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水环境综合治理方案设计探究

2019/06/23 阅读:

[摘要]孔雀湖水环境综合治理采用构建“草型清水生态系统”方案,其核心在于通过人工干预措施,在湖泊底部构建沉水植物群落,同时按照生态系统控制需要投加鱼类、底栖动物和微生物,形成以沉水植物为主导的水生态系统。水生态系统利用水生动植物净化体系,建立健康完整的湖泊水生态系统,可以提高水体自净能力,以保证整体景观的长效稳定。

[关键词]水环境;草型清水生态系统;生态修复技术;孔雀湖

1工程概况

孔雀湖位于广西南宁市青秀区,毗邻南宁青秀山风景区,位于邕江左岸。孔雀湖由7个湖组成,位于最低处为1号湖,面积最大,随地势上升,依次分布其他6个湖,湖的面积依次减小,湖与湖之间用0.5~1.0m砌石景观坝分隔。水体总面积4.5万m2,蓄水量7.4万m3,平均水深0.8~2.0m。孔雀湖不定期从1号湖抽水至顶端7号湖,利用地势落差进行水系内部循环,需要时,开启内循环,形成跌水,满足景观需要。

2现状水环境调查与分析

孔雀湖水体主要功能为景观用水,湖内饲养有锦鲤、罗非鱼等鱼类,湖周饲养有天鹅、孔雀等景观鸟类。现状水体的主要污染感官情况为悬浮物太多,水体浊度较大,透明度低,呈绿黄色。根据水体监测数据表明,孔雀湖水质为Ⅳ类~Ⅴ类,各湖水体营养状态较高,在中营养~中-富营养之间。主要超标因子为:总氮、总磷、高锰酸盐指数。7个景观湖藻密度均超过1000万cells/L,达到藻类水华污染标准,优势藻类为鱼腥藻。主要由于孔雀湖水体封闭,水量小、水深较浅、水体流动性差,湖水的自净能力有限;湖底铺设了防渗毯,阻隔了湖水与周围环境的物质交换,使得湖水、底泥与周围土壤、基岩的交换作用丧失,周围环境对湖水、底泥的净化作用随之丧失;湖内及湖周饲养着大量的鱼类、鸟类,投放的养鱼饲料的残余以及鱼与景观鸟类的部分排泄物等富集在湖内,导致湖内水体逐步富营养化,在夏季气温高、光照强的条件下,藻类(以蓝绿藻为主,甲藻,褐藻等为次)爆发式繁殖,导致湖内水华的产生,水体呈现蓝绿色、褐色,影响湖的景观功能。

3水环境治理目标

根据孔雀湖现状情况,并结合其他国内水环境治理的思路及理念,计划通过人工干预措施,使孔雀湖水体由以藻类为主、浊水形态的藻型生态系统向以水生植物为主、清水形态的草型生态系统转变。具体建设预期目标如下:(1)水体感官指标。水体清澈透亮、无异味;水体透明度≥1.5m或清澈见底;无蓝绿藻暴发、水体黑臭现象。(2)水体生态景观效果。构建稳定的草型清水水生态系统,沉水植物覆盖率≥80%;水生植物保持四季常绿,显著提升水体景观与水体灵动性;水生态系统结构完整、功能完善、具有自净作用,且具备一定抗污染能力。(3)水质效果。改善孔雀湖水质,水体主要富营养化水质指标(高锰酸钾指数、溶解氧、氨氮、总磷、总氮)达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类标准。

4工程设计

4.1设计思路

采用生态修复技术,净化水质,美化水景,构建完整的水下生态系统,使治理后的湖内水生态系统及水生态食物链得到完善,湖中水体实现生态多样性,水生植物保持四季常绿,水体常年清澈,并在治理设计、建设及运营维护过程中统筹考虑水体修复与孔雀湖景观相结合、管理实际与生态修复相结合,兼顾孔雀湖的活动情况等因素,尽量减少项目施工对孔雀湖周边的影响,使孔雀湖修复后水体景观尽可能达到人与自然和谐相处,以实现长效治理,水体质量长期稳定的目的。

