以成都市滄浪湖為例探討城市靜態水體生態修復技術

龔克娜,楊艷梅,王家良,邱 壯,付韻潮

(四川省建筑設計研究院綠色建筑設計研究中心，四川成都 610000)

城市靜態水體指城市范圍內流動性差的水體，常常是城市范圍中的景觀水體。不僅具有重要的美學價值，也能起到凈化環境、劃分空間、調節氣候的作用，對社會經濟發展起了不可估量的作用[1]。但隨著經濟社會的不斷發展，城市規模和人口數量不斷擴大，城市靜態水體水環境問題日益嚴峻。相關研究表明，我國大部分景觀水體都受到了富營養化的嚴重威脅，90 %以上公園景觀水體存在不同程度的污染[2]。

城市靜態水體水質提升和水生態系統修復不僅有利于緩解城市生態危機，也是進行海綿城市建設的重要途徑之一。但目前有關靜態水體污染物負荷分析、水環境容量核算以及生態系統構建的完整研究仍然相對較少。因此，了解靜態水體的特性，分析水體污染來源和負荷，核算水環境容量，形成系統的生態修復的方法，同時考慮超負荷污染應急處理技術，在水質急劇惡化時維護生態系統的穩定性，實現湖泊生態系統的良性循環，從根本上改善水環境質量至關重要[3]。本文以成都市浣花溪公園的滄浪湖為研究對象，系統的分析和探討城市靜態水體的生態修復技術。

1 滄浪湖概況

滄浪湖位于成都市杜甫草堂南面，進出口與浣花溪河道自然聯通，但流動性較差，水體相對封閉，屬于典型的城市靜態湖泊水體。水域面積33 964 m2，平均水深3 m，設計常水位標高501.43 m。北側鳥島上有白鷺、夜鷺、蒼鷺等100余種鳥類棲息繁衍，但由于鳥類的聚集，大量高有機負荷鳥糞經雨水沖刷直接入湖，且常年游客較多，環境壓力大，浣花溪上游補水水質較差等原因，導致滄浪湖水環境持續惡化，生態系統衰退，出現嚴重的富營養化狀況，水質整體呈地表水V類水(圖1)。

2 污染負荷分析

滄浪湖的主要污染源主要分為外源污染和內源污染兩大類。外源污染主要包括：浣花溪補水、自然降雨、地表徑流、鳥島鳥糞等，內源污染主要指進入湖泊的污染物質沉降至湖泊底層表面后，在一定條件下向水體釋放的污染，內源污染總量大、影響面積大，是湖泊水體污染不可忽視的因素[4][15]。考慮湖泊水體富營養化主要污染因子為氮、磷，故本文主要通過分析總氮、總磷來研究湖泊的污染情況。

圖1 生態修復前滄浪湖現狀

2.1 浣花溪來水

浣花溪來水為V類水，滄浪湖現狀日補水量約7 132 m3，來水總氮、總磷濃度分別為3.75 mg/L、0.27 mg/L，出水以目標Ⅲ類水體考慮[5](湖泊總氮：1.0 mg/L，總磷0.05 mg/L)，則產生的總氮、總磷的年污染負荷分別為：7.2 t/a、0.57 t/a。

2.2 自然降雨

根據測定的成都市自然降雨雨水水質結果，成都地區自然降雨中的總氮濃度約為1.9 mg/L，磷濃度為0.08 mg/L，成都地區的年平均降雨量取907 mm，滄浪湖流域面積為33 964 m2。污染負荷計算公式如下：

Q=a×D×S1

式中：a為年平均降雨量(mm)；D為自然降雨污染負荷(mg/L)；S1為水域面積(m2)。產生的總氮、總磷的年污染負荷分別為：0.058 t/a、0.002 t/a。

2.3 地表徑流

參考李躍等關于成都市雨水徑流污染特征的研究結果[6]，路面雨水徑流主要污染物為COD和SS，總氮和總磷等污染物濃度則較低，平均濃度分別約為3.92 mg/L，磷濃度為0.12 mg/L。因浣花溪公園綠地較多，徑流系數取0.25，匯水面積約為9 140 m2。污染負荷計算公式如下：

L=k×S2×a×ΔP

則地表徑流產生的總氮、總磷的年污染負荷分別為：0.008 t/a、0.000 3 t/a。

2.4 鳥島鳥糞

滄浪湖鳥島多見白鷺等鳥類，數量約為1 000只，參照《畜禽養殖業產污系數與排污手冊》，氮磷輸出系數分別取值TN為1.16 g/只·d、TP為0.23 g/只·d，產生的總氮、總磷的年污染負荷分別為0.423 t/a、0.084 t/a。

