入湖口濕地在高原湖泊水環境治理中的應用研究

梁永哲 單承康 劉永濤 王 猛

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

云貴湖區主要問題是湖泊流域連通性差，換水周期長，生態脆弱，易發生水體富營養化，遭受破壞后恢復和治理難度大［1］。云南省某高原湖泊位于云南省東南部。根據《云南省地表水水環境功能區劃》，全湖屬景觀用水、一般魚類保護及農業用水，水質目標為Ⅲ類。隨著湖泊流域范圍內集鎮及農村經濟社會的快速發展，人口聚集、產業發展、城鎮化水平提高，但環保基礎設施相對滯后，流域內大量生活污水、農業廢水溢流直接排入入湖河道及湖泊，致使湖泊現狀水質多為Ⅳ類或Ⅴ類。考慮到湖泊水質對下游南盤江的影響，以及國家、云南省對水體治理的高度重視，實施的水環境綜合治理十分必要且迫切。

根據不同類型的濕地植物恢復所需立地條件、滿足濕地水質自然凈化對底質、水力負荷、污染負荷、水力停留時間和湖濱景觀美學的標準和原則，結合國內生態修復技術研究成果，對入湖口生態濕地進行總體研究，目的是使濕地最終實現水質凈化、生物多樣性保護、生態景觀營造的總體目標。

1 濕地工藝研究

1.1 進水水量與進水水質

通過考慮濕地的入流量、直接降雨量、蒸發蒸騰損失水量、滲漏損失水量，對河口濕地進行水量平衡計算。依據水量論證，采用上游水庫平均流量的10%作為設計流量，入濕地水量主要為上游水庫溢流水量和沿途直排生活污水，除去沿途蒸發滲透。濕地區域直接降雨量、蒸發蒸騰損失水量、滲漏損失水量，工程區域年損失水量僅占濕地入流量的2.47%，不會對濕地水量處理規模造成明顯的不利影響。由于入湖口河道流量季節性較強，在入湖口建一座泵站應急使用，將湖水提升至入湖河道通過濕地凈化后再流入湖泊，一方面可以將河道里的生活污水及時攜帶進入濕地處理，避免枯期水量較小，污水中的污染物都沉淀在河底，另一方面還可以對湖泊的水體進行循環凈化處理，提高湖泊的水動力及水質，此外，可以兼顧灌溉使用。

流域內的點源污染有所控制，但非點源污染問題卻十分突出。暴雨產生的徑流對地表有強烈的沖刷作用，加之農藥化肥的使用量和土地耕作強度的逐年加大，大量污染物在暴雨徑流的沖刷下從地表向湖區遷移。研究結果表明，暴雨徑流已成為湖泊水體富營養化的重要營養物質來源［2］。另據現場調查，入湖河道沿岸的部分農村生活污染未經處理排入河道，進而流入湖泊。該工程的主要處理對象是以初期雨水為主的地表徑流及農業面源。根據現場調查和水質檢測及考慮遠期沿河村莊開展兩污治理，進水水質和出水水質如表1、表2所示。

表1 進水水質

表2 出水水質

1.2 防滲與防洪

為防止污染擴散，保障濕地的運行水位，濕地建設根據需要采取一定的防滲措施。人工濕地在底部和側面進行防滲處理，防滲層的滲透系數不大于10-8m/s，對于滲透系數小于10-8m/s 且厚度大于60 cm 的土壤，可直接作為濕地防滲層，不需采取其他措施進行防滲處理。當防滲要求較低，且條件許可時，選用天然黏土或改良土夯實；當防滲要求較高時（靠近村莊、管道等），選用塑料薄膜，如聚乙烯膜、聚合物水泥等建筑防水材料、水泥或合成材料隔板、黏土［3］。由于本工程遵循生態優先的原則，整體工藝流程均采用綠色生態化處理設施，為與周邊生態環境進行充分的物質及能量交換，措施采取原土夯實+表土覆蓋的防滲措施。

濕地位于入湖口，采用翻板壩及泵站提水的進水方式，保留原主河道并進行疏浚形成行洪通道，濕地布置于行洪通道兩側，主河道河水對濕地影響較小。洪水較大時，洪水主要通過行洪河道下泄進入湖區，同時通過管道閥門開閉調節進水水量，減少外圍洪水對濕地的影響。濕地在不影響湖區蓄水庫容的前提下，充分考慮現狀地形、保證濕地內部土方平衡后濕地圍堤堤頂，保證湖泊洪水位對濕地無影響。

