入湖口濕地在高原湖泊水環(huán)境治理中的應(yīng)用研究

梁永哲 單承康 劉永濤 王 猛

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

云貴湖區(qū)主要問題是湖泊流域連通性差，換水周期長，生態(tài)脆弱，易發(fā)生水體富營養(yǎng)化，遭受破壞后恢復(fù)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(jù)《云南省地表水水環(huán)境功能區(qū)劃》，全湖屬景觀用水、一般魚類保護(hù)及農(nóng)業(yè)用水，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。隨著湖泊流域范圍內(nèi)集鎮(zhèn)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人口聚集、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平提高，但環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施相對(duì)滯后，流域內(nèi)大量生活污水、農(nóng)業(yè)廢水溢流直接排入入湖河道及湖泊，致使湖泊現(xiàn)狀水質(zhì)多為Ⅳ類或Ⅴ類。考慮到湖泊水質(zhì)對(duì)下游南盤江的影響，以及國家、云南省對(duì)水體治理的高度重視，實(shí)施的水環(huán)境綜合治理十分必要且迫切。

根據(jù)不同類型的濕地植物恢復(fù)所需立地條件、滿足濕地水質(zhì)自然凈化對(duì)底質(zhì)、水力負(fù)荷、污染負(fù)荷、水力停留時(shí)間和湖濱景觀美學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)和原則，結(jié)合國內(nèi)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究成果，對(duì)入湖口生態(tài)濕地進(jìn)行總體研究，目的是使?jié)竦刈罱K實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)景觀營造的總體目標(biāo)。

1 濕地工藝研究

1.1 進(jìn)水水量與進(jìn)水水質(zhì)

通過考慮濕地的入流量、直接降雨量、蒸發(fā)蒸騰損失水量、滲漏損失水量，對(duì)河口濕地進(jìn)行水量平衡計(jì)算。依據(jù)水量論證，采用上游水庫平均流量的10%作為設(shè)計(jì)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(fā)滲透。濕地區(qū)域直接降雨量、蒸發(fā)蒸騰損失水量、滲漏損失水量，工程區(qū)域年損失水量僅占濕地入流量的2.47%，不會(huì)對(duì)濕地水量處理規(guī)模造成明顯的不利影響。由于入湖口河道流量季節(jié)性較強(qiáng)，在入湖口建一座泵站應(yīng)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(shí)攜帶進(jìn)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(duì)湖泊的水體進(jìn)行循環(huán)凈化處理，提高湖泊的水動(dòng)力及水質(zhì)，此外，可以兼顧灌溉使用。

流域內(nèi)的點(diǎn)源污染有所控制，但非點(diǎn)源污染問題卻十分突出。暴雨產(chǎn)生的徑流對(duì)地表有強(qiáng)烈的沖刷作用，加之農(nóng)藥化肥的使用量和土地耕作強(qiáng)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(qū)遷移。研究結(jié)果表明，暴雨徑流已成為湖泊水體富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)物質(zhì)來源［2］。另據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，入湖河道沿岸的部分農(nóng)村生活污染未經(jīng)處理排入河道，進(jìn)而流入湖泊。該工程的主要處理對(duì)象是以初期雨水為主的地表徑流及農(nóng)業(yè)面源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和水質(zhì)檢測(cè)及考慮遠(yuǎn)期沿河村莊開展兩污治理，進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)如表1、表2所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

表2 出水水質(zhì)

1.2 防滲與防洪

為防止污染擴(kuò)散，保障濕地的運(yùn)行水位，濕地建設(shè)根據(jù)需要采取一定的防滲措施。人工濕地在底部和側(cè)面進(jìn)行防滲處理，防滲層的滲透系數(shù)不大于10-8m/s，對(duì)于滲透系數(shù)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(jìn)行防滲處理。當(dāng)防滲要求較低，且條件許可時(shí)，選用天然黏土或改良土夯實(shí)；當(dāng)防滲要求較高時(shí)（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(tài)優(yōu)先的原則，整體工藝流程均采用綠色生態(tài)化處理設(shè)施，為與周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)行充分的物質(zhì)及能量交換，措施采取原土夯實(shí)+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(jìn)水方式，保留原主河道并進(jìn)行疏浚形成行洪通道，濕地布置于行洪通道兩側(cè)，主河道河水對(duì)濕地影響較小。洪水較大時(shí)，洪水主要通過行洪河道下泄進(jìn)入湖區(qū)，同時(shí)通過管道閥門開閉調(diào)節(jié)進(jìn)水水量，減少外圍洪水對(duì)濕地的影響。濕地在不影響湖區(qū)蓄水庫容的前提下，充分考慮現(xiàn)狀地形、保證濕地內(nèi)部土方平衡后濕地圍堤堤頂，保證湖泊洪水位對(duì)濕地?zé)o影響。

