水生態修復技術在徐州小沿河水源地保護中的應用

王小贊 尚化莊 李玉前

摘要 [目的]探討水生態修復技術在徐州小沿河水源地保護中的應用效果。[方法]根據2012年監測資料，對徐州市小沿河水源地水生態修復工程措施的修復能力及效果進行分析評價。[結果]如果用去除率表示，修復工程對高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH4-N）和總磷（TP）的修復能力分別大于等于41.57%、79.49%和71.18%。修復工程實施后，綜合水質類別由原來的Ⅳ類提升為Ⅲ類。[結論]水生態修復工程對水源地水質具有明顯的提升作用。

關鍵詞 水生態修復；水源地；去除量；去除率；修復能力

中圖分類號 S181文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）16-0185-04

Abstract [Objective] The aim was to explore the application of water ecological restoration technology in protection of Xiaoyanhe water source in Xuzhou. [Method] On the basis of the monitoring data of 2012， the restoration capacity and restoration effect of water ecological restoration system of Xiaoyanhe water source in Xuzhou were evaluated. [Result] If represented using decreasing rate， the restoration capacity to CODMn， NH4N and TP was greater than or equal to 41.57%， 79.49% and 71.18%， respectively. Water quality was improved from level Ⅳ to level Ⅲ. [Conclusion] The application of water ecological restoration system can significantly improve water quality.

Key words Water ecological restoration system；Water source；Decreasing volume；Decreasing rate；Restoration capacity

水生態修復是利用生態系統原理，按照自然界的自身規律使水體恢復自我修復功能，采取各種工程、生物和生態措施，修復或恢復受損傷的水體生態系統的生物群體及結構，增強水體的自凈能力，重建健康的水生態系統[ 1]。目前，水生態修復技術主要有3種，即物理修復技術（外源控制、底泥疏浚、水動力循環治理）、化學修復技術（化學除藻、沉淀凈化）和生物修復技術（生物過濾技術、微生物技術）。物理修復技術中的水動力循環治理和生物修復技術是目前水源地保護區采用的主要途徑之一[2]。現有的水動力循環治理技術主要是太陽能水生態修復系統，生物修復技術主要是植物措施[3-9]。植物措施具體包括植被緩沖帶、沉水植物和植物浮床[10-12]。植被緩沖帶可以控制地表徑流，削減面源污染，沉水植物和植物浮床可以利用植物的莖和根部吸附吸收水體中的氮、磷等營養元素以及有機污染物，消減水體中的污染物。Koichi 等[13]、劉足根等[14]研究表明，水生植物的根部能吸收底質中的氮、磷，植物體能吸收水中的氮、磷，所以在沉水植物分布的區域，總磷、氨氮都低于無沉水植物分布的區域。劉足根等[14]研究表明，不同生活型的水生植物物種的合理鑲嵌組合所形成的水生植物群落比單一生活型水生植物氮磷去除率更高，且凈化效果更穩定，這在實際修復工程中也有部分佐證[15]。

小沿河水源地是徐州市目前唯一的地表水集中飲用水源地，承擔著徐州市北區100萬人口的飲用水供水任務。由于水源地為開放式河道型水源地，水質易受外部突發性污染事故的影響，抗風險能力較低。為使小沿河水源地水質穩定達標，徐州市水務局從2010年起，在保護區內采用了太陽能、水生植物及種植生態懸床等多種形式相結合的水生態修復系統，改善提升水源地水質。筆者對小沿河水源地這些水生態修復措施的修復能力及修復效果進行了分析。

1 小沿河水源地保護區概況

小沿河飲用水源地位于江蘇省徐州市銅山區柳新鎮境內，上至微山湖深湖區，下至微山湖湖西航道，屬于河道型地表水水源地。取水口位于柳新鎮北部的小沿河上，通過小沿河與微山湖湖區大水面連通（圖1）。

小沿河河道總長15.5 km，河寬50～80 m，水深4～5 m。取水口至上游1.6 km處為一級保護區，1.6 km處至上游3.1 km 處為二級保護區，上游3.1 km處到微山湖入湖口為準保護區。

水源內的污染物主要來自微山湖集水區域內的工業污水和農業面源污染以及小沿河沿線周邊的農田退水、工業廢水、村莊污水。

2 生態修復工程建設

2.1 太陽能生態修復工程

太陽能水生態修復系統的主要功能是在水體中提供好氧和縱向循環環境，為好氧微生物的生長創造有利條件，加速好氧微生物對有機污染物的分解、吸收和轉化，降低水體有機污染負荷和氮、磷養分。

作為一種有效控藻、復氧、節能、低成本的環保工程措施，在小沿河工程中，太陽能水生態修復系統主要應用在一級保護區。2010—2011年，每年安裝2臺太陽能生態修復系統，每臺水循環量為10萬t/d，2012年增設為8臺。

