戴雅奇

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

在數(shù)十年經(jīng)濟(jì)高速騰飛的同時(shí)，大量工農(nóng)業(yè)污染源的排放不可避免地造成我國(guó)臨岸海域、江河、湖泊和水庫(kù)等不同程度的污染[1- 3]。水污染加劇了水資源短缺，直接威脅著飲用水的安全和人民的健康，影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物安全，水污染已成為我國(guó)的重大災(zāi)害之一，因此水污染防治、污染水體修復(fù)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵保障[4- 5]。沿海內(nèi)湖微污染水體屬于典型的感潮水體，受到海洋和陸源的交叉影響，水質(zhì)變幅劇烈、鹽度變化大、水位波動(dòng)大，具有水質(zhì)難調(diào)控、生態(tài)難恢復(fù)的2大難點(diǎn)，我國(guó)目前對(duì)感潮微污染水體的生態(tài)凈化和景觀提升的研究與實(shí)踐還很匱乏。

三亞白鷺湖和山水國(guó)際湖是典型的沿海內(nèi)湖微污染水體，根據(jù)現(xiàn)狀問(wèn)題和治理目標(biāo)，在潮汐污染分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程措施削減外源污染，提升白鷺湖及山水國(guó)際的生態(tài)自?xún)裟芰Γ瑵M(mǎn)足清水景觀需求和生物棲息需求。本文主要對(duì)該項(xiàng)目的污染源分析、生態(tài)凈化設(shè)計(jì)、可達(dá)性與穩(wěn)定性分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹，旨在為同類(lèi)沿海城市感潮水體水質(zhì)提升和生態(tài)景觀提升工程的推廣應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目背景

1.1 湖泊概況

白鷺湖位于三亞市吉陽(yáng)區(qū)鳳凰路西側(cè)的白鷺公園內(nèi)，毗鄰三亞?wèn)|河。湖面面積約90000m2，水深0.4～1m，在主湖區(qū)西南側(cè)設(shè)有溢流堰，三亞?wèn)|河的感潮來(lái)水可通過(guò)該溢流堰進(jìn)出白鷺湖。山水國(guó)際湖位于三亞市吉陽(yáng)區(qū)鳳凰路東側(cè)的山水國(guó)際小區(qū)內(nèi)，湖面面積約8.9萬(wàn)m2，水深約3m。在湖區(qū)西南側(cè)設(shè)有溢流堰，與白鷺湖聯(lián)通。

1.2 水質(zhì)和水生態(tài)現(xiàn)狀分析

2016—2017年對(duì)白鷺湖和山水國(guó)際湖的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，其中，在白鷺湖布設(shè)12#—21#共10個(gè)監(jiān)測(cè)站位，山水國(guó)際主要為2#、5#、10#、11#四個(gè)監(jiān)測(cè)站位，三亞?wèn)|河監(jiān)測(cè)站位為22#。

根據(jù)2016—2017年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)平均數(shù)據(jù)分析，三亞?wèn)|河、白鷺湖和山水國(guó)際湖均為海水劣四類(lèi)，其中三亞?wèn)|河水質(zhì)最差，其次為白鷺湖，山水國(guó)際湖水質(zhì)相對(duì)較好，項(xiàng)目區(qū)域主要超標(biāo)因子為化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽和無(wú)機(jī)氮，具體水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)數(shù)據(jù)平均值 單位：mg/L

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，白鷺湖的主要超標(biāo)因子為COD、DIN和DIP，山水國(guó)際的主要超標(biāo)因子為COD和DIP。由于三亞?wèn)|河水質(zhì)較差，水中的DIN和DIP含量較高，遠(yuǎn)差于海水四類(lèi)，白鷺湖污染物中的DIN和DIP主要來(lái)源于三亞?wèn)|河與白鷺湖之間的潮汐交換，三亞?wèn)|河輸入白鷺湖的DIN占湖體總污染量的96.23%，DIP占湖體總污染量的98.12%。在漲潮期間三亞?wèn)|河河水大量進(jìn)入白鷺湖，導(dǎo)致白鷺湖水質(zhì)下降，同時(shí)白鷺湖通過(guò)水體交換又將氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽遷移至山水國(guó)際湖。

2 修復(fù)目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路

2.1 水質(zhì)控制目標(biāo)

