城市湖泊生態修復的水質響應研究

謝季遙， 陳 星， 許 欽， 崔廣柏， 朱麗麗

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學研究院 水文水資源研究所， 江蘇 南京 210029； 3.江蘇省常熟市水利技術推廣站， 江蘇 常熟 215500)

1 研究背景

在人類活動的強烈干擾下，城市淺水湖泊生態系統呈現逐步退化的趨勢[1-2]。修復城市湖泊生態系統、恢復和維持湖泊水體良好水質的措施研究成為熱點[1-3]。目前，運用恢復措施改善湖泊水環境質量的研究已經取得了一些成果[4-10]，疏浚、磷滅活和生物操縱等措施已經在工程實際中廣泛應用[9-14]，一些學者通過建立數學模型分析湖泊營養鹽的遷移及水質對生態修復措施的響應[6-10]，但多數預測方法較為復雜、對資料的要求較高[9-10]，因此湖泊水質預測與水環境改善效果評價的簡單方法研究具有現實意義。潛龍渠位于水網密集、水力聯系緊密的蘇州盛澤鎮，受到發達的印染紡織業、農業耕種養殖以及生活污水的影響，水質逐年惡化[15]。本文以潛龍渠為研究對象，采用水質綜合污染指數法、基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法及水質提升貢獻度分析了生態修復的水質響應，運用基于污染負荷平衡的水質模型模擬、預測了生態修復措施作用下的水質變化，為城市淺水湖泊生態環境恢復提供參考。

2 材料和方法

2.1 研究對象

潛龍渠位于蘇州市盛澤鎮西北，地處北亞熱帶海洋性季風濕潤區，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，秋、冬季以西北風為主，春、夏季以東南風為主。多年平均氣溫15.3℃，多年平均降雨量1 074.1mm，多年平均相對濕度80%，多年平均風速3.8 m/s。潛龍渠為圩內湖蕩，圩內水面率9.51%，湖泊平均水深1.69 m，常水位下湖泊面積0.27 km2，湖泊容積46.31×104m3。周邊水系呈現“三橫兩縱”形式，主要入湖河道為野河蕩、長蕩，出湖河道有燕頭浜、金門頭港，出、入湖水量基本相同，水系格局見圖1。湖泊中的營養物質由于印染紡織業等污染的影響逐年累積，生態環境遭受嚴重的破壞。通過生態修復，將喜潭潭和潛龍渠合并成一個湖泊，以發揮城市湖泊生態景觀示范工程的輻射作用。

2.2 潛龍渠生態修復措施與水質監測

潛龍渠的生態修復分為3個階段。第1階段從2011年6月至2012年8月，控制外源污染，主要為生活、工業源的截污納管。第2階段從2012年4月至2013年7月，生態清淤與湖泊形態調整。合并喜潭潭和潛龍渠，優化湖泊岸線，并進行生態清淤。監測結果表明，潛龍渠底泥厚度0.5～2.0 m，TN、TP、NH3—N和有效磷的含量分別在1 421～1 567、1 221～1 505、608～731、878～1 012 mg/kg，底泥內氮、磷等污染物質含量較高。第3階段從2013年8月至2014年10月，在形態調整的基礎上進一步實施生態修復，建設生態護坡、人工濕地和生態浮床(位置見圖2)，并進行水生植物恢復與生物操縱。潛龍渠形態調整前后湖泊形態參數對比見表1，其中形態調整前的參數值為喜潭潭與潛龍渠之和。

表1 潛龍渠形態調整前后湖泊形態參數對比表

注：形態要素參數值在常水位(2.60 m)下測算得到。

水質監測從2011年6月持續至2014年10月。2011年6月至11月為現場調查及湖泊外源污染治理階段，水質監測點位見圖1。2012年4月至2013年7月，由于清淤工程的進行，無法監測湖內的水質情況，將監測點設置在野河蕩、長東蕩和新安港。2014年4月，形態調整完成后的湖泊水質監測點位見圖2。水質監測為潛龍渠生態修復前后的水質變化以及各污染物的生態修復響應關系分析提供依據。基于現階段的湖泊生態修復水質響應關系，設計由不同規模、不同類型的生態修復措施組成恢復方案，并預測各恢復方案作用下潛龍渠的水質變化。

