趙欣勝 崔麗娟 李 偉 潘 旭 張曼胤

近20年來，由于人為活動的持續(xù)影響，進(jìn)入天然水體的氮、磷、重金屬等有毒有害污染物持續(xù)增加產(chǎn)生的累積效應(yīng)致使天然水體發(fā)生富營養(yǎng)化、出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象加劇，進(jìn)而導(dǎo)致我國部分水體質(zhì)量日益惡化[1-12]。特別是氮、磷污染導(dǎo)致的富營養(yǎng)化問題日漸突出。許多研究表明，富營養(yǎng)化極易導(dǎo)致水體暴發(fā)藻類水華，進(jìn)而因藻類瞬間死亡而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，例如使水中溶解氧含量迅速降低，造成水生動物因缺氧死亡，并帶來水體惡臭問題，降低景觀欣賞性，影響旅游業(yè)發(fā)展[13-15]。這些影響進(jìn)一步會對區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)業(yè)帶來負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致周邊土地附加值降低。另外

某些藻類死亡分解能夠產(chǎn)生有毒的藻毒素，有研究證實藻毒素是動物肝臟患腫瘤的強烈誘發(fā)劑，通過食物鏈關(guān)系嚴(yán)重威脅著人類的健康。與此同時，目前關(guān)于濕地景觀和濕地凈化方面的設(shè)計和研究多考慮單一功能，特別是濕地景觀設(shè)計實施后缺少后評估，也造成了部分設(shè)計不符合實際需求，考慮了景觀而忽略了生態(tài)效益[14-17]。因此，在濕地景觀設(shè)計方面，如何將濕地景觀設(shè)計與濕地凈化功能有機結(jié)合，如何安全有效地修復(fù)黑臭水體，特別是富營養(yǎng)化水體是目前水環(huán)境領(lǐng)域、風(fēng)景園林領(lǐng)域關(guān)注的熱點[18-20]。因此兼顧景觀和水質(zhì)提升、科學(xué)設(shè)計水景景觀等研究是當(dāng)前風(fēng)景園林領(lǐng)域研究的熱點[1-5，23-26]。近10年來，全球范圍內(nèi)多個國家相繼開展了多個黑臭水體、湖泊富營養(yǎng)化治理工程。針對黑臭水體、富營養(yǎng)化水體，特別是藻類泛濫控制等水環(huán)境問題，很多科學(xué)家都投入到控制藻華暴發(fā)研究當(dāng)中，提出了很多科學(xué)的治理方法，如化學(xué)快速治理法、機械打撈法、生物抑制法、生態(tài)攔截法和快速絮凝法等。但由于各種方法都存在著效果不佳、持續(xù)時間短、有二次污染問題等，一直無法有效推廣。因此，人們一直期待著出現(xiàn)一套安全、有效、成本低、操作簡便的技術(shù)[8-13，21-24，27-31]。

作為中國四大淡水湖的太湖，其富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類水華十分突出，已經(jīng)嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)生產(chǎn)，并且呈現(xiàn)逐年加劇趨勢，藻類水華持續(xù)時間也隨之增長[21-27]。國內(nèi)很多大型湖泊，特別是熱帶亞熱帶區(qū)域的湖泊由于夏季氣溫較高，加之水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，經(jīng)常性發(fā)生藻類水華。大部分湖泊所在地夏季時盛行南風(fēng)，湖泊的北岸往往是藻類水華形成后藻類聚集區(qū)，因此如果能夠借助地形攔截收集藻類，會取得事半功倍的效果[22-27]。地形工程實施后，在夏季藍(lán)藻水華形成后，采用若干小型藍(lán)藻打撈船快速打撈浮集在水面的水華藍(lán)藻，另配一條大型藻水分離船在湖面上收集，小型藍(lán)藻打撈船收集的藍(lán)藻送到藻水分離船上進(jìn)行脫水處理，清水仍返湖中，可以大大減少藍(lán)藻的存放空間和拖運費用。因此通過地形改造攔截藻類的影響是具有實踐應(yīng)用價值的。本文研究對象是太湖中的三山島，由于夏季藻類水華現(xiàn)象十分突出，因此在充分考慮景觀和凈化功能的基礎(chǔ)上，于2009年開始設(shè)計和實施藻類水華綜合控制系統(tǒng)。經(jīng)過多年的運行和管理，其效果顯著。本文將對該工程的景觀設(shè)計和技術(shù)思路和實施后的效果進(jìn)行分析，為類似濕地提供借鑒和參考。