1.3 濕地系統構建

1.3.1 總體工藝。根據進出水水質及現狀場地條件，采用復合型人工濕地，具體工藝流程如下：河道來水→前置沉淀生態塘→表流濕地→水生植物氧化塘→湖體。

前置沉淀生態塘起沉淀、水解、配水三個作用，入湖河道水體通過自流進入前置沉淀生態塘，受阻后流速降低有效沉淀河道中的懸浮物及降低河水中的含砂量，底層水體呈現的厭氧狀態，可通過水解酸化作用將COD 轉化成BOD，增加水體可生化性，同時可以將少量的有機氮轉化為氨氮。為方便后期清淤，該功能區塊種植浮葉植物和挺水植物為主，通過植物吸收、吸附等作用，提高處理能力，達到強化的目的。表流濕地分為一級表流濕地、二級表流濕地、三級表流濕地串聯處理床體單元，表流濕地中主要利用水生植物和好養微生物共同作用凈化污水，通過過濾、吸附、降解的協同作用凈化水質，主要去除氨氮、總氮、總磷等。水生植物塘位于凈化濕地區末端，根據水質凈化和濕地生態恢復需求，結合現有地形高程，綜合考慮鳥類、魚類棲息需求的情況下，結合現場的地勢條件并對現有地形進行一定的改造設置沉水植物區、浮葉植物區及荷塘區濕地區域，對表流濕地出水進一步進行深度處理，在動植物、微生物共同作用下去除氨氮、總磷、有機物、抑制藻類等［4］，為水質達標提供保障。

工程豎向布置充分考慮項目區現狀地形，基于工程區東高西低的整體格局進行布置，有效減少土方工程。項目采用自流進水、自流出水的方式。跌水壩前進水經管道通入前置沉淀生態塘，其中生態塘水深2.5～3.0 m，好氧塘水深1.0～2.0 m；后經配水渠配水進入表流配水支渠，通過濕地內部配水系統進入三級表流濕地，表流濕地水頭損失0.6 m；水生植物塘根據需要，水深為0.4～2.5 m 不等。前置沉淀生態塘、表流濕地、水生植物塘及湖區三級豎向高差分別為20 cm、30 cm及50 cm，通過汀步跌水流入下一級，在提高親水性的同時起到曝氣增氧作用。

1.3.2 前置沉淀生態塘。前置沉淀生態塘由生態塘和好氧塘組成，生態塘約占水面面積的30%，好氧塘約占70%。生態塘作為水質凈化工程單元，主要起到懸浮物沉淀、水解酸化、補充碳源等功能。塘底設置人工水草，附著水解酸化相關功能菌；設置生態鳥島，通過物種間共生關系和空間生態位、營養生態位建立高效的人工生態系統對污染物進行削減；生態塘水深2.5～3.0 m，超高0.3 m，駁岸坡比為1:3緩坡，為水生植物恢復提供較寬生長帶。

好氧塘水深1.0～2.0 m，超高0.3 m，駁岸坡比為1∶3 緩坡。好氧塘主要功能為水體增氧，同時去除部分CODCr和NH3-N 等污染物。為提升好氧塘增氧效率，塘底布置沉水植物組合，好氧塘單元設置2 套微泡式太陽能曝氣機，采用底部曝氣方式增氧。好氧塘出水口各設置一道滲濾堰（塊石結構），防止懸浮物及植物殘肢進入表流濕地。

1.3.3 表流濕地。表流濕地為濕地水質深度凈化區。濕地表層水面及水生植物根部為好氧區，通過硝化及反硝化作用以去除污水中的氨氮和總氮。除此之外，植物的吸收與微生物同化作用可去除水中的氮磷及有機物。表流濕地主體結構以近自然結構為主，底部采用30 mm 厚黏土防滲。周邊采用自然放坡，坡度1:3～1:10，采用挺水植物護坡。

1.3.4 水生植物塘。水生植物塘位于凈化濕地區末端，根據水質凈化和濕地生態恢復需求，結合現有地形高程，綜合考慮鳥類、魚類棲息需求的情況下，結合現場的地勢條件并對現有地形進行一定的改造，設置沉水植物區、浮葉植物區及荷塘濕地區域，對表流濕地出水進一步進行深度處理，為水質達標提供保障。此外，水生植物塘中通過不同種類植物（挺水植物、浮葉植物、沉水植物）搭配、增加水生植物數量和在塘中增殖放流魚類、貝類等水生態強化措施，構建一個種類多樣、食物鏈復雜的水生態系統。系統中包括菌類、藻類、水生植物、浮游動物、魚、水禽等多種生物，組成了多條食物鏈共存的生態系統，在強化水質處理效果的同時，可使塘內新增污泥量得到部分平衡，同時增強系統承受沖積負荷的能力。

水生植物塘中水生植物密度和數量較大，主要利用水生植物和好養微生物共同作用凈化污水，有效地去除水中的營養物質、酚、微量金屬、無機鹽等，同時可為微生物的生存提供條件。