2.3 研究方法

2.3.1 水質評價方法

(1)水質綜合污染指數法。對比水質指標的實測值與其對應的水環境功能區類別的水質標準，分級評價水質，并通過污染貢獻度識別主要污染物，直觀地反映生態恢復措施對水質的影響[5,16]。

(1)

式中:Z為綜合污染指數；Zi為污染物i的污染指數；ci為污染物i的實測濃度，mg/L；Bi為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中污染物i的標準值，mg/L；n為污染物個數。

Ki=Zi/(nZ)×100%

(2)

式中:Ki為污染物i的污染貢獻度。

表2 綜合污染指數對應的水質分級

圖1 潛龍渠周邊水系及水質監測點位圖 圖2 潛龍渠形態調整后水質監測及生態修復工程點位圖

2) 基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法。潛龍渠的水質監測點分布在湖內及主要出入湖河道。各水質監測點的監測數據可能存在差異，并且在生態修復過程中，其位置因湖泊形態的改變有所調整。為全面反映生態修復作用下的水質變化，采用基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法綜合分析各水質采樣點的監測數據。

水質監測點分為湖內和出入湖河道兩類，兩兩比較相同類型中不同的水質采樣點，根據表3的評分標準賦分。

表3 基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法賦分表

為了便于水質變化的比較，對各水質采樣點得分進行歸一化處理，得到權重系數。對各水質監測點的監測數據進行加權計算即可確定污染物的濃度：

(3)

pi=∑(βjci,j)

(4)

式中:βj為水質監測點j的權重系數；gj為水質監測點j的得分；pi為污染物i的加權平均濃度，mg/L；cij為污染物i在水質監測點j測得的濃度，mg/L。

(3)水質提升貢獻度。對比生態修復措施實施前后的水質指標值，評價各項生態修復措施的水質改善貢獻度。

(5)

2.3.2 基于污染負荷平衡的水質模型 生態修復措施將通過污染負荷的削減、湖泊水體自凈能力提升等方面的作用，提升潛龍渠的水質。考慮生態修復措施的作用機制，從污染物質量平衡方程的角度概化潛龍渠的水質模型：

piEi-ηipi

(6)

式中：Vi為湖泊容積，km3；pi為湖泊中污染物i的濃度，mg/L；Wi為污染物i的負荷量，指除通過入湖河道以外進入湖泊的外源污染量，t/a；pi,in、pi,out為污染物i流入、流出湖泊的濃度，mg/L；Ei為污染物i的綜合降解系數，d-1；ηi為污染物i的沉積因數，km3/a。

微分方程(6)提供了計算污染物變化趨勢的定量框架。借助矩陣求解微分方程[4-7]：

[A][p]={W}

(7)

[A]=[Qout+Ei+ηi-Qin]

(8)

[p]=[pipi,in]

(9)

運用Matlab進行矩陣運算即可得到污染物濃度。考慮到湖泊的內源污染可能隨時間呈加重趨勢、水體自凈能力將隨健康水生態系統的建立逐步提升，通過專家咨詢等方式，運用校正系數δi校準模擬結果，即：

Pi=pi+δi

(10)

式中:Pi為校正后的污染物i的模擬值，mg/L；δi為校正系數。

3 結果與分析

3.1 生態修復的水質總體響應過程

根據公式(1)計算潛龍渠的綜合污染指數，結果見圖3。由圖3可見，隨著生態修復工程的逐步實施，潛龍渠的綜合污染指數大幅降低，2014年10月已降至0.645，水質等級由重度污染轉變為中度污染，生態修復對潛龍渠水質的積極影響已經初步顯現。綜合污染指數的降幅表明，外源污染控制對水質提升的貢獻最為突出，其次是生態清淤與湖泊形態調整，修復凈化措施起到了鞏固、維持生態恢復成果的作用。