1 工程設(shè)計

利用濕地生態(tài)學(xué)與景觀設(shè)計手法，對研究區(qū)的天然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)、恢復(fù)和改善，同時保留濕地原有的景觀特色。從功能、空間、景觀、環(huán)境、特色等多方面綜合考慮濕地的整體設(shè)計。創(chuàng)造一個兼顧景觀和凈化功能的藻類水華綜合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成應(yīng)用了地形改造、濕地生態(tài)護(hù)岸、濕地植物優(yōu)化配置、生物鏈恢復(fù)以及水力聯(lián)通等多種景觀與生態(tài)設(shè)計技術(shù)(表1)。地形改造是實現(xiàn)研究區(qū)游步道、岸帶建造、水面形態(tài)、水深梯度、水力連通以及濕地植物帶狀種植等濕地景觀營造的前提，而水面形態(tài)的變化、水深梯度的變化是影響濕地帶狀景觀構(gòu)建的關(guān)鍵要素，濕地植物優(yōu)化配置優(yōu)先考慮凈化功能進(jìn)而再選擇具有景觀觀賞性的品種。具體工程分為6個處理單元(①為第1單元、②為第2單元、③為第3單元、④和⑤為第4單元、⑥為第5單元以及⑦為第6單元)，通過地形改造實現(xiàn)研究區(qū)水連通性，進(jìn)而利用水流運動作用實現(xiàn)收集藻類水華過后產(chǎn)生的大量有害藻類，通過人工措施進(jìn)行無害化處理；工程也能攔截有害藻類擴散到三山島近岸，消除對近岸水體水質(zhì)、島上空氣環(huán)境以及景觀的不利影響。

工程區(qū)中的①和②區(qū)(圖1)主要植物群落為人工種植的荷花、睡蓮、芡實、茭白、香蒲等浮葉和挺水植物，植被帶自湖岸延伸至水體中5～15m。③、④和⑤區(qū)(其中④和⑤屬于同一個單元，圖1)自挺水植物區(qū)邊界起，至圍堰內(nèi)側(cè)，南北寬度約150m，種植有苦草、金魚藻、輪葉黑藻、狐尾藻、菱、荇菜、水鱉等浮葉與沉水植物。⑥和⑦區(qū)(圖1)處于圍堰三級區(qū)域，距離湖岸較遠(yuǎn)，具有攔截太湖藍(lán)藻功能。⑧區(qū)為工程區(qū)外圍，屬于工程對照區(qū)，是未經(jīng)工程干擾的太湖水域，其中沉水植物稀少，部分靠近圍堰的地方有少量具有凈化功能的荇菜、菱、輪葉黑藻等浮葉植物。

1.1 濕地生態(tài)護(hù)岸

以自然生態(tài)性、凈化水質(zhì)功能、防浪固岸功能和景觀優(yōu)化功能為原則，通過多種形式、多種結(jié)構(gòu)和多種材料進(jìn)行岸帶設(shè)計，充分體現(xiàn)岸帶與水體之間的物質(zhì)與能量交換，促進(jìn)水環(huán)境改善，為生物物種提供健康的水生態(tài)環(huán)境。

