章 毅，姚靜波，陳 靜，郭 佳，陳 波

(誠邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州310008)

1 引言

隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，人工湖以其特有的生態(tài)和景觀價(jià)值，逐漸成為城鄉(xiāng)居民休閑娛樂場所的重要組成部分。人工湖在美化人居環(huán)境的同時(shí)還具有調(diào)節(jié)氣候、保持水土、調(diào)蓄洪澇、改善環(huán)境等作用[1]。然而，人工湖是一種比較封閉的水體，具有水體流動(dòng)性差、水位低、容量小等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致其自凈能力弱；同時(shí)，由于人類活動(dòng)的影響，水體受到不同程度的污染，甚至出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題[2]。國外對于城市人工湖的生態(tài)修復(fù)研究較早，已取得較為成熟的工程經(jīng)驗(yàn)；而國內(nèi)對此研究仍處于起步階段[3]。本文以臨汾汾河城區(qū)段生態(tài)環(huán)境綜合治理工程的1號人工湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目為例，進(jìn)行水體凈化與生態(tài)修復(fù)工藝研究，旨在探索適合城市人工湖生態(tài)修復(fù)的組合工藝及其運(yùn)營管理要點(diǎn)，總結(jié)技術(shù)體系，為城市人工湖生態(tài)修復(fù)提供借鑒。

2 人工湖現(xiàn)狀分析

2.1 工程背景

為推進(jìn)集綠色帶、生態(tài)帶、產(chǎn)業(yè)帶、城鎮(zhèn)帶為一體的百里汾河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)，山西省臨汾市政府精心謀劃，統(tǒng)籌實(shí)施河道生態(tài)治理修復(fù)、道路交通建設(shè)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)、文化旅游景區(qū)開發(fā)和城鎮(zhèn)化建設(shè)五大工程，成為建設(shè)“美麗中國”的區(qū)域樣本。汾河景區(qū)是百里汾河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的龍頭工程，也是臨汾打造文化旅游強(qiáng)市的一張金名片。汾河景區(qū)分為上、下游生態(tài)濕地段和城區(qū)生態(tài)文化精品段，精品段內(nèi)設(shè)有文化藝術(shù)區(qū)、科普活動(dòng)區(qū)、素質(zhì)拓展區(qū)、體育休閑區(qū)、青少年活動(dòng)區(qū)、地域文化展示區(qū)等六大功能區(qū)。

2.2 人工湖概況

本工程位于汾河西岸、城區(qū)精品段文化藝術(shù)區(qū)內(nèi)，共有3個(gè)人工湖(1號、2號、3號人工湖)，湖區(qū)總面積91685 m2，水深3.2～5.2 m。其中1號人工湖位于湖區(qū)的北面，面積29071 m2，平均水深4 m，最大水深5.2 m(圖1)。由于缺少專業(yè)的管理，人工湖的水質(zhì)開始惡化，水面出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，水體變黑變臭，逐漸成為劣V類水。

人工湖的初期蓄水和后期主要的補(bǔ)水水源為汾河河水，遇強(qiáng)降水有地表徑流匯入湖內(nèi)。因汾河流向?yàn)樽员毕蚰?，?號人工湖為整個(gè)人工湖系統(tǒng)地前置庫，承擔(dān)著入湖水源的預(yù)處理功能(汾河引水入1號人工湖，再依次流入2、3號人工湖)?？梢?，1號人工湖的水生態(tài)修復(fù)對于整個(gè)人工湖區(qū)的水質(zhì)提升尤為重要。

圖1 汾河景區(qū)城區(qū)精品段人工湖分布平面

2.3 污染分析

根據(jù)現(xiàn)場勘查及水質(zhì)分析，造成人工湖水質(zhì)惡化問題的原因主要如下。

(1)人工湖的自凈能力有限，部分區(qū)域水體流動(dòng)性較差，為藻類的生長提供適宜的水環(huán)境。

(2)湖區(qū)周邊的綠化排水和雨水徑流造成人工湖的氮磷及有機(jī)物含量過多。

(3)補(bǔ)水水源汾河中物質(zhì)復(fù)雜，造成人工湖內(nèi)懸浮雜質(zhì)過多，透明度降低。

3 生態(tài)修復(fù)方案與實(shí)施

根據(jù)污染分析，綜合考慮污染成因、湖域面積、補(bǔ)水水質(zhì)、工程技術(shù)、工藝特點(diǎn)和運(yùn)營管理等因素，在遵循生態(tài)可持續(xù)的原則下，采用“內(nèi)外結(jié)合＋組合工藝”為指導(dǎo)方針。

