北京市陶然亭公園湖水水質評價與分析

王 萌，李宏權，王浩楠

(1.北京市陶然亭公園管理處，北京 100050；2.北京北排科技有限公司，北京100044)

1 引言

陶然亭公園是以北京城南的燕京名勝陶然亭為中心規劃設計修建的一座城市園林，其湖區水生態景觀治理是北京市西城區水生態治理的重要組成部分[1]。自2006年以來，由于南護城河補水水源變為再生水水源[2]，陶然亭湖時常發生水體富營養化、藻類滋生等現象,嚴重影響了公園的景觀質量[3,4]，降低了游客的游園品質。公園為此采取了多項治理措施，北京市水利建設管理中心于2010年完成了陶然亭湖水質改善工程的建設，包括水循環過濾裝置、生物濾池設施，以及水生植物種植等，陶然亭湖水生態環境得到明顯改善。但受到運行管理經費不足和南護城河補水水質變差的影響，從2015年開始，陶然亭湖水水質情況呈現逐年下降的趨勢，局部區域出現水華、底泥上浮等現象。曲疆奇等[5]認為陶然亭湖自凈能力較弱，以及人為因素是水質惡化的關鍵。陶然亭湖水體較淺，易受外界干擾，水生態景觀與周邊居民游客的生活環境息息相關[6]。目前，公園每年需要申請固定經費進行處理設備運營維護，并人工噴灑生物制劑抑制有機污染物積累，維持景觀湖水水質不再惡化。但該措施人工成本高，藥劑投入量大，缺乏長效治理機制。

本文通過對湖水水質與底泥檢測的數據進行分析與研究，利用綜合營養狀態指數評價水質狀況，深度探究陶然亭湖水水體現狀及影響因素，并針對性提出具體的水質改善技術實施方案，以期進一步改善陶然亭公園水環境，增加湖區生物多樣性，完善湖區生態系統自我凈化功能，并達到陶然亭湖整體水環境長效治理的目的。

2 陶然亭湖水域現狀

2.1 陶然亭湖基本情況

陶然亭公園內湖區水域包括主湖(東湖、西湖、南湖)和荷花池，所有水域面積約16.15×104m2，平均水深在1.2～1.8 m，蓄水量為24×104m3。陶然亭湖水體封閉，其主要補水水源為再生水及南護城河補水。根據2021年補水水量統計，再生水補水量為20×104m3/a，南護城河補水量為20×104m3/a，總補水量為40×104m3/a，園區內降雨徑流雨水也直接匯入湖中。

陶然亭湖水水質環境直接受到南護城河補水源的影響，其水體主要為再生水和少量自然水體，再生水補水為高碑店再生水，均屬于地表準Ⅳ類水質。

2.2 陶然亭湖現有水處理措施

公園內現有兩套水處理裝置，分別位于公園西南和東南區域。其中曝氣生物濾池(5000 m3/d)主要利用生物方法進行氮磷等污染物去除，一體化水處理裝置(20000 m3/d)主要進行藻類和磷污染物去除。

3 陶然亭湖水質分析方法

3.1 水質采樣檢測分析

為客觀、全面地評價陶然亭湖水質現狀，及補水源對陶然亭湖水質的影響，分別于2019年、2020年、2021年的6～9月中旬進行水質采樣監測，采樣點位于主湖(東湖、西湖、南湖)的中心位置。另于2021年3月、5月、7月、9月中旬各采樣一次，除主湖的3個水域以外，同時增加水處理裝置進水口與出水口、南護城河補水口(簡稱南補水口)3個采樣點(圖1)。每次每個采樣點取3個平行樣本，檢測結果取平均值。

圖1 陶然亭湖水質與底泥采樣點示意

水質檢測指標包括:總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、溶解氧、葉綠素a(Chla)、5日生化需氧量(BOD5)、pH值、色度等8項水質指標，檢測方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》。其中TN、TP、NH3-N 、COD、BOD5、pH值分類標準參照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，葉綠素a分級參照中國湖泊富營養化分級標準[7]。

3.2 底泥采樣分析方法

湖水底泥是影響水質的重要因素之一，本研究于2021年1月份在陶然亭湖區6個不同位置采取底泥樣品進行分析，具體采樣點見圖1，備注說明見表1。底泥全氮檢測方法為凱氏定氮法(參考標準：LY/T 1228-2015)，全磷檢測方法為堿熔-鉬銻抗分光光度法(參考標準：HJ 632-2011)。

表1 湖區底泥取樣點說明

4 結果與討論

4.1 陶然亭湖水質現狀

夏季為湖水的豐水期，本文對陶然亭湖6～9月份的水質指標進行檢測分析，可避免平水期和枯水期水質數據引起的偏差[8]。同時，該時期公園內游客量較多，且湖中生物量增加，均對湖水水質有較大的影響[5]，夏季豐水期的水質指標更能體現陶然亭湖水水質現狀和水生態系統的自凈能力。

