臨汾汾河公園人工湖生態修復

章 毅，姚靜波，陳 靜，郭 佳，陳 波

(誠邦生態環境股份有限公司，浙江 杭州310008)

1 引言

隨著生態文明建設的推進，人工湖以其特有的生態和景觀價值，逐漸成為城鄉居民休閑娛樂場所的重要組成部分。人工湖在美化人居環境的同時還具有調節氣候、保持水土、調蓄洪澇、改善環境等作用[1]。然而，人工湖是一種比較封閉的水體，具有水體流動性差、水位低、容量小等特點，從而導致其自凈能力弱；同時，由于人類活動的影響，水體受到不同程度的污染，甚至出現富營養化問題[2]。國外對于城市人工湖的生態修復研究較早，已取得較為成熟的工程經驗；而國內對此研究仍處于起步階段[3]。本文以臨汾汾河城區段生態環境綜合治理工程的1號人工湖生態修復項目為例，進行水體凈化與生態修復工藝研究，旨在探索適合城市人工湖生態修復的組合工藝及其運營管理要點，總結技術體系，為城市人工湖生態修復提供借鑒。

2 人工湖現狀分析

2.1 工程背景

為推進集綠色帶、生態帶、產業帶、城鎮帶為一體的百里汾河生態經濟帶建設，山西省臨汾市政府精心謀劃，統籌實施河道生態治理修復、道路交通建設、產業園區建設、文化旅游景區開發和城鎮化建設五大工程，成為建設“美麗中國”的區域樣本。汾河景區是百里汾河生態經濟帶的龍頭工程，也是臨汾打造文化旅游強市的一張金名片。汾河景區分為上、下游生態濕地段和城區生態文化精品段，精品段內設有文化藝術區、科普活動區、素質拓展區、體育休閑區、青少年活動區、地域文化展示區等六大功能區。

2.2 人工湖概況

本工程位于汾河西岸、城區精品段文化藝術區內，共有3個人工湖(1號、2號、3號人工湖)，湖區總面積91685 m2，水深3.2～5.2 m。其中1號人工湖位于湖區的北面，面積29071 m2，平均水深4 m，最大水深5.2 m(圖1)。由于缺少專業的管理，人工湖的水質開始惡化，水面出現富營養化現象，水體變黑變臭，逐漸成為劣V類水。

人工湖的初期蓄水和后期主要的補水水源為汾河河水，遇強降水有地表徑流匯入湖內。因汾河流向為自北向南，故1號人工湖為整個人工湖系統地前置庫，承擔著入湖水源的預處理功能(汾河引水入1號人工湖，再依次流入2、3號人工湖)。可見，1號人工湖的水生態修復對于整個人工湖區的水質提升尤為重要。

圖1 汾河景區城區精品段人工湖分布平面

2.3 污染分析

根據現場勘查及水質分析，造成人工湖水質惡化問題的原因主要如下。

(1)人工湖的自凈能力有限，部分區域水體流動性較差，為藻類的生長提供適宜的水環境。

(2)湖區周邊的綠化排水和雨水徑流造成人工湖的氮磷及有機物含量過多。

(3)補水水源汾河中物質復雜，造成人工湖內懸浮雜質過多，透明度降低。

3 生態修復方案與實施

根據污染分析，綜合考慮污染成因、湖域面積、補水水質、工程技術、工藝特點和運營管理等因素，在遵循生態可持續的原則下，采用“內外結合＋組合工藝”為指導方針。

“內外結合”是指人工湖內部的原位水生態重建與外部的異位水資源凈化相結合。其中，原位水生態重建包括湖區生物群落構建和生態駁岸營建等；異位水資源凈化包括物理凈化和生態水處理等。

“組合工藝”是指運用多種施工工藝，從不同層面對水體進行治理與修復。本工程原位處理的主要工藝為“底泥疏浚＋曝氣充氧＋水生植物群落”；異位處理的主要工藝為“氣浮＋人工濕地”組合工藝。

3.1 工藝流程

本工程對1號人工湖的水生態修復采取的工藝流程如圖2所示。

圖2 人工湖水生態修復工藝流程

3.2 原位處理工藝

3.2.1 底泥疏浚

底泥疏浚是利用機械手段去除湖底沉積物中的營養物質和重金屬等污染物，有效降低水中重金屬、氮、磷及有機物的含量，提高水體透明度和流動性[4]。但是，該方法效果持久性差，且在清淤過程中若處理不當易引起二次污染。本工程采用破壞性較輕的濕法清淤。

3.2.2 曝氣充氧

曝氣充氧是通過機械設備曝氣或擾動增加水體含氧量，提高水中微生物活性及氧化能力[5]。本工程利用噴泉作為水循環動力裝置，不僅具有景觀性，還具有實用性。

3.2.3 生物群落構建

人工湖中的動物、植物、微生物構成了一個完整的生態系統。在這個系統中，各生物之間相互影響，維持人工湖生態的動態平衡。本工程利用空間生態位和營養生態位的原則，強化動物—植物—微生物的互利作用，弱化藻類生長環境，降低富營養化危害，建立高效的人工生態系統。其中，本工程重點應用水生植物群落構建工藝，打造挺水—浮水—漂水—沉水植物生態演替系統，具有較強穩定性和景觀性，顯著提高人工湖對營養物質的凈化能力。

3.2.4 生態駁岸營建

生態駁岸是指修復后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工駁岸，具有一定的抗洪強度，同時可以充分保證河岸與河流之間的水分交換[6]。本工程應用生態袋營建生態駁岸，并在岸邊鋪設草坪，配置濕生植物群落，可有效降低地表徑流，減緩水土流失，提高生物多樣性。