1.3 濕地系統(tǒng)構(gòu)建

1.3.1 總體工藝。根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)及現(xiàn)狀場(chǎng)地條件，采用復(fù)合型人工濕地，具體工藝流程如下：河道來水→前置沉淀生態(tài)塘→表流濕地→水生植物氧化塘→湖體。

前置沉淀生態(tài)塘起沉淀、水解、配水三個(gè)作用，入湖河道水體通過自流進(jìn)入前置沉淀生態(tài)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(xiàn)的厭氧狀態(tài)，可通過水解酸化作用將COD 轉(zhuǎn)化成BOD，增加水體可生化性，同時(shí)可以將少量的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮。為方便后期清淤，該功能區(qū)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(dá)到強(qiáng)化的目的。表流濕地分為一級(jí)表流濕地、二級(jí)表流濕地、三級(jí)表流濕地串聯(lián)處理床體單元，表流濕地中主要利用水生植物和好養(yǎng)微生物共同作用凈化污水，通過過濾、吸附、降解的協(xié)同作用凈化水質(zhì)，主要去除氨氮、總氮、總磷等。水生植物塘位于凈化濕地區(qū)末端，根據(jù)水質(zhì)凈化和濕地生態(tài)恢復(fù)需求，結(jié)合現(xiàn)有地形高程，綜合考慮鳥類、魚類棲息需求的情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地勢(shì)條件并對(duì)現(xiàn)有地形進(jìn)行一定的改造設(shè)置沉水植物區(qū)、浮葉植物區(qū)及荷塘區(qū)濕地區(qū)域，對(duì)表流濕地出水進(jìn)一步進(jìn)行深度處理，在動(dòng)植物、微生物共同作用下去除氨氮、總磷、有機(jī)物、抑制藻類等［4］，為水質(zhì)達(dá)標(biāo)提供保障。

工程豎向布置充分考慮項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀地形，基于工程區(qū)東高西低的整體格局進(jìn)行布置，有效減少土方工程。項(xiàng)目采用自流進(jìn)水、自流出水的方式。跌水壩前進(jìn)水經(jīng)管道通入前置沉淀生態(tài)塘，其中生態(tài)塘水深2.5～3.0 m，好氧塘水深1.0～2.0 m；后經(jīng)配水渠配水進(jìn)入表流配水支渠，通過濕地內(nèi)部配水系統(tǒng)進(jìn)入三級(jí)表流濕地，表流濕地水頭損失0.6 m；水生植物塘根據(jù)需要，水深為0.4～2.5 m 不等。前置沉淀生態(tài)塘、表流濕地、水生植物塘及湖區(qū)三級(jí)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(jí)，在提高親水性的同時(shí)起到曝氣增氧作用。

1.3.2 前置沉淀生態(tài)塘。前置沉淀生態(tài)塘由生態(tài)塘和好氧塘組成，生態(tài)塘約占水面面積的30%，好氧塘約占70%。生態(tài)塘作為水質(zhì)凈化工程單元，主要起到懸浮物沉淀、水解酸化、補(bǔ)充碳源等功能。塘底設(shè)置人工水草，附著水解酸化相關(guān)功能菌；設(shè)置生態(tài)鳥島，通過物種間共生關(guān)系和空間生態(tài)位、營養(yǎng)生態(tài)位建立高效的人工生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染物進(jìn)行削減；生態(tài)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(fù)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(shí)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(shè)置2 套微泡式太陽能曝氣機(jī)，采用底部曝氣方式增氧。好氧塘出水口各設(shè)置一道滲濾堰（塊石結(jié)構(gòu)），防止懸浮物及植物殘肢進(jìn)入表流濕地。

1.3.3 表流濕地。表流濕地為濕地水質(zhì)深度凈化區(qū)。濕地表層水面及水生植物根部為好氧區(qū)，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(jī)物。表流濕地主體結(jié)構(gòu)以近自然結(jié)構(gòu)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(hù)坡。

1.3.4 水生植物塘。水生植物塘位于凈化濕地區(qū)末端，根據(jù)水質(zhì)凈化和濕地生態(tài)恢復(fù)需求，結(jié)合現(xiàn)有地形高程，綜合考慮鳥類、魚類棲息需求的情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地勢(shì)條件并對(duì)現(xiàn)有地形進(jìn)行一定的改造，設(shè)置沉水植物區(qū)、浮葉植物區(qū)及荷塘濕地區(qū)域，對(duì)表流濕地出水進(jìn)一步進(jìn)行深度處理，為水質(zhì)達(dá)標(biāo)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(shù)量和在塘中增殖放流魚類、貝類等水生態(tài)強(qiáng)化措施，構(gòu)建一個(gè)種類多樣、食物鏈復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括菌類、藻類、水生植物、浮游動(dòng)物、魚、水禽等多種生物，組成了多條食物鏈共存的生態(tài)系統(tǒng)，在強(qiáng)化水質(zhì)處理效果的同時(shí)，可使塘內(nèi)新增污泥量得到部分平衡，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)承受沖積負(fù)荷的能力。