由表2可以看出，陶然亭主湖水體的pH值、溶解氧等常規水質指標基本符合《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，5日生化需氧量(BOD5)整體上處于地表水Ⅲ類標準，但在2020～2021年有明顯增加，尤其是2020年6月份及2021年8～9月份達到Ⅳ類標準，表明湖水中有機污染物呈累積趨勢[9]。此外，主湖水體的色度逐年略有上升，其中2021年7月份南湖水體色度達30度，表明湖水透明度呈下降趨勢。2019年和2020年湖水NH3-N濃度整體上符合Ⅳ類標準，2021年東湖水體NH3-N濃度在6、7月份超過1.5 mg/L，達到Ⅴ類標準。

表2 陶然亭主湖水質3年內水質指標

在富營養化指標中，2019年湖水TN水平在8月份達到較高水平，平均超過4 mg/L；2020年湖水TN水平均處于較高狀態，其中南湖水體TN濃度在6月份達到5.02 mg/L,超出Ⅴ類標準范圍(≥2 mg/L)；2021年TN水平有所下降，多數處于Ⅳ類標準范圍(1～2 mg/L)。主湖水體近3年的TP濃度均處于較低水平，達到Ⅲ類標準。2019～2020年，陶然亭公園主湖的葉綠素a含量基本處于30 mg/m3以下，為輕度或中度富營養化；在2021年6月份，3個湖區的葉綠素a含量均有所上升，其中東湖的葉綠素a濃度達到35.08 mg/m3，水體呈中營養化趨勢，在7～9月份降回往年的平均水平。

由檢測結果可以看出，陶然亭湖近3年水質整體上達到地表水質Ⅳ類或準Ⅳ類標準，基本滿足《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T18921-2019)標準規定的娛樂性景觀環境用水。但TN、NH3-N、葉綠素a等水質指標波動幅度較大，部分數據超出正常濃度范圍；不同時期、不同湖區之間的水質測定結果相差較大，表明陶然亭湖水質狀態不穩定。2021年6月份湖中葉綠素a含量較高，7月份又下降至平均水平，可能是公園通過人工噴灑生物制劑維持水質的結果。這表明陶然亭湖水生態系統穩定性較差，受環境影響較大，如果不進行改進和完善，有潛在水華暴發的風險[10]。

4.2 現有水處理措施的凈水效果

4.2.1 補水源對水質的影響

陶然亭湖的水質狀況除水體自身凈化能力外，直接受到補水源和水處理裝置的影響。本文分別對2021年陶然亭湖中常駐水、水處理裝置的進出水，以及南護城河補水的水質指標進行對比，由圖2可知，3月份、5月份、9月份各采樣水體的TN濃度相差較小，變化趨勢保持一致。7月份南湖與南補水口的TN濃度在3.5 mg/L左右，其他采樣水體TN濃度則低于2 mg/L。

圖2 陶然亭湖各采樣水體不同月份的總氮濃度

如圖3所示，各采樣水體的COD濃度在3月份和5月份均處于20 mg/L左右，符合地表水體Ⅲ類標準。在7月份和9月份，主湖水體的COD驟然上升，均已超過40 mg/L,達到地表水體V類標準，其中7月份南湖和9月份東湖的COD濃度較為突出，遠超同月份其它采樣水體的COD。葉綠素a的變化整體呈先急劇降低后緩慢上升的趨勢，如圖4所示，2021年3月份各采樣水體的葉綠素a濃度整體偏高，其中東湖和水處理裝置進水葉綠素a的水平相對較高；經過人工噴灑藥劑治理，5月份各采樣水體的葉綠素a水平整體降到10 mg/m3以下，隨后又在7月份和9月份呈上升趨勢。

圖3 陶然亭湖各采樣水體不同月份的COD濃度

圖4 陶然亭湖各采樣水體不同月份的葉綠素a濃度

陶然亭湖為封閉水體，且補水量小，僅能維持蒸發和滲漏的水量，易造成湖水中有機物和污染物積累[11]。根據蓄水量和年補水量可知，陶然亭湖每年換水頻率約為2次。現有水循環裝置每天處理水體積2×104m3，一次循環周期需要12 d，未達到國家再生水用于景觀水體每5 d換水1次的要求。這表明陶然亭湖水循環動力不足，導致湖區存在局部水域不流通現象，同時湖區內水質蒸發、滲透、濃縮等使得水中營養物質濃度升高，導致藻類滋生，影響景觀效果。此外，南護城河補水水源主體也是再生水，雖然整體上水質符合《北京市地表水功能區劃》Ⅳ類標準，但單一再生水為水源構建的水生態環境具有一定的生態敏感性和脆弱性[12]。