2.5 內源污染

參考秦伯強等關于太湖底泥釋放速率的研究結果[7]，湖泊底泥中營養鹽釋放氮、磷分別約為1.92×10-3mg/(m2·s)、5.69×10-4mg/(m2·s)，則產生的總氮、總磷的年污染負荷分別為2.056 t/a、0.609 t/a。

由分析結果可知，滄浪湖總氮、總磷的年污染負荷總計分別為9.75 t/a、1.27 t/a，滄浪湖各污染因子貢獻總氮、總磷的污染負荷計算分析見表1。

表1 各污染因子污染負荷計算分析 t/a

3 水環境容量核算

TN、TP水環境容量核算采用Kirchner-Dillion簡化模型[8]：

式中：W為污染物水環境容量(t/a)；Qin為入湖流量(m3/a)；Cs為水環境質量標準，按地表水Ⅲ類考慮(mg/L)，總氮為1.0 mg/L，總磷為0.05 mg/L；R為湖泊滯留系數，總氮的滯留系數取0.299，總磷的滯留系數取0.295[14]。

通過計算得到滄浪湖對總氮的水環境容量為3.7 t/a，總磷的水環境容量為0.18 t/a。由此可見，滄浪湖的污染負荷已遠遠超過其水環境容量，若不采取合理有效的治理措施，水質將持續惡化。因此構建完整的生物鏈，打造穩定的水生態系統，恢復水體自凈能力，對改善水環境質量至關重要。

策略：平面鏡所成像與物體大小相等，關于平面鏡對稱，利用數學上的“對稱法”作圖，注意像與輔助線用虛線表示。

4 水體生態修復技術

水體生態修復技術是在遵循自然規律的前提下，采取各種工程、生物和生態措施使水體恢復自我修復功能，強化水體的自凈能力。但靜態水體構建穩定的生態系統有以下幾個難點：①水體渾濁、光照難以穿透水層(透明度低)，沉水植物無法成活[9]；②沉水植物的季節性榮枯引發的系統不穩定甚至系統崩潰；③后期生態系統的修復調整等。本研究以滄浪湖為例，針對性地解決構建難點，為湖區構建完整生態系統。

4.1 浮游動物提高水體透明度

提高水體透明度是沉水植物生態修復成功的關鍵，渾濁的水體導致沉水植物無法成活。經上海海洋大學何文輝教授科研團隊經過15 a的藍藻馴化、提純、復壯的食藻蟲，可以在短時間內濾食掉大量的有機顆粒物和藍藻等浮游藻類，使水體透明度迅速提高1.0～1.5 m，為沉水植物生長創造條件[2]。食藻蟲是一種經馴化改良的可控藍藻的低等大型枝角類浮游動物，是一種廣布種，不存在外來物種入侵風險。食藻蟲的排泄物為弱酸性物質，可有效降低水體pH值，抑制藍藻的生長和繁殖，其本身又是魚、蝦等水生動物的食物，打通了食物鏈，實現了水體富營養化物質的資源化[10]。本研究在生態系統構建前期通過投放食藻蟲以提高水體的透明度。投加量為80～100 ml/m2，40～60 只/ml。

4.2 沉水植物選擇避免季節性枯榮

水生植物群落構建是水生態系統構建的關鍵所在[11]，主要分為挺水植物、沉水植物和浮水植物。在水生態修復過程中，水生植物主要通過枝葉和根系對水體中的污染物質進行吸附、分解或轉化，同時通過光合作用，釋放氧氣，減輕水體污染[9]。但沉水植物的季節性枯榮易引發生態系統的不穩定，且冬季枯萎的植物殘體遺留在水域也會對水體造成二次污染[10]，故選擇沉水植物的原則應滿足四季常綠、凈化效率高、景觀優美、生態安全等。本項目以四季常綠的矮型苦草為主，構建水下森林，同時搭配不同品種的水草：在鳥島區選擇耐污型水草(如狐尾藻和輪葉黑藻)，在主湖區主要選擇凈化型水草(如小茨藻和刺苦草)，在入水口選擇根系發達耐沖刷水草(如龍須眼子菜等)(圖2)。