“內(nèi)外結(jié)合”是指人工湖內(nèi)部的原位水生態(tài)重建與外部的異位水資源凈化相結(jié)合。其中，原位水生態(tài)重建包括湖區(qū)生物群落構(gòu)建和生態(tài)駁岸營建等；異位水資源凈化包括物理凈化和生態(tài)水處理等。

“組合工藝”是指運(yùn)用多種施工工藝，從不同層面對水體進(jìn)行治理與修復(fù)。本工程原位處理的主要工藝為“底泥疏浚＋曝氣充氧＋水生植物群落”；異位處理的主要工藝為“氣?。斯竦亍苯M合工藝。

3.1 工藝流程

本工程對1號人工湖的水生態(tài)修復(fù)采取的工藝流程如圖2所示。

圖2 人工湖水生態(tài)修復(fù)工藝流程

3.2 原位處理工藝

3.2.1 底泥疏浚

底泥疏浚是利用機(jī)械手段去除湖底沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬等污染物，有效降低水中重金屬、氮、磷及有機(jī)物的含量，提高水體透明度和流動(dòng)性[4]。但是，該方法效果持久性差，且在清淤過程中若處理不當(dāng)易引起二次污染。本工程采用破壞性較輕的濕法清淤。

3.2.2 曝氣充氧

曝氣充氧是通過機(jī)械設(shè)備曝氣或擾動(dòng)增加水體含氧量，提高水中微生物活性及氧化能力[5]。本工程利用噴泉作為水循環(huán)動(dòng)力裝置，不僅具有景觀性，還具有實(shí)用性。

3.2.3 生物群落構(gòu)建

人工湖中的動(dòng)物、植物、微生物構(gòu)成了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，各生物之間相互影響，維持人工湖生態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡。本工程利用空間生態(tài)位和營養(yǎng)生態(tài)位的原則，強(qiáng)化動(dòng)物—植物—微生物的互利作用，弱化藻類生長環(huán)境，降低富營養(yǎng)化危害，建立高效的人工生態(tài)系統(tǒng)。其中，本工程重點(diǎn)應(yīng)用水生植物群落構(gòu)建工藝，打造挺水—浮水—漂水—沉水植物生態(tài)演替系統(tǒng)，具有較強(qiáng)穩(wěn)定性和景觀性，顯著提高人工湖對營養(yǎng)物質(zhì)的凈化能力。

3.2.4 生態(tài)駁岸營建

生態(tài)駁岸是指修復(fù)后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工駁岸，具有一定的抗洪強(qiáng)度，同時(shí)可以充分保證河岸與河流之間的水分交換[6]。本工程應(yīng)用生態(tài)袋營建生態(tài)駁岸，并在岸邊鋪設(shè)草坪，配置濕生植物群落，可有效降低地表徑流，減緩水土流失，提高生物多樣性。

3.3 異位處理工藝

3.3.1 氣浮工藝

氣浮工藝是溶解氣體在水中產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡，粘附于水中微小的懸浮顆粒上，造成密度小于水的狀態(tài)，利用浮力使其浮在水面，形成泡沫浮渣，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。針對藻類體積小、質(zhì)量輕、不易沉淀的問題，氣浮工藝能夠完美解決，故處理富營養(yǎng)化水體更具優(yōu)勢[7]。本工程中，利用氣浮工藝去除水中的藻類和微小懸浮顆粒，有效防止人工濕地填料堵塞；同時(shí)，氣浮工藝對進(jìn)入人工濕地的污水具有預(yù)曝氣的作用，提高填料含氧量，有效防止人工濕地出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

根據(jù)建設(shè)單位提供資料，為保證氣浮系統(tǒng)地正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本工程所安裝的氣浮設(shè)備設(shè)定進(jìn)水量為100 m3/h，進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 設(shè)定進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表

本工程所安裝的氣浮設(shè)備運(yùn)行流程如圖3所示。

3.3.2 人工濕地

人工濕地利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重作用凈化水質(zhì)，具有投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)方便及去污效果好等特點(diǎn)。人工濕地可分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，而潛流人工濕地根據(jù)水流方向的不同可分為垂直潛流人工濕地和水平潛流人工濕地[8]。本工程所應(yīng)用的水平潛流濕地，在床體內(nèi)水流方向?yàn)樗搅鲃?dòng)，填充孔隙度良好的填料，底部鋪設(shè)防滲層。在濕地表面種植挺水植物，植物根系深入填料層中，與填料交織形成根系層，起到截流過濾作用，并為填料層疏送氧氣[9]。