2.2 水生植物工程

水生植物在水生態系統中的修復過程主要是通過枝葉和根系形成天然的過濾層，對水中污染物吸附、分解或轉化，促進水體中的養分平衡，同時，水生植物釋放的氧氣可以增加水體中的溶解氧，抑制有害菌的生長。

水生植物工程主要采取了在二級保護區構建濱岸帶（植被緩沖帶）及生態懸床相結合的技術。小沿河工程河段設計全長約4.2 km，全線兩岸高程30.5～32.8 m，2011年設置濕生—挺水—沉水植物濱岸帶，其中沉水植物（包括伊樂藻、刺苦草、龍須眼子菜、水毛茛、輪葉黑藻、狐尾藻）帶位于河道兩側高程30.5～31.2 m的水域；挺水植物（包括再力花、水蔥、茭草和黑三棱）帶位于河道兩側高程31.2～32.3 m的水陸交錯帶；濕生植物（梭魚草、西伯利亞鳶尾、黃菖蒲和千屈菜）帶位于河道兩側高程32.3～32.8 m的區域，共布置植物濱岸帶約10萬m2。2012年在河道中心處布設生態懸床6 000 m2，所用植物主要為伊樂藻和刺苦草。

3 成效分析

3.1 資料選取及處理

江蘇省水環境監測中心徐州分中心對小沿河取水口至微山湖湖區大水面沿線布設了8個斷面進行日常監測，其中一級保護區、二級保護區和準保護區均布設1個監測斷面，監測頻次為每月3次，上、中、下旬各1次，特殊情況進行加測。該研究采用2011—2012年監測資料，對入湖口斷面（上級湖來水）和經過生態修復工程修復過的取水口斷面（一級保護區）水質進行對比分析，分析項目包括溶解氧、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH4-N）、總磷（TP）。采用去除率表示修復工程的實際修復效果，式（1）為去除率的計算公式。所用監測資料及相關計算結果見表1和表2。

3.2 高錳酸鹽指數、氨氮、總磷去除效果分析

3.2.1 去除效果年際分析。

入湖口斷面處的水體在準水源保護區上游須經過準保護區、二級保護區、一級保護區及各區內水生態修復工程修復后才能到達取水口處。2011、2012年監測資料分析結果表明，修復工程啟用后，CODMn、氨氮、總磷含量都有明顯的去除效果。CODMn的平均去除率由7.39%增大到24.39%，最大去除率由20.29%增大到41.57%；氨氮的平均去除率由36.14%增大到67.89%，最大去除率由66.67%增大到79.49%；總磷含量平均去除率由21.85%增大到47.05%，最大去除率由48.48%增大到71.18%。

3.2.2 去除效果年內變化。

3.2.2.1 CODMn。由表2可知，2012年CODMn去除率最大值為41.57%，最小值為0，年內變幅較大，去除率的變化與入湖口CODMn年內變化趨勢一致（圖2、3）。

分析認為，實際去除率的大小并非僅與季節氣候條件直接相關，還與入湖口水體的污染物濃度相關，入湖口水體污染物濃度越大，去除效果越明顯。若用去除率來表示修復效果，則小沿河水生態修復工程對CODMn的修復能力≥41.57%。

3.2.2.2 氨氮。

由表2可知，2012年氨氮去除率的最大值為79.49%，最小值為50.00%，氨氮的去除率與入湖口氨氮濃度有很好的相關關系，含量越高，去除率越大（圖4）。

3.2.2.3 總磷。

由表2可知，2012年總磷去除率的最大值為71.18%，最小值為13.46%，去除率與入湖口總磷年內變化趨勢一致，含量越高去除率越大（圖5）。若用去除率來表示，則小沿河水生態修復工程對總磷的修復能力≥71.18%。

馬井泉等[16]研究表明，在監測的30 d內，梭魚草、茭草、香蒲和苦草濕地內氨氮的凈化效率分別達88.0%、87.4%、92.2%和97.0%。挺水植物濕地和沉水植物濕地對磷的凈化效果均非常顯著。梭魚草、茭草、香蒲和苦草濕地內總磷的凈化效率分別為90.0%、97.0%、90.0%和98.0%。小沿河保護區內所布設的水生植物都包含有梭魚草、茭草、香蒲和苦草，同時與其他植物物種合理鑲嵌組合有著更明顯的效果。

3.3 溶解氧變化分析

選用取水口斷面2012年5—9月資料與2011年同期資料進行對比分析。由圖6可知，由于水生植物可以釋放氧氣，增加水中的的溶氧量，所以溶解氧含量有明顯增加，平均增長率為18.48%。因為植物光合作用與氣溫、日照強度、日照時數等有關，所以夏季7—9月增幅明顯大于5—6月。但溶解氧同時受到大氣復氧等氣候條件影響，導致其變化規律不特別明顯。

3.4 水質分析評價

參照我國地表水環境質量標準，依據表2中的監測結果對入湖口和取水口水質進行對比分析評價，根據各水質指標的水質類別對比見表3。從CODMn、氨氮、總磷含量3個方面進行分析。