圖2 滄浪湖沉水植物選擇及布置

4.3 后期維護確保生態系統穩定

靜態水體生態系統初步形成后，需經歷一段時間與環境相互作用才能最終趨于穩定，構建初期比較脆弱，必須通過后期的維護管理以及生態系統調整促進水生態系統的良性循環。合理把控不同食性魚類的投放比例，投放少量濾食性魚類，構建肉食性魚類群落調控濾食性魚類數量，嚴格控制雜食性魚類、草食性魚類等的數量[11]。本研究主要投放黑魚，同時投放螺類及蝦類發揮濾水功能，輔助凈化。

但滄浪湖位于浣花溪公園內，由于游客眾多，不科學放生的現象由來已久。不科學放生，尤其是入侵生物、大量放生單品種魚類等行為，將會影響滄浪湖水生態系統的生物種群的結構和維護。針對這一現象，在距離湖泊岸邊15 m的地方設置透水圍隔，確保放生魚類不進入主湖區，進而維護湖區整體的生態系統穩定性。

5 其他輔助技術和方法

水生態系統的穩定性易受外界環境影響，故除了構建穩定的水生態系統，通過在進出口設計生態過濾壩，控制進水量，對上游來水進行初步過濾，同時為湖區配套應急處理設備，確保水生態系統的穩定和安全。

5.1 進出水口設計

由于滄浪湖主要的污染源為上游浣花溪來水，故進出水口的設計尤為重要。根據水生態系統納污產清效率，浣花溪上游來水不宜高于湖體總蓄水量的5 %，則滄浪湖日進水量需控制在4 700 m3或以下。根據現場測量，進水口寬度8 m，進水流速約0.1 m/s，通過在進、出水口設置生態過濾壩，將過水斷面高度控制在7 cm及以內。生態過濾壩在控制進水量的同時也能對來水有一定的凈化過濾作用，在進水后、出水前均設置一段礫石區，提高景觀效果的同時起著接觸氧化的作用(圖3、圖4)。

圖3 進水口剖面示意

圖4 生態過濾壩剖面

5.2 超負荷污染應急處理設備

由于水生態系統因季節更替，冬季時凈化效果相對較弱，且水生態系統的穩定性易受外界環境影響，例如暴雨時會有大量污染物通過地表徑流和浣花溪進入到滄浪湖內，導致滄浪湖水體水質急速惡化，故本研究為湖區配置超負荷污染應急處理設備，水質惡化超過生態系統承載能力時，可快速恢復湖體水質，確保水生態系統安全。

本研究采用的處理設備為高效的超微凈化工藝，有效去除水體中過量污染物，同時給水體充氧并實現水體循環流動效果，增強水體自凈能力。超微凈化處理技術是一種基于零速原理、超微氣泡與淺層氣浮原理設計，利用PAC、PAM作為絮凝劑，具有高集成度、高容積率、高凈化效率的應急處理技術[12]。超微凈化技術具有氧化有機物、去除氮磷(控制富營養化)、重金屬、粘附膠體及藻類、增加含氧量等作用，能有效解決地表水水體發綠、水體渾濁、水體黑臭、含氧量低和重金屬污染等水質問題，是對地表水(包括河、湖、雨水)治理適應性好而且高效的水處理工藝。

為簡便施工及減輕對滄浪湖周邊區域的破壞，本項目選取3臺單臺處理量為80 m3/h的地埋式一體化超微凈化設備。單臺水處理主體設備尺寸為13 m×2.2 m×1.8 m，單套水處理設備運行功率為14 kW，設備出水水質可達地表Ⅲ類水標準。

6 結論

(1)針對滄浪湖的特性，分析湖體污染負荷來源，核算水環境容量。滄浪湖的主要污染源為浣花溪上游來水以及湖泊的內源污染，且污染負荷已遠遠超過其水環境容量，水質持續惡化。

(2)提出了靜態水體生態系統構建難點的解決方法，包括水體透明度低造成的沉水植物無法成活、沉水植物的季節性榮枯引發的系統不穩定甚至崩潰、后期生態系統的修復調整等。本研究在生態系統構建前期通過投放食藻蟲以提高水體的透明度，水生植物選擇四季常綠、凈化效率高、景觀優美、生態安全的矮型苦草為主，合理把控不同食性魚類的投放比例，注重游客放生的后期維護，構建穩定的生態系統。

(3)通過為湖區配套應急處理設備，以及在進出口設計生態過濾壩，控制進水量，確保水生態系統的穩定和安全。