根據(jù)三亞市白鷺湖、山水國(guó)際湖水體發(fā)展定位及相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，白鷺湖水體主要水質(zhì)指標(biāo)(高錳酸鹽指數(shù)(CODGr)、無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、石油含量、pH值、溶解氧(DO))達(dá)到GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。山水國(guó)際湖水體主要指標(biāo)(高錳酸鹽指數(shù)(CODGr)、無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、石油含量、pH值、溶解氧(DO))達(dá)到GB 3097—1997四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 生態(tài)景觀控制目標(biāo)

本項(xiàng)目修復(fù)白鷺湖和山水國(guó)際湖的水生態(tài)系統(tǒng)，滿(mǎn)足水生態(tài)基本功能，提升生境多樣性，提高水體自?xún)裟芰Γ慌c此同時(shí)保持原有的紅樹(shù)林群落格局，保持和優(yōu)化白鷺棲息生境；此外由于白鷺湖是三亞市區(qū)的重要城市景觀，本次生態(tài)修復(fù)工程所引入的設(shè)備及構(gòu)筑物要求對(duì)原本的生態(tài)景觀無(wú)明顯影響。

2.3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)現(xiàn)狀分析結(jié)果和所設(shè)定的修復(fù)目標(biāo)，本項(xiàng)目擬結(jié)合工程措施削減外源污染，提升白鷺湖及山水國(guó)際的生態(tài)自?xún)裟芰?，滿(mǎn)足清水景觀需求和生物棲息需求。在控制污染源輸入的基礎(chǔ)上，設(shè)調(diào)控閘阻隔三亞?wèn)|河外源污染輸入，同時(shí)以原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)為核心，結(jié)合水動(dòng)力調(diào)控和強(qiáng)化凈化措施，并適當(dāng)導(dǎo)入生境構(gòu)建與食物鏈調(diào)控技術(shù)，同步改善白鷺湖和山水國(guó)際水域水質(zhì)，提高水體感官效果，為生物營(yíng)造棲息生境，構(gòu)建形成水質(zhì)清潔、植被豐富、生物多樣性高的健康生態(tài)系統(tǒng)，探索沿海城市內(nèi)湖微污染水體的復(fù)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)，為類(lèi)似工程提供參考。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 功能分區(qū)

將白鷺湖和山水國(guó)際湖分別劃分形成生態(tài)凈化區(qū)和生態(tài)景觀區(qū)。其中生態(tài)凈化區(qū)主要是對(duì)循環(huán)來(lái)水和面源污染進(jìn)行強(qiáng)化處理，生態(tài)景觀區(qū)主要功能為穩(wěn)定水質(zhì)、改善生境、提升生態(tài)景觀，如圖1所示。

圖1 功能分區(qū)圖

白鷺湖的生態(tài)凈化區(qū)面積27059m2，平均水深0.6～0.8m，主要目標(biāo)是去除水體中的DIN和DIP。為去除水中的DIN，需要?jiǎng)?chuàng)造適合硝化和反硝化作用發(fā)生的條件[6- 8]。本項(xiàng)目主要在前端設(shè)置微曝氣系統(tǒng)提升溶解氧，結(jié)合生物填料促進(jìn)硝化反應(yīng)發(fā)生；在生態(tài)凈化區(qū)的中后段設(shè)置復(fù)合功能浮島，結(jié)合補(bǔ)碳型生物填料、混合造流裝置，促使水體垂直混合，利用底泥-水界面和植物根系微生物反硝化作用去除硝態(tài)氮。去除水中的DIP，主要通過(guò)生物除磷和植物吸收的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]，在凈化區(qū)內(nèi)需要調(diào)節(jié)溶解氧、增加有凈化作用的濕生植物量、設(shè)置有吸附和截留作用的填料等技術(shù)措施來(lái)滿(mǎn)足DIP的去除條件，因此分區(qū)采用曝氣系統(tǒng)、復(fù)合功能浮島、生物填料等設(shè)備與材料，提高DIP的去除效率。

白鷺湖的生態(tài)景觀區(qū)水域面積為61262m2，平均水深0.7～1m，湖區(qū)茂密的紅樹(shù)林作為白鷺的棲息地，是白鷺公園的主要觀鳥(niǎo)區(qū)，同時(shí)該區(qū)域水體相對(duì)靜止，容易出現(xiàn)死水區(qū)，容易發(fā)生藻類(lèi)過(guò)量增殖等現(xiàn)象，影響水體感官效果。該區(qū)域主要設(shè)置一體化凈化設(shè)施、混合造流系統(tǒng)、漂浮濕地、微生物發(fā)生器、生物填料等設(shè)施穩(wěn)定水質(zhì)；通過(guò)水力混合措施消除死水區(qū)、食物鏈調(diào)控、應(yīng)急預(yù)防等措施來(lái)控制藻類(lèi)增殖；同時(shí)通過(guò)局部地形改造優(yōu)化濱岸濕地結(jié)構(gòu)，并營(yíng)造多樣化微地形，進(jìn)而優(yōu)化白鷺取食與棲息生境。