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

2 生物多樣性保護(hù)

2.1 魚類保護(hù)

在濕地內(nèi)構(gòu)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(shí)為自然濕地引鳥區(qū)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(huì)沉積在魚巢內(nèi)，沉積物能夠給水生植物提供營養(yǎng)來源，形成植物、魚和各種水生生物共存的空間。洪水季節(jié)，有效地抵御外界流速的變化對(duì)魚類等水生生物造成的危害，提供安全的避難場(chǎng)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(jù)對(duì)沉水植物區(qū)內(nèi)生態(tài)島的標(biāo)高設(shè)計(jì)，通過地形設(shè)計(jì)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(duì)水體具有過濾、吸附、沉淀、凈化及蓄積功能的小型生態(tài)系統(tǒng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)中，植物配置恢復(fù)完成后，投放適量魚苗作為健康水生態(tài)系統(tǒng)的啟動(dòng)因子。根據(jù)能量塔原理和食物鏈?zhǔn)澄锞W(wǎng)的物質(zhì)流動(dòng)原理，進(jìn)一步在區(qū)內(nèi)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(dòng)物。通過在水體中配置不同魚類、底棲動(dòng)物等，逐步修復(fù)水生態(tài)環(huán)境，激活水生生物食物網(wǎng)（鏈），促進(jìn)湖泊區(qū)域其他魚類繁殖。結(jié)合食物鏈結(jié)構(gòu)調(diào)整，將水體中營養(yǎng)物質(zhì)移除，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化效果。

2.2 鳥類棲息地設(shè)計(jì)

通過構(gòu)建不同形態(tài)的水系來豐富濕地生境，結(jié)合不同區(qū)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(jié)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(tài)島生境恢復(fù)在濕地設(shè)計(jì)中規(guī)劃多個(gè)大小不一供鳥類棲息的生態(tài)安全島，主要建設(shè)于沉水植物區(qū)內(nèi)，島鏈設(shè)計(jì)標(biāo)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?shù)戎参铮瑸辁橆惣胞X類提供營巢場(chǎng)所。

生態(tài)島周邊為淺水區(qū)，通過種植挺水植物、沉水植物群落營造淺水覓食區(qū)，同時(shí)在水上設(shè)置一定數(shù)量的木樁，以供水鳥短暫停息。

2.3 植物種植

根據(jù)高原湖泊湖濱濕地歷史上植物種子庫分布特點(diǎn)，結(jié)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(jù)，應(yīng)盡可能選用當(dāng)?shù)氐谋就林参镂锓N，可更好地適宜于立地環(huán)境，而且避免生物入侵的生態(tài)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(jié)配置上要考慮水生植物多物種、多季相的景觀生態(tài)環(huán)境。植物群落配置是通過人為設(shè)計(jì)，重建和恢復(fù)水生植物群落，根據(jù)環(huán)境條件和群落特性按一定的比例在空間分布、時(shí)間分布方面進(jìn)行安排，高效運(yùn)行，達(dá)到恢復(fù)目標(biāo)，即凈化水質(zhì)，形成穩(wěn)定可持續(xù)利用的生態(tài)系統(tǒng)?？紤]植物冬季水質(zhì)凈化問題。低溫條件下人工濕地應(yīng)選擇耐寒、生長周期相對(duì)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(huán)境中，水蔥脫氮除磷能力較強(qiáng)，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(xiāng)土植物，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和景觀的地域性特征，避免外來物種的入侵導(dǎo)致本地植物喪失在生態(tài)系統(tǒng)中的主導(dǎo)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(fù)不同階段，其植物的數(shù)量和種類都會(huì)產(chǎn)生較大變化，在后期還需進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)和控制，不斷調(diào)整植物群落的物種和組成。

3 結(jié)論

①根據(jù)生態(tài)濕地各項(xiàng)措施工程量，并結(jié)合以往工程監(jiān)測(cè)所得不同類型措施的凈化能力，計(jì)算得出入湖口濕地對(duì)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(tài)濕地工程構(gòu)建完成后，水生態(tài)系統(tǒng)自凈能力隨著水生生物群落的穩(wěn)定與發(fā)展逐步提升并達(dá)到上述凈化潛力。

②通過在入湖口合理布設(shè)復(fù)合型濕地，對(duì)鳥類和魚類進(jìn)行保護(hù)，植物恢復(fù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化、生物多樣性保護(hù)和生態(tài)景觀營造三大功能。

③本次入湖口濕地在高原湖泊水環(huán)境治理中的應(yīng)用研究，可為其他類似湖泊的生態(tài)治理提供有價(jià)值的參考。