圖3 氣浮設(shè)備運(yùn)行流程

本工程人工濕地的構(gòu)筑物采用C25級防水混凝土澆筑，數(shù)據(jù)規(guī)格如表2所示。濕地池中設(shè)置四道磚混結(jié)構(gòu)擋墻，用于減緩水體流速，延長水力停留時(shí)間，平面布置圖及剖面圖如圖4、圖5所示。濕地填料采用細(xì)沙、粗沙、煤渣、石灰石等，分層結(jié)構(gòu)如圖6所示；填料上種植蘆葦、菖蒲、美人蕉、鳶尾等挺水植物。

表2 人工濕地規(guī)格

3.4 工程效果與養(yǎng)護(hù)管理

本工程自2014年4月完工并投入運(yùn)行后，水質(zhì)顯著改善。多年運(yùn)行結(jié)果顯示，水體透明度提高至1.0 m以上，富營養(yǎng)化現(xiàn)象消失，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838－2002(表3)的Ⅲ類要求。在生態(tài)環(huán)境得到改善的同時(shí)，1號人工湖的景觀效果也得到顯著提升(圖7)。生態(tài)和景觀的提升同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)旅游業(yè)的發(fā)展。在本工程進(jìn)行時(shí)，臨汾市其他生態(tài)工程也在如火如荼地開展。由近3年臨汾市旅游業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(表4)可見，臨汾市的旅游業(yè)經(jīng)濟(jì)效益在生態(tài)文明建設(shè)下呈穩(wěn)步上升趨勢，生態(tài)工程的效果逐步體現(xiàn)。

圖4 人工濕地平面布置

圖5 人工濕地A－A’剖面

圖6 人工濕地填料結(jié)構(gòu)

1號人工湖的日常管理養(yǎng)護(hù)人員僅需1人，主要職責(zé)為秋、冬兩季打撈植物殘葉，收割枯敗植物，夏季收割生長過盛植物。

表3 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838－2002(部分)

表4 臨汾市2015～2017年度旅游業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

城市人工湖作為內(nèi)源性湖泊，是城市水生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，具有收納城市雨污的作用，若運(yùn)行不當(dāng)，勢必引起富營養(yǎng)化等問題[10]。本工程根據(jù)1號人工湖污染現(xiàn)狀，采用“內(nèi)外結(jié)合＋組合工藝”的治理方針，從原位和異位兩方面共同治理，最終達(dá)到水體修復(fù)的目的。

圖7 臨汾汾河公園人工湖景觀

通過本工程的實(shí)施，總結(jié)了城市人工湖生態(tài)修復(fù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)如下。

(1)采用單一的工藝方法處理污水，往往效果不佳。如底泥疏浚處理效果立竿見影，但是持續(xù)性差，且容易發(fā)生二次污染；人工濕地處理脫氮除磷效果好，出水水質(zhì)高，但是占地面積大，填料容易堵塞，需要預(yù)處理過濾雜質(zhì)。本工程采取組合工藝的方法。氣浮工藝與人工濕地這兩種工藝具有較好的互補(bǔ)與聯(lián)動(dòng)性。氣浮工藝濾除可能會(huì)堵塞濕地填料的固體顆粒，延長濕地填料的使用壽命；人工濕地可消除氣浮法無法消除的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。

(2)人工湖因流動(dòng)性差、封閉性強(qiáng)等特點(diǎn)，在污染治理上應(yīng)從原位和異位兩方面同時(shí)處理。在原位處理上，從提高水體自凈能力和減少外源污染角度進(jìn)行修復(fù)；在異位處理上，從降低水體污染物質(zhì)含量角度進(jìn)行治理。本工程通過湖區(qū)生物群落構(gòu)建來提高人工湖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提高其自凈能力；通過氣浮工藝和人工濕地處理水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而降低水體污染物含量。

(3)人工湖水生態(tài)修復(fù)需經(jīng)歷先治理后修復(fù)的過程。治理指污染物質(zhì)的去除和水體凈化；修復(fù)指湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建及維護(hù)。只有通過工程手段將湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的污染物質(zhì)降低到一定濃度以下，然后根據(jù)生態(tài)位、食物鏈、自然演替等理論構(gòu)建穩(wěn)定的動(dòng)物—植物—微生物生態(tài)系統(tǒng)，使其具有一定的自凈與循環(huán)能力，才能真正達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。

(4)城市人工湖的生態(tài)修復(fù)工程對城市的建設(shè)具有生態(tài)效益、景觀效益和旅游效益。其中，生態(tài)效益是前提，景觀效益是基礎(chǔ)，旅游效益是保障。臨汾市的生態(tài)環(huán)境工程在提升人居環(huán)境的同時(shí)，帶動(dòng)了旅游業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的升級，為全國其他生態(tài)文明城市的建設(shè)提供了美好藍(lán)圖。