L 降低到7 mg/L 左右，化學耗氧量從16 mg/L 降低到6 mg/L 左右，總磷從0．42 mg/L降低到0．1 mg/L 左右，可溶性總磷從0．33 mg/L 降低到0．08 mg/L左右。另外，從各級溢流堰出水營養鹽年平均含量變化來看，各級溢流堰與整個系統對營養鹽的去除效果有所不同，有些溢流堰出水營養鹽年平均值未呈現梯級下降的趨勢，這一現象的存在可能是各級溢流堰內的水生植物恢復數量及其對受污水體的滯留時間不同所致，并受河岸兩側的農田滲流等因素的影響，這也是河道污染物輸入呈現波動的主要原因［11-12］。1年的試驗結果表明，梯級溢流堰系統對于山區河道受污水體有較好的去除效果，其對受污水體的凈化效果要顯著優于單個溢流堰系統。

圖3 生態修復工程實施后各采樣點水質參數變化

2．3 工程實施前后水體營養鹽的去除效果

圖4 河道梯級溢流堰系統實施前后各水質參數去除率

將試驗工程完成后的一年與試驗工程實施前一年的水質指標進行對比可知，富營養化指標存在明顯的區別(圖4)，除工程實施前未監測的可溶性總磷及可溶性總氮外，工程實施后總磷、總氮、氨氮、有機質、懸浮物的年平均去除率分別為76．62%、57．77%、71．96%、61．38%和59．60%，按去除率排序為總磷＞氨氮＞有機質＞懸浮物＞總氮。同時，對比前后兩年的水質指標發現，除懸浮物濃度外，幾乎所有水質指標工程完成后的一年都好于工程實施前，好轉的幅度為17% ～71%。工程實施后，懸浮物年平均去除效果反而較差，可能與工程實施后河道水面拓寬、拓深，水質明顯好轉，魚蝦重現，河道兩側小孩嬉水，致使植物截留的懸浮物及沉積物再懸浮有關［13］。總的來看，河道生態工程的實施改善了入湖/庫河道受污水體水質，為周圍居民提供了休閑空間，在生態教育等方面具有廣泛的社會價值。

3 結 論

(1)該系統根據當地地形落差大的特點，利用河道進行跌水曝氣，無需動力。

(2)通過工藝和結構優化，集成了溢流堰-人工濕地工藝的組合優勢，溢流堰串聯延長水力滯留時間，發揮物理沉降和厭氧消化功能，可攔截大部分漂浮雜物及懸浮物。

(3)在溢流堰內種植各種水生植物，不僅可以直接利用氮磷營養物質、補充氧氣、美化環境，還可給微生物提供附著載體，提高凈化效率。另外，溢流堰內還可以放養魚，為農民增收，其出水灌溉還可以緩解農村用水緊張問題。

(4)不投放藥劑，無二次污染，管理運行簡便，無需專人管理和運行經費，處理效果穩定可靠，這是貧困山區農村污水處理良好運行的保證。

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