山水國(guó)際湖水面面積68250m2，平均水深3m，該區(qū)域主要承接來(lái)自北側(cè)和東側(cè)的地表徑流污染，需采用生物+生態(tài)的凈化措施削減污染負(fù)荷。北側(cè)的地表徑流通過(guò)雨水管道進(jìn)入湖體，為了避免污染物擴(kuò)散，因此在北側(cè)構(gòu)建隔離凈化區(qū)，在凈化區(qū)內(nèi)設(shè)置曝氣、生物填料、微生物發(fā)生器等綜合措施，針對(duì)COD和DIN進(jìn)行強(qiáng)化凈化處理[10]。東側(cè)地表徑流通過(guò)支流匯入湖區(qū)，因此對(duì)支流進(jìn)行濕地改造，提高凈化能力，此外在入湖口的區(qū)域設(shè)施漂浮濕地和生物填料，強(qiáng)化吸附和吸收的凈化效果。另外在北區(qū)部分種植耐鹽沉水植物，構(gòu)建植物群落，提高水體的自?xún)裟芰Α?/p>

山水國(guó)際湖水域面積20000m2，平均水深3.3m。該區(qū)域?yàn)樯剿畤?guó)際住宅區(qū)的主要觀景區(qū)，區(qū)域內(nèi)有觀景平臺(tái)。該區(qū)域主要的功能以景觀為主，主要采用原位生態(tài)強(qiáng)化措施，構(gòu)建微生物強(qiáng)化凈化系統(tǒng)和沉水植物群落系統(tǒng)穩(wěn)定水質(zhì)，同時(shí)結(jié)合混合造流系統(tǒng)改善水動(dòng)力效果，破壞藻類(lèi)增殖的條件，達(dá)到優(yōu)化景觀的效果。

3.2 水利調(diào)控設(shè)計(jì)

(1)水文調(diào)控措施。改造白鷺湖南區(qū)水閘，調(diào)控水體水位，根據(jù)水位、水質(zhì)情況控制與臨春河間的引排水；設(shè)置調(diào)節(jié)壩，控制水位，高水位溢流，低水位打開(kāi)連通閥穩(wěn)定水位。通過(guò)水文調(diào)控措施來(lái)控制污染源輸入，減少臨春河污染物對(duì)白鷺湖和山水國(guó)際湖的影響。

(2)白鷺湖-山水國(guó)際系統(tǒng)水循環(huán)?？菟竟?jié)山水國(guó)際起到調(diào)蓄作用，白鷺湖水位下降后，利用水泵從山水國(guó)際引入補(bǔ)水，北引南出，形成大循環(huán)。

(3)白鷺湖內(nèi)循環(huán)。生態(tài)景觀區(qū)引水至北面的凈化區(qū)，水質(zhì)凈化達(dá)標(biāo)以后再進(jìn)入南側(cè)生態(tài)景觀區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)壩進(jìn)行節(jié)點(diǎn)控制，間隙性循環(huán)，同時(shí)可形成北側(cè)小型潮汐，有利于保護(hù)紅樹(shù)林等植物。

4 工程效果分析

4.1 可達(dá)性分析

根據(jù)相關(guān)研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)[11- 12]，工程完成后湖區(qū)的綜合去除能力大于營(yíng)養(yǎng)鹽輸入量，湖區(qū)水質(zhì)可期待滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。具體分區(qū)凈化效能見(jiàn)表2。

表2 工程實(shí)施后分區(qū)凈化效能 單位：g/(m2·d-1)

同時(shí)，結(jié)合本工程設(shè)計(jì)，基于MIKE模型軟件，構(gòu)建水質(zhì)模型。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析，在同時(shí)啟用6000m3/d的大循環(huán)和4000m3/d的小循環(huán)的工況下，可以有效形成了兩湖聯(lián)動(dòng)的逆時(shí)針?lè)较蛩w循環(huán)格局，這有利于最大化利用兩湖區(qū)的水體凈化能力。方案實(shí)施后兩湖區(qū)90%水域內(nèi)無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和CODMn凈化至三類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)長(zhǎng)分別為12、66.4、11.9d。