4.2水环境治理方案选择

曝气、引水换水、絮凝沉淀等物理化学的方法在景观水体治理中多作为辅助手段或应急措施使用,无法对水体起到长期有效的治理效果。目前常见的原位生态治理技术主要分为两大类,即单纯的微生物治理技术和草型清水生态系统构建技术。

4.2.1单纯的微生物治理方案目前市场上各种微生物产品种类繁多,也确实能起到效果。作为景观水体,不同于养殖水体,水质治理的目标是清澈、美观。微生物在水体中的生存繁衍同样需要营养物质,当水体营养物质浓度降低,水质达到治理目标时,人工投放的微生物群落会锐减甚至消失。再次有内外污染源的累积导致浮游藻类大量繁殖时,需再次投放微生物。也就是说,微生物治理技术很难达到持久有效的治理目标。

4.2.2草型清水生态系统构建方案草型清水生态系统的思路是效法自然中的水生态系统,构建由水生植物-水生动物-微生物-浮游生物组成的稳定生态链,使得湖泊水质能够长效保持且能够抵御一定的外界污染负荷。由此发展而来的基于浅水湖泊稳态转换理论的草型清水生态系统构建技术,即构建沉水植物-底栖动物-鱼类-微生物群落,形成生产者-消费者-分解者组成的稳定生态链。草型清水生态系统构建其核心在于通过人工干预措施,在湖泊底部构建沉水植物群落,同时按照生态系统控制需要投加鱼类、底栖动物和微生物,形成以沉水植物为主导的水生态系统。系统构建完成后,具有足够生物量的沉水植物群落与藻类竞争夺取水中的COD、N、P营养物质进行繁殖和生长,同时沉水植物释放化感物质抑制藻类的繁殖。螺、蚌等底栖动物群落以湖泊底部的有机碎屑和腐殖质为食,不同食性的鱼类作为消费者维持生态系统各种群之间的平衡,附着在沉水植物和底部土壤的各类微生物作为分解者利用自身的代谢作用实现营养盐和腐殖质的转化降解。基于系统内各级参与者的生命特征,形成完整的沉水植物—底栖动物—鱼类—微生物食物网链,通过物质和能量在食物链中的流动过程,最终达到水质净化与稳态转换的目的,实现草型清水态湖泊的构建。草型清水生态系统食物网链与水质净化原理见图1。沉水植物在生长过程中可以吸收湖泊水体的营养物质,将营养盐转化为生物量,而且植物叶片可以吸附悬浮物,提高水体透明度;景观上,沉水植物在水底形成水下草原,透过清澈的水体,可形成“水下草成原,岸上树成荫”的美景。沿岸挺水植物群落的构建可对岸带污染物的排入起到一定的过渡、缓冲和拦截作用,同时形成有层次的景观。经综合考虑,孔雀湖水环境治理采用草型清水生态系统构建方案。