3.4.1 CODMn。

在13個監測時間點，入湖口的Ⅲ類占15.38%，Ⅳ類占84.62%，取水口均為Ⅲ類。可以看出，僅據CODMn來看，水生態修復工程運行后，84.62%的時間點水質級別由Ⅳ類提升為Ⅲ類。

3.4.2 氨氮。

在13個監測時間點，入湖口的Ⅲ類占15.38%，Ⅱ類占76.92%，Ⅰ類占7.69%，取水口均為Ⅰ類。可以看出，僅據氨氮來看，水生態修復工程運行后，76.92%的時間點，水質級別由Ⅱ類提升為Ⅰ類，15.38%的時間點水質級別由Ⅲ類提升為Ⅰ類。

3.4.3 總磷。

在13個監測時間點，入湖口的Ⅱ類占92.31%，Ⅲ類占7.69%：取水口均為Ⅱ類。僅據總磷來看，盡管92.31%的時間點水質級別沒有提升，但從總磷含量可以看出水質本身還是有明顯的改善。

3 結論

自2010年5月，小沿河水源地陸續建設了太陽能以及水生植物等水生態修復工程，根據入湖口和取水口的水質監測資料，對水生態修復工程的修復能力及修復效果進行分析研究，得出以下結論：

（1）小沿河水生態修復工程對污染物指標去除效果明顯。根據對2012年監測資料分析計算，若用去除量來表示，小沿河水生態修復工程對CODMn的修復能力≥3.7 mg/L；對氨氮的修復能力≥0.36 mg/L；對總磷的修復能力≥0.121 mg/L。如用去除率來表示，則小沿河水生態修復工程對CODMn的修復能力≥41.57%；對氨氮的修復能力≥79.49%；對總磷的修復能力≥71.18%。

（2）小沿河水生態修復工程對水質有顯著提升作用。根據對2012年入湖口和取水口水質監測資料對比分析可以發現，單項指標CODMn的水質類別可由原來的Ⅳ類提升為Ⅲ類；單項指標氨氮的水質級別可由原來的Ⅲ類提升為Ⅰ類；單項指標總磷的水質級別可由原來的Ⅲ類提升為Ⅱ類；綜合水質類別由原來的Ⅳ類提升為Ⅲ類。

參考文獻

[1] 顏雷，田庶慧.水生態環境修復研究綜述[J].水利科技與經濟，2011，17（9）：73-75.

[2] 葉建鋒，操家順.生態修復技術在保護水庫水源地中的應用[J].環境科學與技術，2004，27（2）：61-63.

[3] 魯巍，郄燕秋，張韻.太陽能水生態修復系統在水庫水質保障體系中的應用研究[J].給水排水，2012，38（S2）：73-75.

[4] 王文林，殷小海，衛臻，等.太陽能曝氣技術治理城市重污染河道試驗研究[J].中國給水排水，2008，24（17）：44-48.

[5] 陳江，汪麗，王東洲，等.水動力循環復氧控藻技術在城市景觀水體富營養化治理中的應用研究[J] 安徽農業科學，2013，41（10）：4439-4441.

[6] 關小俠，李鋼，李家振，等.太陽能水生態修復系統在水源地保護工程中的應用[J].中國資源綜合利用，2014，30（4）：45-47.

[7] 宋旭，蔡繼杰，丁學鋒，等.富營養化水體的物理-生態修復技術發展綜述[J].農業環境科學學報，2007，26（S1）：465-468.

[8] 李文朝.富營養水體中常綠水生植被組建及凈化效果研究[J].中國環境科學，1997，17（1）：53-57.

[9] 陳煜權.河道型水源地水體原位生態凈化工程研究：以小沿河為例[J].浙江水利科技，2012（4）：15-17.

[10] 張建春，彭補拙.河岸帶研究及其退化生態系統的恢復與重建[J].生態學報，2003，23（1）：56 -63.

[11] 游灝.五種沉水植物對富營養化水體的生態適應性研究[D].南京：南京農業大學，2006.

[12] 張宇，王圣瑞，李重祥，等.沉水植物對富營養化水體的修復作用及其研究展望[J].內蒙古草業，2009，21（1）：17-21.

[13] TAGUCHI K，NAKATA K.Evaluation of biological water purification functions of inland lakes using an aquatic ecosystem model[J].Ecological modelling，2009，220（18）：2255-2271.

[14] 劉足根，張萌，李雄清，等.沉水-挺水植物鑲嵌組合的水體氮磷去除效果研究[J].長江流域資源與環境，2015，24（S1）：171-181.

[15] 張萌，曹特，過龍根，等.武漢東湖水生植被重建及水質改善試驗研究[J].環境科學與技術，2010，33（6）：154-159.

[16] 馬井泉，周懷東，董哲仁.水生植物對氮和磷去除效果的試驗研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2005，3（2）：130-134.