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(tài)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(huán)境、劃分空間、調節(jié)氣候的作用，對社會經濟發(fā)展起了不可估量的作用[1]。但隨著經濟社會的不斷發(fā)展，城市規(guī)模和人口數(shù)量不斷擴大，城市靜態(tài)水體水環(huán)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(yǎng)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(tài)水體水質提升和水生態(tài)系統(tǒng)修復不僅有利于緩解城市生態(tài)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(tài)水體污染物負荷分析、水環(huán)境容量核算以及生態(tài)系統(tǒng)構建的完整研究仍然相對較少。因此，了解靜態(tài)水體的特性，分析水體污染來源和負荷，核算水環(huán)境容量，形成系統(tǒng)的生態(tài)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(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，從根本上改善水環(huán)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(tǒng)的分析和探討城市靜態(tài)水體的生態(tài)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(lián)通，但流動性較差，水體相對封閉，屬于典型的城市靜態(tài)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(huán)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(huán)境持續(xù)惡化，生態(tài)系統(tǒng)衰退，出現(xiàn)嚴重的富營養(yǎng)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]?？紤]湖泊水體富營養(yǎng)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(tài)修復前滄浪湖現(xiàn)狀

2.1 浣花溪來水

浣花溪來水為V類水，滄浪湖現(xiàn)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(jù)測定的成都市自然降雨雨水水質結果，成都地區(qū)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(qū)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(shù)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(shù)量約為1 000只，參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產污系數(shù)與排污手冊》，氮磷輸出系數(shù)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(yǎng)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(huán)境容量核算

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

式中：W為污染物水環(huán)境容量(t/a)；Qin為入湖流量(m3/a)；Cs為水環(huán)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(shù)，總氮的滯留系數(shù)取0.299，總磷的滯留系數(shù)取0.295[14]。

通過計算得到滄浪湖對總氮的水環(huán)境容量為3.7 t/a，總磷的水環(huán)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(huán)境容量，若不采取合理有效的治理措施，水質將持續(xù)惡化。因此構建完整的生物鏈，打造穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，恢復水體自凈能力，對改善水環(huán)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(shù)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(tài)修復技術

水體生態(tài)修復技術是在遵循自然規(guī)律的前提下，采取各種工程、生物和生態(tài)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(tài)水體構建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)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(jié)性榮枯引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至系統(tǒng)崩潰；③后期生態(tài)系統(tǒng)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(qū)構建完整生態(tài)系統(tǒng)。

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(tài)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(chuàng)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(xiàn)了水體富營養(yǎng)化物質的資源化[10]。本研究在生態(tài)系統(tǒng)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(jié)性枯榮

水生植物群落構建是水生態(tài)系統(tǒng)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(tài)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(jié)性枯榮易引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)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(yōu)美、生態(tài)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(qū)選擇耐污型水草(如狐尾藻和輪葉黑藻)，在主湖區(qū)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(fā)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(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定

靜態(tài)水體生態(tài)系統(tǒng)初步形成后，需經歷一段時間與環(huán)境相互作用才能最終趨于穩(wěn)定，構建初期比較脆弱，必須通過后期的維護管理以及生態(tài)系統(tǒng)調整促進水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。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(shù)量，嚴格控制雜食性魚類、草食性魚類等的數(shù)量[11]。本研究主要投放黑魚，同時投放螺類及蝦類發(fā)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(xiàn)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(tài)系統(tǒng)的生物種群的結構和維護。針對這一現(xiàn)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(qū)，進而維護湖區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 其他輔助技術和方法

水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外界環(huán)境影響，故除了構建穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，通過在進出口設計生態(tài)過濾壩，控制進水量，對上游來水進行初步過濾，同時為湖區(qū)配套應急處理設備，確保水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)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(jù)水生態(tài)系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)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(tài)過濾壩，將過水斷面高度控制在7 cm及以內。生態(tài)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(qū)，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(tài)過濾壩剖面

5.2 超負荷污染應急處理設備

由于水生態(tài)系統(tǒng)因季節(jié)更替，冬季時凈化效果相對較弱，且水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外界環(huán)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(qū)配置超負荷污染應急處理設備，水質惡化超過生態(tài)系統(tǒng)承載能力時，可快速恢復湖體水質，確保水生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)水體循環(huán)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(yǎng)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(fā)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(qū)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(huán)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(huán)境容量，水質持續(xù)惡化。

(2)提出了靜態(tài)水體生態(tài)系統(tǒng)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(jié)性榮枯引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰、后期生態(tài)系統(tǒng)的修復調整等。本研究在生態(tài)系統(tǒng)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(yōu)美、生態(tài)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(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

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