3.3 異位處理工藝

3.3.1 氣浮工藝

氣浮工藝是溶解氣體在水中產生大量的微細氣泡，粘附于水中微小的懸浮顆粒上，造成密度小于水的狀態，利用浮力使其浮在水面，形成泡沫浮渣，從而實現固液分離。針對藻類體積小、質量輕、不易沉淀的問題，氣浮工藝能夠完美解決，故處理富營養化水體更具優勢[7]。本工程中，利用氣浮工藝去除水中的藻類和微小懸浮顆粒，有效防止人工濕地填料堵塞；同時，氣浮工藝對進入人工濕地的污水具有預曝氣的作用，提高填料含氧量，有效防止人工濕地出現黑臭現象。

根據建設單位提供資料，為保證氣浮系統地正常運轉，本工程所安裝的氣浮設備設定進水量為100 m3/h，進水水質標準如表1所示。

表1 設定進水水質標準表

本工程所安裝的氣浮設備運行流程如圖3所示。

3.3.2 人工濕地

人工濕地利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重作用凈化水質，具有投資小、運行費用低、維護方便及去污效果好等特點。人工濕地可分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，而潛流人工濕地根據水流方向的不同可分為垂直潛流人工濕地和水平潛流人工濕地[8]。本工程所應用的水平潛流濕地，在床體內水流方向為水平流動，填充孔隙度良好的填料，底部鋪設防滲層。在濕地表面種植挺水植物，植物根系深入填料層中，與填料交織形成根系層，起到截流過濾作用，并為填料層疏送氧氣[9]。

圖3 氣浮設備運行流程

本工程人工濕地的構筑物采用C25級防水混凝土澆筑，數據規格如表2所示。濕地池中設置四道磚混結構擋墻，用于減緩水體流速，延長水力停留時間，平面布置圖及剖面圖如圖4、圖5所示。濕地填料采用細沙、粗沙、煤渣、石灰石等，分層結構如圖6所示；填料上種植蘆葦、菖蒲、美人蕉、鳶尾等挺水植物。

表2 人工濕地規格

3.4 工程效果與養護管理

本工程自2014年4月完工并投入運行后，水質顯著改善。多年運行結果顯示，水體透明度提高至1.0 m以上，富營養化現象消失，各項指標達到《地表水環境質量標準》GB3838－2002(表3)的Ⅲ類要求。在生態環境得到改善的同時，1號人工湖的景觀效果也得到顯著提升(圖7)。生態和景觀的提升同時也會帶動旅游業的發展。在本工程進行時，臨汾市其他生態工程也在如火如荼地開展。由近3年臨汾市旅游業經濟指標(表4)可見，臨汾市的旅游業經濟效益在生態文明建設下呈穩步上升趨勢，生態工程的效果逐步體現。

圖4 人工濕地平面布置

圖5 人工濕地A－A’剖面

圖6 人工濕地填料結構

1號人工湖的日常管理養護人員僅需1人，主要職責為秋、冬兩季打撈植物殘葉，收割枯敗植物，夏季收割生長過盛植物。

表3 《地表水環境質量標準》GB3838－2002(部分)

表4 臨汾市2015～2017年度旅游業經濟指標統計

4 結語

城市人工湖作為內源性湖泊，是城市水生態環境的重要組成部分，具有收納城市雨污的作用，若運行不當，勢必引起富營養化等問題[10]。本工程根據1號人工湖污染現狀，采用“內外結合＋組合工藝”的治理方針，從原位和異位兩方面共同治理，最終達到水體修復的目的。

圖7 臨汾汾河公園人工湖景觀

通過本工程的實施，總結了城市人工湖生態修復的相關經驗如下。

(1)采用單一的工藝方法處理污水，往往效果不佳。如底泥疏浚處理效果立竿見影，但是持續性差，且容易發生二次污染；人工濕地處理脫氮除磷效果好，出水水質高，但是占地面積大，填料容易堵塞，需要預處理過濾雜質。本工程采取組合工藝的方法。氣浮工藝與人工濕地這兩種工藝具有較好的互補與聯動性。氣浮工藝濾除可能會堵塞濕地填料的固體顆粒，延長濕地填料的使用壽命；人工濕地可消除氣浮法無法消除的氮磷等營養物質。

(2)人工湖因流動性差、封閉性強等特點，在污染治理上應從原位和異位兩方面同時處理。在原位處理上，從提高水體自凈能力和減少外源污染角度進行修復；在異位處理上，從降低水體污染物質含量角度進行治理。本工程通過湖區生物群落構建來提高人工湖生態系統的穩定性，從而提高其自凈能力；通過氣浮工藝和人工濕地處理水體中的營養物質，從而降低水體污染物含量。

(3)人工湖水生態修復需經歷先治理后修復的過程。治理指污染物質的去除和水體凈化；修復指湖區生態系統的構建及維護。只有通過工程手段將湖區生態系統內的污染物質降低到一定濃度以下，然后根據生態位、食物鏈、自然演替等理論構建穩定的動物—植物—微生物生態系統，使其具有一定的自凈與循環能力，才能真正達到生態修復的目的。

(4)城市人工湖的生態修復工程對城市的建設具有生態效益、景觀效益和旅游效益。其中，生態效益是前提，景觀效益是基礎，旅游效益是保障。臨汾市的生態環境工程在提升人居環境的同時，帶動了旅游業的發展，促進了地方經濟的升級，為全國其他生態文明城市的建設提供了美好藍圖。