4.3水环境治理方案设计

孔雀湖草型清水生态系统构建共包括6个分项工程,分别是基底改良工程、沉水植物群落构建工程、鱼类群落构建工程、底栖动物群落构建工程、沿湖生态缓冲带完善工程和系统优化调整工程。(1)基底改良工程包括排湖中原有水、清理湖中现有杂鱼、清除湖底表面杂草、铺塘泥或冲洗表层石头泥皮、基底界面消毒、对土底质微量元素调整、注入水等内容,为后期草型清水生态系统提供基础保障。(2)沉水植物群落构建工程是根据工程区域实际情况及水体总量、湖面范围等,选择合适的沉水植物进行种植。沉水植物品种多样,根据其对水深的适应能力可选择深水型沉水植物或浅水型沉水植物。孔雀湖水深大部分在2m以内,为保证系统构建后的稳定性和水体景观效果,在沉水植物选择上以浅水型沉水植物为主,即矮型苦草和亚洲苦草,种植密度按100株/m2。沉水植物在湖泊中分布较广、生物量较大,可成为湖泊生态系统的主要初级生产者,也是使湖泊从浮游植物为优势的浊水态转换为以大型植物为优势的清水态的关键。(3)鱼类群落构建工程是根据工程特点及生物总量等因素,选择不同鱼类进行搭配应用。鱼类群落构建配置如下:滤食性鱼类选用鲢鱼,投放密度1尾/100m2,鲢鱼终生以浮游生物为食;肉食性鱼类选用鳜鱼和黑鱼,用于控制野杂鱼和其他鱼类,投放密度1尾/400m2,实施过程中发现湖水中存在较多的野杂鱼,可增加肉食性鱼类,等湖中水的野杂鱼慢慢减少了再除去一些肉食性鱼类,动态调节;腐食性鱼类选用鲴鱼,投放密度1尾/150m2,以水底腐屑、底泥为食,喜食藻类,能净化水体,改善水质。(4)底栖动物群落构建工程在水生态系统物质循环与流动中具有特殊的地位和作用。田螺、河蚌等底栖动物对水体起着过滤器和沉淀器的作用,可以捕食底质中大量的有机质及腐败的水生植物残体等,大幅度降低底质中有机质含量及营养物质的释放。同时,大型螺类等释放的某些物质又是水体中天然的絮凝剂,可以降低水中的悬浮物颗粒并吸附氮磷营养盐。根据工程特点,底栖动物群落构建配置如下:腹足类采用梨形环棱螺,投放密度5g/m2;瓣鳃类采用褶纹冠蚌和无齿蚌,投放密度10g/m2;同时配制少量河虾,投放密度3g/m2,在景观水体中放养一定数量的河虾以摄食有机碎屑,起到净化水质的作用。(5)沿湖生态缓冲带完善工程主要针对沿岸挺水植物配置较缺乏的区域,合理配置水生植物,以提升沿湖生态缓冲带的生态功能和景观效果。湖岸生态缓冲带是人工湖水生态环境向陆生生态系统过渡的关键部分,也是人工湖小型生态系统中生态梯度的重要组成环节,生态缓冲带为两栖动物提供良好的生境,对沿岸雨水径流带入的污染负荷起到一定的净化和阻隔作用。(6)系统优化调整工程主要是通过对高等水生植物群落、鱼类群落、底栖生物群落优化调控,使草型清水生态系统结构合理、健康,充分发挥作用,稳定、长效运行,使孔雀湖水体清澈、水质良好,满足较高的景观需求。生态工程优化调整工作是生态系统后续稳定、长效运行的重要基础。(7)基底改良工程、沉水植物群落构建工程、鱼类群落构建工程、底栖动物群落构建工程实施后,孔雀湖水生态系统构建初步完成,其中沉水植物群落作为初级生产者,为水生态系统构建的核心部分。后期维护管理阶段通过对系统的监测和观察,实施优化调整工程,确保水生态系统逐渐向稳定自然的状态转换,最终形成稳定的孔雀湖水生态系统,长效达到水体清澈、景观良好、物种群落多样稳定的状态。孔雀湖草型清水生态系统见图2。

5工程治理效果

工程实施后,经过合理的维护管理,对水生态系统进行优化调整,使之逐渐向稳定自然的水生态系统演替,可使孔雀湖长期保持水清景美治理目标。根据项目实施完后半年的效果,现状水体清澈透亮、无异味,水体透明度≥1.5m或清澈见底;沉水植物覆盖率大概为60%~80%,显著提升水体景观与水体灵动性;水生态系统开始具备一定自净作用和一定抗污染能力;水质达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类标准。

6结语

根据本工程实施后的效果,草型清水生态系统的构建能够大大改善水体水环境质量,使水体生态系统得到修复,促进湖区生态系统良性健康发展,提高生物多样性,使水体具有一定的自净能力。本工程的实施,为推动环境教育、新方法和新技术研究开发与技术成果展示,提供了良好的工程示范效果生态教育科普基地,将为提高民众环境意识和科技成果的推广应用起到了积极的促进作用,也为同类水环境治理工程提供经验,可供类似工程借鉴。

参考文献

[1]广西水利电力勘测设计研究院.广西左江治旱驮英水库及灌区工程初步设计报告[R].南宁:广西水利电力勘测设计研究院,2016.

[2]刘从玉,刘平平,刘正文,等.沉水植物在生态修复和水质改善中的作用[J].安徽农业科学,2008,36(7):2908-2910.

[3]刘正文.湖泊生态系统恢复与水质改善[J].中国水利,2006(17):30-33.

作者:刘时明 单位:广西水利电力勘测设计研究院

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