研究區(qū)由于水體富營養(yǎng)化問題突出，岸帶設(shè)計采用快速滲濾系統(tǒng)更有助于水環(huán)境質(zhì)量的改善，同時也能夠滿足水體交換，保持正常的生態(tài)水文過程，外側(cè)臨太湖測構(gòu)造濕地生態(tài)凈污岸帶，通過人工構(gòu)筑的滲濾介質(zhì)表面時經(jīng)歷物理、化學(xué)和生物作用，對水體進(jìn)行有效凈化處理。快速滲濾系統(tǒng)由生態(tài)袋、多層滲濾基質(zhì)、凈污濕生植物構(gòu)建而成，地表徑流進(jìn)入積水溝后二次分散進(jìn)入快速滲濾系統(tǒng)，最后進(jìn)入水體中。采用滲透性能較好的砂石、煤渣、礫石等滲濾基質(zhì)代替天然土層，利用其為載體，在其表面形成特殊的生物膜，為微生物提供較大的附著表面，微生物可以將污染物分解為二氧化碳和水，同時結(jié)合種植凈污濕生植物，有利于加強對水體污染物的降解作用，強化自然狀態(tài)下河流中的沉淀、吸附及氧化分解現(xiàn)象。

1.2 濕地植物恢復(fù)規(guī)劃

濕地植物恢復(fù)的主要目的是促使恢復(fù)區(qū)植被多樣性豐富度和植被蓋度得到有效提升，并增加景觀觀賞性和增強濕地系統(tǒng)的自我維持能力。適合研究區(qū)的濕地植物恢復(fù)的有杞柳、腺柳、垂柳、旱柳、澤瀉、蘆葦、茭白、石菖蒲、水蔥、雨久花、香蒲、慈姑、浮萍、荷花、睡蓮、槐葉萍、菱、苦草、菹草、眼子菜等。其中常水位出露灘地植被帶恢復(fù)主要選擇低矮濕生植物，如澤瀉、慈姑、雨久花等，種植密度為1～3叢/m2。常水位以下植被帶恢復(fù)以高大挺水植物為主，如蘆葦、石菖蒲、香蒲、茭白，種植密度為25～30株/m2，水深主要在0～50cm。濱水帶植被恢復(fù)植被帶以種植濕生灌木(杞柳、腺柳、垂柳、旱柳等)為主，種植密度為1 500～5 000株/hm2；淺水區(qū)在50～250cm范圍內(nèi)種植沉水植物和浮葉植物，如浮萍、荷花、睡蓮、槐葉萍、菱角、苦草、菹草、眼子菜等，其中荷花、睡蓮種植密度為1株/m2，而菱角、苦草、菹草、眼子菜等沉水植物種植密度為10～25叢/m2。圖2中荷花種植區(qū)和睡蓮種植區(qū)主要通過濕地基質(zhì)改良、微地形改造實現(xiàn)恢復(fù)；圖2中深水區(qū)主要通過深挖局部地形達(dá)到2m以上深度實現(xiàn)恢復(fù)；圖2中沉水植物種植區(qū)通過微地形改造并選擇具有凈化功能的沉水植物進(jìn)行科學(xué)種植實現(xiàn)恢復(fù)。

1.3 水文連通

濕地水文連通是在保持現(xiàn)狀水位不變的情況下，通過改造地形改變濕地水深實現(xiàn)不同水體水力連通，進(jìn)而促進(jìn)物質(zhì)和能量交換。一般通過工程措施對水面形狀、規(guī)模、空間布局進(jìn)行調(diào)整，穩(wěn)定水域面積，優(yōu)化濕地恢復(fù)區(qū)域內(nèi)的水資源分配格局，重新建立起水體之間良好的水平和垂直聯(lián)系，調(diào)節(jié)濕地生境水分條件，保證濕地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的正常輸入輸出。水文連通可通過地形削平或抬高來實現(xiàn)。地形削平是通過消除濕地恢復(fù)區(qū)局部地勢較高的區(qū)域，降低局部地形海拔高度，間接增加水深，以滿足一些濕地植物對水深的要求，特別是挺水植物、浮葉植物和沉水植物等。地形抬高是通過堆積基質(zhì)，抬高局部地形海拔高度，間接降低水深，滿足一些濕地植被對淺水深的要求，特別是濕生植物。水文連通技術(shù)在實踐當(dāng)中又有許多表現(xiàn)形式，研究區(qū)采用的水文連通技術(shù)見表2。