圖3 潛龍渠綜合污染指數變化圖

3.2 污染物對生態修復的響應過程

水質監測點權重系數計算結果見表4。運用基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法綜合分析各水質采樣點的監測數據，得到污染物的濃度變化過程，并根據公式(2)計算污染物的貢獻度，結果見圖4。由圖4可知，4種污染物濃度均有較大幅度的降低，水質由生態修復前的劣Ⅴ類提升至Ⅲ～Ⅳ類，水環境狀況改觀顯著。圖4(b)、4(d)顯示，COD和TN的污染貢獻度較大，分別為38.43%和32.57%，是潛龍渠污染物的主要控制指標。目前的生態修復方案分別將兩者的濃度降至15.0～23.7 mg/L、0.62～1.82 mg/L。表征有機污染的COD的污染貢獻度在生態修復的實施過程中升高，原因可能是其他污染物濃度得到抑制的同時，水生植物的恢復使湖泊內的有機物含量升高。出入湖河道的TN濃度最高值低于湖內，其濃度最低值與湖內接近，故推測TN超標主要受內源污染的影響。盡管COD、TN的代謝能力將隨著水生態健康系統的建立逐步提升，但在未來的生態修復中需著重考慮水生植物的殘留生物量以及TN的內源污染控制。圖4(a)、4(c)表明，現階段的生態修復方案已有效控制了TP和NH3—N的濃度，達到Ⅱ類或Ⅲ類標準。由圖4(a)可見，夏季湖內TP濃度較高，因此夏季的TP濃度控制是未來污染控制中關注的重點。

圖4 2011-2014年潛龍渠污染物濃度變化圖

表4 各水質監測點的權重系數

3.3 潛龍渠水質情景預測

3.3.1 水質模型的建立與參數率定 潛龍渠是一個面積較小的城市湖泊，全湖水質在空間上差異性較小，因此假定采取的湖泊生態修復措施改善水質時能達到全湖均勻的效果。采用基于污染負荷平衡的水質模型預測生態修復作用下的潛龍渠水質。潛龍渠的形態參數見表1。模型初始條件為夏、秋季節湖內污染物的濃度值，分別采用基于專家調查法的湖泊污染物濃度確定方法綜合分析2014年6月、10月湖內各水質采樣點的監測值得到的結果，見表5。邊界條件為污染物經河道流入、流出潛龍渠的量以及負荷量。經測量，入湖河道野河蕩、長東蕩的平均流量分別為3、1.5 m3/s，出湖河道新安港、人福港的平均流量分別為2、2.5 m3/s。經過污染源控制，潛龍渠現狀入湖污染量見表5。

表5 潛龍渠污染物濃度值及入湖污染量

模型涉及的參數為污染物的綜合降解系數及沉積因數。假定生態修復措施的實施不改變同種污染物的沉積因數[4]，主要通過綜合降解系數的變化體現湖泊水體自凈能力的提升。根據相關文獻[4]及3.2節污染物對生態修復的響應關系，污染物沉積因數約為湖內污染物濃度的3%～5%。模型率定期為2011年6月、11月，驗證期為2014年6月、10月。由于通過生態修復措施建立健康的湖泊生態系統需要相對漫長的時間，潛龍渠生態修復的第3階段(2013年8月至2014年10月)方才進行人工濕地等的建設，因此認為率定期與驗證期各污染物的綜合降解系數無顯著變化。假定沉積因數和綜合降解系數的值進行模型計算，比較模擬值與預測值，驗證結果見表6。由表6可知，模擬值與實測值的相對誤差均在15%之內，表明率定的參數能夠較好地模擬水質情況。參數率定結果見表7。

表6 水質模擬驗證結果 mg/L

表7 參數率定結果

3.3.2 水質模擬情景設置 本文采用的生態修復措施主要通過污染負荷的削減以及湖泊水體自凈能力的提升改善潛龍渠水質，前者依賴于外源污染的截污控源、入湖河道的水污染治理以及內源污染的控制；后者通用人工濕地、生態護坡等生態修復措施，由綜合降解系數的變化體現。由于外源污染可能隨著社會經濟的發展增加、內源污染的影響隨著底泥的沉積逐漸顯現，需要調整現有的生態修復方案以穩定維持Ⅲ類水質。因此，根據3.1、3.2節生態修復的水質及污染物響應關系，針對現有方案中能夠改變力度的污染源控制、人工濕地、生態護坡、生態浮床等措施，同時考慮生態補水措施增加的必要性，設計了9種措施組合情景，見表8。以期通過模擬不同規模、不同類型的生態修復措施組合作用下的水質變化，評估各生態修復措施的水質改善貢獻度，制定未來能夠穩定維持Ⅲ類水質的生態修復方案。