2 生物多樣性保護

2.1 魚類保護

在濕地內構筑人工魚巢，為魚類及水生生物棲息、繁殖提供生存空間，同時為自然濕地引鳥區的鳥類提供了豐富的食物資源。由于水流帶起的泥沙等物遇到石塊減速后，在重力作用下會沉積在魚巢內，沉積物能夠給水生植物提供營養來源，形成植物、魚和各種水生生物共存的空間。洪水季節，有效地抵御外界流速的變化對魚類等水生生物造成的危害，提供安全的避難場所。拋石魚巢所選石料表面凹凸不平，石塊之間緊湊擺放組成魚巢造型。根據對沉水植物區內生態島的標高設計，通過地形設計營造出一系列深淺不一的深潭和淺灘，淺灘和深潭交替存在可形成水體中不同流速和生境［5］，豐富水生生物多樣性；輔以濕生植物、草甸植物的栽植，形成對水體具有過濾、吸附、沉淀、凈化及蓄積功能的小型生態系統。濕地生態系統中，植物配置恢復完成后，投放適量魚苗作為健康水生態系統的啟動因子。根據能量塔原理和食物鏈食物網的物質流動原理，進一步在區內大水域中配置不同品種的土著魚類（包括濾食性魚類、雜食性魚類、肉食性魚類）及其他水生動物。通過在水體中配置不同魚類、底棲動物等，逐步修復水生態環境，激活水生生物食物網（鏈），促進湖泊區域其他魚類繁殖。結合食物鏈結構調整，將水體中營養物質移除，實現水質凈化效果。

2.2 鳥類棲息地設計

通過構建不同形態的水系來豐富濕地生境，結合不同區域濕地鳥類棲息地營造需求，為不同類型濕地水鳥提供其適宜的生境條件，豐富水鳥的種類［6］。草灘以草本植物為主，包括莎草沼澤、禾草沼澤和雜類草沼澤，植物蓋度≥30%。該生境主要為鷺類、鶴類和小型魚類及兩爬類提供適合生境。季節性灘涂地在夏天淹沒，秋天水位下降，露出底泥，迅速長滿苔草的草灘或者是只有沉水植物冬芽的泥灘。該生境主要為濕地水禽以及小型魚類、草食性魚類提供食物和棲息空間。生態島生境恢復在濕地設計中規劃多個大小不一供鳥類棲息的生態安全島，主要建設于沉水植物區內，島鏈設計標高高出水面1～3 m，留有裸露泥涂，植物種植以耐水淹的垂柳為主，配植特色地被、蘆葦等植物，為鷺類及鸛類提供營巢場所。

生態島周邊為淺水區，通過種植挺水植物、沉水植物群落營造淺水覓食區，同時在水上設置一定數量的木樁，以供水鳥短暫停息。

2.3 植物種植

根據高原湖泊湖濱濕地歷史上植物種子庫分布特點，結合湖濱帶濕地植物及陸生植物自然演替狀況作為篩選的依據，應盡可能選用當地的本土植物物種，可更好地適宜于立地環境，而且避免生物入侵的生態安全問題。在水平布局上要有花植物與無花植物的搭配，在空間配置上要有植物高矮之間的搭配，季節配置上要考慮水生植物多物種、多季相的景觀生態環境。植物群落配置是通過人為設計，重建和恢復水生植物群落，根據環境條件和群落特性按一定的比例在空間分布、時間分布方面進行安排，高效運行，達到恢復目標，即凈化水質，形成穩定可持續利用的生態系統。考慮植物冬季水質凈化問題。低溫條件下人工濕地應選擇耐寒、生長周期相對長的植物，黃菖蒲、燈芯草等可作為冬季人工濕地選擇植物，低濃度氮磷水環境中，水蔥脫氮除磷能力較強，利用菹草、水鱉、矮生耐寒苦草和西伯利亞鳶尾組合的搭配在冬季也能保持良好凈化效果。選用鄉土植物，增強生態系統的穩定性和景觀的地域性特征，避免外來物種的入侵導致本地植物喪失在生態系統中的主導地位［7］。

由于生境及其植被都有著自然演替的過程，在濕地恢復不同階段，其植物的數量和種類都會產生較大變化，在后期還需進行長期監測和控制，不斷調整植物群落的物種和組成。

3 結論

①根據生態濕地各項措施工程量，并結合以往工程監測所得不同類型措施的凈化能力，計算得出入湖口濕地對污染物COD 凈化潛力為21.3 t/a，總磷凈化潛力為0.33 t/a，總氮凈化潛力為7.07 t/a，氨氮凈化潛力為1.31 t/a。生態濕地工程構建完成后，水生態系統自凈能力隨著水生生物群落的穩定與發展逐步提升并達到上述凈化潛力。

②通過在入湖口合理布設復合型濕地，對鳥類和魚類進行保護，植物恢復設計，實現水質凈化、生物多樣性保護和生態景觀營造三大功能。

③本次入湖口濕地在高原湖泊水環境治理中的應用研究，可為其他類似湖泊的生態治理提供有價值的參考。