1.4 濕地生物鏈恢復(fù)

通過確定研究區(qū)濕地生物鏈斷鏈“節(jié)”處和導(dǎo)致濕地生物鏈斷鏈關(guān)鍵因子后，依據(jù)研究區(qū)濕地生物鏈中生物關(guān)系，以及濕地生物鏈斷鏈“節(jié)”處各種物種生態(tài)特征和生活習(xí)性，采取生態(tài)恢復(fù)、重建和增強等技術(shù)手段恢復(fù)斷鏈“節(jié)”處關(guān)鍵種，進(jìn)而實現(xiàn)研究區(qū)生物鏈完整結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。濕地生物鏈結(jié)構(gòu)的脆弱化主要原因是濕地生物鏈中的生產(chǎn)者、消費者和分解者比例關(guān)系發(fā)生改變，因此通過在研究區(qū)采用相應(yīng)的生物恢復(fù)技術(shù)可以實現(xiàn)濕地生物鏈斷鏈“節(jié)”處生物物種種類、種群數(shù)量以及年齡組成最佳配置比例，本研究主要從濕地植被恢復(fù)、投放魚類、底棲動物和浮游動物進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)而恢復(fù)了健康的濕地生物鏈系統(tǒng)。在研究區(qū)除了恢復(fù)濕地生物鏈的食物關(guān)系結(jié)構(gòu)以外，恢復(fù)濕地生物之間的相生相克關(guān)系也非常重要。對于研究區(qū)相生相克關(guān)系，本研究區(qū)利用了蘆葦、石菖蒲等濕地植物的他感作用抑制藻類繁殖。濕地生物鏈組成結(jié)構(gòu)調(diào)整借助了濕地植物恢復(fù)和濕地動物恢復(fù)技術(shù)來實現(xiàn)，其中濕地生物鏈中生產(chǎn)者的恢復(fù)用到了濕地植物恢復(fù)技術(shù)。為此，本研究采用重建模式進(jìn)行恢復(fù)，其中濕地植物恢復(fù)以挺水植物中的蘆葦、香蒲、石菖蒲、茭白等為主，浮葉植物以睡蓮、芡實、菱、荇菜、水鱉等為主，沉水植物以苦草、菹草、眼子菜等為主，又強化了以杞柳、腺柳、垂柳、旱柳為主的濕生灌木品種；水生動物以投放花鰱、鳙魚、白魚等魚類，以及螺螄、田螺、河蚌等底棲動物為主，最終通過地形改造、水力聯(lián)通等生境改良措施實現(xiàn)了健康完整的濕地生物鏈系統(tǒng)恢復(fù)(表1)。

表1 各單元景觀配置

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析方法

在6個處理單元和對照區(qū)共設(shè)置21個采樣點，同時對水體水質(zhì)進(jìn)行逐月定點跟蹤監(jiān)測，每個站位采表層水樣(深度小于0.5m)，采集后即用0.45m的Millipore濾膜進(jìn)行現(xiàn)場減壓過濾，保溫箱內(nèi)低溫保存，運回實驗室后立刻按照國標(biāo)進(jìn)行水化學(xué)分析。現(xiàn)場監(jiān)測和記錄溶解氧(DO)、透明度SD(cm)及pH值，采樣后在實驗室監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)有：總氮TN(mg/L)、總磷TP(mg/L)、高錳酸鹽指數(shù)CODMn(mg/L)。DO采用碘量法測定(GB 7489—87)，SD采用塞氏盤法測定，pH值現(xiàn)場測定，總氮(TN)采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定(GB 11894—89)，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法測定(GB 11893—89)，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性法測定(GB 11892—89)，葉綠素a參照乙醇萃取法進(jìn)行測定。