4.2.2 水處理裝置的凈水效果

選取2021年9月份水處理裝置進出水的水質進行分析對比，按去除率=(進水數值-出水數值)/進水數值×100%公式，計算出陶然亭湖水處理裝置的凈化效果。

如表3所示，2021年9月份陶然亭湖水處理裝置對TN、TP、NH3-N、COD、葉綠素a的去除率分別為12%、35.3%、25.3%、6.7%和10.0%，整體去除效果欠佳，并且進水水質類別未能得到改善。作為陶然亭湖水體主要水質治理措施，現有水處理裝置無法滿足水質處理需求，難以對湖水進行有效治理。

表3 陶然亭湖水處理裝置進出水水質指標及去除率

4.3 底泥數據分析

依據《再生水環境底泥/沉積物污染風險評估技術指南》，數據檢測結果如圖5所示。結合《北京市土壤類型及養分含量分布情況》推斷，南湖區域底泥營養鹽污染可能與再生水養分沉積絡合有關；華夏名亭園在2017年新建湖道時未鋪設底泥，現有的底泥多來自岸邊綠化沖擊的土壤及凋謝、腐爛的植物等物質，引發內源污染，導致有機質含量偏高[13]。自2010年水質改善建設工程后，陶然亭湖底未進行過清淤，本次調研數據也表明，陶然亭湖的底泥由于長期未得到清理，氮磷營養鹽的污染已達到中度或重度標準。底泥是水體二次污染的重要來源[14]，陶然亭湖水質時常出現波動，很可能與底泥污染物的不斷釋放有關。

圖5 底泥污染物評價

5 水質改善技術措施

經過研究數據分析，陶然亭湖水生態環境主要存在水生態、底泥、水質處理3個方面問題：湖區整體水生態不完整，部分季節藻類繁殖嚴重，水體色度高，透明度低，嚴重影響景觀效果；水環境容量較低，補水源水量較少，導致水質自凈能力差；底泥污染程度高，部分區域底泥狀態達到重度污染以上，嚴重影響水質；公園現有處理裝置鑒于原功能設計所限和設施老化，水質、水量處理能力已不能滿足現有湖水處理的需求。

為針對性解決陶然亭湖水質問題，本文篩選論證出的技術措施包括增設水處理循環裝置、水體生態構建、水力流態優化、原位強化污染物控制、智慧監測預警等多維度處理技術，以期實現公園水生態環境的長效治理。

5.1 水處理循環裝置增設

通過評估東線處理設施狀況對現有管線、水泵等設備進行利舊，同時根據現場實施條件在適宜位置新增水處理設備。該技術措施是通過人工強化凈化水質，對湖水進行旁路循環處理，能有效去除水中磷及單細胞藻類，降低水體富營養水平，抑制藻類的滋生。

5.2 水生態系統構建

根據陶然亭湖現場情況選擇適宜本地生長的功能性水生植物，在西湖鄰岸可構建區域水體內立體種植水生植物，以沉水植物為主，形成“水下森林”；將鄰岸水域改造為潛流濕地，利用配套設施循環凈化湖水[15]。同時在水體內投放水生動物和微生物菌劑，科學精準構建景觀湖水生態系統，實現水體的長效自我凈化，維持系統的良好穩定運行[16]。水生態構建不僅加強水體自凈能力，同時還可以提升水體景觀效果，而且不影響公園游船等設施的正常運行。

5.3 水力流態優化

西湖碼頭區域現有結構及植物布置造成水體無法與湖區水體進行有效的循環，導致水質變差，水面漂浮物及藻類的滋生造成水體感觀較差。通過增設水面曝氣及水體推流裝置，提高水體流動性并增加水體溶解氧水平，同時優化區域內水生植物布置，加強水體的循環置換，保證該區域水體感觀良好。

5.4 底泥治理

通過底泥質量評估體系，底泥是成為水質惡化的主要內源污染物之一，其釋放的溶解性氮、磷成為藻類生長提供營養源[17]。采用底泥營養鹽釋放抑制劑對底泥進行原位修復，底泥營養鹽釋放抑制劑是一種綠色、環保、無污染的修復制劑，主要組成物質是氨基多糖螯合鹽，其不含任何重金屬物質，其具有化學與生物雙重作用，不會對底泥和水質產生污染。該抑制劑可以降低底泥中的有機污染物釋放速率，阻斷底泥中氮、磷元素的釋放，還可有效地緩解底泥的黑臭現象。

5.5 智慧監測預警

通過智能浮島對湖區全范圍自主巡航，并且對全湖區水質和水生態系統進行實時監測、全面分析，對湖區時間維度和空間維度水質變化情況進行跟蹤及預測，實時反饋至控制系統，對水處理設施的水量進行智能調控，降低運行成本。高效的智慧運維系統結合科學的運維管理方案(包含日常及應急情況)，總體可以實現湖水水質的穩定控制，維持西湖的良好水質和生態。