4.2 穩(wěn)定性分析

如圖2所示，構(gòu)建整體凈化系統(tǒng)以后，白鷺湖全年12個(gè)月均能完全去除COD的輸入量；滿(mǎn)足DIN和DIP的月平均輸入量，但是在月度污染輸入高峰值時(shí)未能完全去除。由于雨季汛期導(dǎo)致的干濕沉降和地表徑流的影響，DIN在4、7、9月的入湖量較高，DIP在4月和11月的入湖量較高，因此在4、7、9、10月白鷺湖面臨的氮磷去除壓力較大，需要額外增加強(qiáng)化凈化措施來(lái)保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。白鷺湖北區(qū)是強(qiáng)化凈化區(qū)，南區(qū)是生態(tài)景觀區(qū)，額外增加的設(shè)備和設(shè)施建議設(shè)置在北區(qū)，南區(qū)需要保證生態(tài)景觀的完整性，應(yīng)盡量減少設(shè)備的使用。

圖2 白鷺湖管控后DIN、DIP和CODMn輸入量及去除能力分析

如圖3所示，構(gòu)建整體凈化系統(tǒng)以后，山水國(guó)際湖能夠完全實(shí)現(xiàn)入湖DIP和COD的去除，能夠滿(mǎn)足DIN的平均去除量，但是在月度污染輸入高峰值時(shí)未能完全去除，存在峰值差額，尤其是在雨季汛期的6—10月，因此需要額外增加強(qiáng)化凈化措施來(lái)保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。與白鷺湖的分區(qū)布置相同，山水國(guó)際湖北區(qū)是強(qiáng)化凈化區(qū)，南區(qū)是生態(tài)景觀區(qū)，因此額外增加的設(shè)備和設(shè)施建議設(shè)置在北區(qū)，南區(qū)需要保證生態(tài)景觀的完整性，應(yīng)盡量減少設(shè)備的使用。

圖3 山水國(guó)際湖湖管控后DIN、DIP和CODMn輸入量及去除能力分析

5 討論

目前我國(guó)自然水體水質(zhì)存在河湖標(biāo)準(zhǔn)體系和海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系，GB 3097—1997標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)適用于該標(biāo)準(zhǔn)的水體鹽度進(jìn)行明確的規(guī)定。感潮水體由于周期性的受到潮水上涌的影響，鹽度具有較高的波動(dòng)性，選擇何種水質(zhì)評(píng)價(jià)體系目前并沒(méi)有定論。在本項(xiàng)目中，白鷺湖和山水國(guó)際景觀湖的設(shè)計(jì)目標(biāo)是按照海水標(biāo)準(zhǔn)考核達(dá)標(biāo)，而三亞?wèn)|河的水質(zhì)指標(biāo)是按照河湖水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)相臨及連通的2個(gè)水體采用完全不同標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)體系，勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)造成相當(dāng)?shù)睦_，同時(shí)由于海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的DIN、DIP等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于河湖標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)造成設(shè)計(jì)難度的增加、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的降低，導(dǎo)致生態(tài)修復(fù)成本的增加。

因此，在沿海微污染水體生態(tài)修復(fù)工程中，如何根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的水質(zhì)判斷依據(jù)，是目前水污染治理與生態(tài)修復(fù)工作中的一項(xiàng)重點(diǎn)與難點(diǎn)工作，也是保障我國(guó)沿海微污染水體生態(tài)修復(fù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理、因地制宜、生態(tài)優(yōu)先的重要抓手之一。

6 結(jié)語(yǔ)

沿海感潮水體，受到外來(lái)污染比較明顯，文章詳細(xì)分析了目標(biāo)水體漲落潮期間的污染物負(fù)荷，外河的潮汐影響為主要污染源，并通過(guò)水利設(shè)施隔斷，同時(shí)結(jié)合原位生態(tài)修復(fù)措施，可以明顯改善水質(zhì)，并為咸、淡水生物營(yíng)造了棲息生境，滿(mǎn)足多樣化生境需要。通過(guò)模型分析，項(xiàng)目實(shí)施后白鷺湖和山水國(guó)際水域的水體自?xún)裟芰︼@著提升，水質(zhì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可為類(lèi)似工程提供借鑒和指導(dǎo)。同時(shí)，通過(guò)穩(wěn)定性分析，項(xiàng)目實(shí)施后可能存在DIP和DIN在月度污染輸入高峰值時(shí)未能完全去除的現(xiàn)象，可以通過(guò)在強(qiáng)化凈化區(qū)增加處理措施和設(shè)備進(jìn)行解決。