本試驗各項指標(biāo)均參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查研究》和《水和廢水監(jiān)測分析方法第四版》的方法進(jìn)行測定，采用SPSS v21軟件中單因子方差(ANOVA)及Duncan多重比較對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

圖2 研究區(qū)恢復(fù)效果

圖3 SD變化趨勢圖

圖4 pH變化趨勢圖

3 結(jié)果與討論

3.1 透明度(SD)變化規(guī)律

由圖3可以看出，2010年1月至2013年12月，隨著季節(jié)的變化，單元1的水體透明度(SD)變化范圍為0.57～1.24cm，但整體上透明度呈上升的趨勢。自2012年1月到2013年12月，6—10月期間水體透明度顯著高于其他月；單元2和對照也具有同樣的規(guī)律，但單元3變化規(guī)律不明顯，其各月間水體透明度基本沒有變化，對比分析顯示，自2010年1月以后，單元1水體的透明度顯著高于其他單元以及對照區(qū)(p＜0.01)。

3.2 pH時間變化規(guī)律

圖4顯示，單元1的p H值變化處于6.90～8.10之間，隨時間有所上升。2012年4—10月各單元pH顯著高于其他月。單元1的pH與其他單元差異顯著(p＜0.01)，而單元2、單元3和對照差異不顯著(p＞0.05)。監(jiān)測表明，盡管隨著季節(jié)變化水溫不斷變化，當(dāng)圍隔內(nèi)水華藻類得以很好控制后，以沉水植物為主的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力更高，水體二氧化碳固定量隨之增高，導(dǎo)致水體pH相對圍隔外更高。

3.3 營養(yǎng)元素變化規(guī)律

在未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)之前，圍隔內(nèi)、外水體TN濃度同屬于V類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；工程實施期間圍隔內(nèi)水體中的總氮濃度由初始的1.50mg/L下降至0.55mg/L，對照區(qū)水體中總氮含量變化由0.78mg/L升至1.62mg/L(圖5)。自2009年1月以后，圍隔內(nèi)顯著低于圍隔外(p＜0.01)；至2013年12月，單元1水體總氮濃度比圍隔外下降了68.0%。沉水植物建立過程中，工程區(qū)內(nèi)水體總磷濃度也呈下降趨勢。初期圍隔內(nèi)水體和圍隔外水體總磷濃度分別為0.06和0.05mg/L，均處于Ⅱ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對比分析顯示，圍隔內(nèi)水體總磷濃度在2013年1—9月均顯著低于圍隔外(p＜0.01)。截至2013年12月，圍隔外總磷濃度為0.04mg/L，圍隔內(nèi)總磷濃度為0.02mg/L，總磷降低了50.0%(圖6)。

這條道路的堅持彰顯了卓越的世界意義。社會主義革命的勝利和社會主義建設(shè)，無疑是通過民族國家的形式得以實現(xiàn)，但社會主義事業(yè)的實現(xiàn)或者完成，則需要“全人類”的共同參與。如果不能超越資本主義發(fā)展道路的世界性、文明性，僅僅偏安于一隅之地，那么，所謂的社會主義也僅僅徒有虛名而已。因此，“道路自信”作為中國特色社會主義“文明自信”的實踐寫照，承擔(dān)著學(xué)習(xí)世界一切優(yōu)秀成果、面向世界、走向世界、引領(lǐng)世界，并將自身“成為世界”的文明使命和文明擔(dān)當(dāng)意義。