3.3.3 不同情景水質預測結果分析 生態補水和截污控源分別通過促進水體流動和截留輸入湖泊的污染物的量改善水質，可直接通過模型計算得出。根據相關參考文獻[11-14]，得到單位面積人工濕地、生態護坡、生態浮床對污染物的凈化效果，將其體現在綜合降解系數上進行模型計算[17-18]，即可得到各情境的水質預測結果。人工濕地、生態護坡、生態浮床的單位綜合降解系數提升率見表9。

表8 情景設計

注：(1)截污控源指通過外源污染控制改變的入湖污染量; (2)生態補水“2 m3/s”指夏季6-8月，向潛龍渠引Ⅲ類優質水2 m3/s。

表9 單位生態修復措施綜合降解系數提升率

注：單位提升率指每m2人工濕地、生態浮床或每km生態護坡提升綜合降解系數的百分比。

圖5為不同情景的綜合污染指數。由圖5可見，秋季的水質優于夏季，且對潛龍渠水環境改善貢獻度最高的生態修復措施是截污控源，其次是生態補水，強化現有的人工濕地、生態護坡、生態浮床等措施提升水質的效果相對不顯著。

圖5 水質響應情景模擬-綜合污染指數

利用基于污染負荷平衡的水質模型進行情景模擬，并根據式(5)計算各生態修復方案的水質提升貢獻度，結果見圖6。圖6(d)所示為COD的情景模擬結果。由圖6(d)可見，其對污染源控制的敏感性較低，對生態補水的敏感性略高于人工濕地、生態護坡和生態浮床，表明目前的生態修復方案已有效控制了污染源，濃度的進一步降低主要依賴于修復凈化措施的加強。圖6(b)為TN的情景模擬結果。由圖6(b)可見，TN對溫度的敏感性高且各生態修復措施對其的作用效果差異不大。考慮到TN是底泥釋放的主要污染物且夏季發生突發性水質惡化問題的風險高[19]，因此未來的生態修復需加強內源污染的防治以及夏季TN濃度的控制。圖6(a)為TP的情景模擬結果。由圖6(a)可見，其對污染源控制的敏感性顯著高于修復凈化措施。圖6(c)的NH3—N模擬結果表明，其對生態補水的敏感性最高，污染源控制對降低NH3—N濃度的效果不突出。由圖6(a)和(c)可知，目前的生態修復方案對控制TP、NH3—N的濃度成效顯著：9種情景的TP、NH3—N均達到Ⅱ類或Ⅲ類標準。

圖6 水質響應情景模擬結果

4 結 論

本文運用基于污染負荷平衡的水質模型模擬了生態修復措施作用下的潛龍渠水質，分析了生態修復措施的水質響應，結論如下：

(1)經過污染源控制、修復凈化等生態恢復措施，潛龍渠的水環境得到顯著改善，4種污染物濃度均有下降。生態修復中采取的截污控源、湖泊形態調整、生態清淤、生態護坡、人工濕地、生態浮島、水生植物恢復、生物操縱等措施具有科學性和可行性。

(2)污染源控制是提升潛龍渠水質最有力的措施。各污染物對不同生態修復措施的響應程度不同：COD濃度的進一步控制主要依賴于修復凈化措施的加強；TN對各生態修復措施的敏感性接近且易受溫度變化的影響；TP對截污控源的敏感性最高；NH3—N對生態補水的響應顯著。

(3)優質的湖泊水環境需要完整的水生態系統支撐，健康水生態系統的恢復需要相對漫長的時間。盡管現階段部分水質指標無法穩定維持Ⅲ類標準，但從情景模擬的結果來看，依據水質響應關系制定的生態修復方案能夠使潛龍渠達到健康的城市湖泊水質的要求。