3.4 COD變化規(guī)律

圍隔建立初期，位于圍隔內(nèi)和圍隔外水體中CODMn的濃度分別為12.6和12.7mg/L，處于同樣水平。通過放養(yǎng)人工馴化的大型枝角類，水體沉水植物的自凈作用，2013年3—9月，圍隔內(nèi)CODMn含量極顯著低于對照區(qū)水體(p＜0.01)，特別是單元1，顯著低于對照區(qū)。至2013年12月，圍隔外水體中CODMn的含量與初始階段并無差異(p＞0.05)，為4.8mg/L，而圍隔內(nèi)水體的CODMn含量下降至4.4mg/L，同比下降了70.9%(圖7)。

表2 水文連通技術(shù)

圖5 TN變化趨勢圖

圖6 TP變化趨勢圖

圖7 CODMn變化趨勢圖

圖8 Chla變化趨勢圖

3.5 Chla變化

圖8顯示，單元1在2009和2010年的每年6—9月，其Chla含量存在一個波峰，而2011年以后其變化不明顯。而單元1與單元2、單元3以及對照區(qū)其Chla含量存在明顯差異(p＜0.01)，而單元2、單元3以及對照區(qū)其Chla含量也存在明顯差異(p＜0.01)。圖9顯示，4—6月這項工程每天能夠處理0.2～0.3t的藻類重量(濕重)；7—9月這項工程每天能夠處理1t左右的藻類重量(濕重)；10月這項工程每天能夠處理0.5t左右的藻類重量(濕重)，6、7和8月處理量增加充分說明該月藻類水華發(fā)生現(xiàn)象嚴(yán)重。

3.6 景觀特征變化

根據(jù)野外觀測顯示，工程實施后近10年時間，起藻類暴發(fā)區(qū)域明顯減少，且藻類暴發(fā)區(qū)主要集中在攔截系統(tǒng)的中部區(qū)域，同時近島嶼區(qū)域水體透明度明顯增加；這個研究區(qū)建設(shè)面積從最初的130hm2增加到160hm2，進(jìn)一步提升了改善三山島近岸水環(huán)境質(zhì)量和優(yōu)化景觀的目的。表現(xiàn)出濕地植物多樣性豐富，濕生植物、挺水植物、浮葉植物和沉水植物帶狀分布明顯，層次感強等生態(tài)與景觀效益(圖10)；岸帶植物恢復(fù)效果顯著，增強了岸帶穩(wěn)定性又強化了水體凈化效果和景觀觀賞性。

4 結(jié)論

1)該工程實施3年后，圍隔外總磷濃度為0.04mg/L，圍隔內(nèi)總磷濃度為0.02mg/L，總磷降低了50.0%，單元1水體的透明度顯著高于其他單元以及對照區(qū)。

2)每年在6—9月，不同單元的總氮和總磷含量為對照＞單元3＞單元2＞單元1，其中TP、TN具有同樣的變化規(guī)律，即對照＞單元3＞單元2＞單元1；說明濱岸的大量挺水植物很好地起到了吸收水體中N、P的作用；在夏季和冬季，水體營養(yǎng)化程度為挺水植物區(qū)＞沉水植物區(qū)＞開敞水體區(qū)，由于不同季節(jié)濕地植物腐爛釋放營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致水體中營養(yǎng)元素偏高。

3)每年4—6月這項工程每天能夠處理0.2～0.3t的藻類重量(濕重)；7—9月這項工程每天能夠處理1t左右的藻類重量(濕重)；10月這項工程每天能夠處理0.5t左右的藻類重量(濕重)，6、7和8月處理量增加充分說明該月藻類水華發(fā)生現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖9 2013年藍(lán)藻消除量變化圖

圖10 工程實施后變化比較圖

4)該工程實施后觀測結(jié)果顯示，不僅實現(xiàn)了凈化功能，同時也建立了優(yōu)美的濕地景觀，濕地植物多樣，濕生植物、挺水植物、浮葉植物和沉水植物帶狀分布明顯，層次感強，實現(xiàn)了景觀與凈化功能的雙重效益，進(jìn)而促進(jìn)了三山島旅游業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)與社會價值。

注：文中圖片均由作者提供。