鄭良秋, 譚 春, 李 波

(1.四川省城鄉(xiāng)建設(shè)研究院，四川成都 610041；2.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 緩流景觀水體

緩流水體通常是指湖泊、河口、海灣等流動較緩的水體，其對于水利防洪、用水供水、氣候調(diào)節(jié)、生態(tài)環(huán)境等多種方面發(fā)揮著重要的作用。隨著城市建設(shè)發(fā)展和人民對于生活品質(zhì)要求的提高，在市政建設(shè)中往往加入了諸多緩流景觀水體的元素，主要以人工湖(塘)為代表。此類水體由于開放性不強(qiáng)、水深較淺、周邊大量人為活動等因素，極易受到?jīng)_擊，其接納的污染物負(fù)荷往往大于自身的自凈能力，生態(tài)脆弱性顯著，更容易出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致景觀價值退化，甚至淪為黑臭水體的源頭。

針對緩流景觀水體的水環(huán)境構(gòu)建，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多為工程概念性論述或針對某一項動植物影響因子的試驗，但在新建項目設(shè)計初期，設(shè)計院往往無專業(yè)的技術(shù)人員和相應(yīng)資金的投入來進(jìn)行采樣測試，無法通過試驗數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確的參數(shù)取值。筆者結(jié)合相關(guān)工程項目設(shè)計經(jīng)驗及國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)，為四川地區(qū)市政類緩流景觀水體設(shè)計的初步測算提供參考與思路。

2 污染削減目標(biāo)測算

緩流景觀水體水質(zhì)的保持通常采用的是水環(huán)境修復(fù)的方法，采用生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)水環(huán)境容量的自然規(guī)律，模擬出自然界生態(tài)循環(huán)，讓其回歸到一個天然穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。水環(huán)境修復(fù)涉及專業(yè)眾多，需要生態(tài)學(xué)、物理學(xué)、氣象學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、栽培學(xué)和環(huán)境工程等多學(xué)科的參與，在前期設(shè)計階段通常采用的是經(jīng)驗+理論估算法來實施，通過污染負(fù)荷和環(huán)境容量之間的差值來確定水環(huán)境修復(fù)工程的污染削減目標(biāo)，其中污染負(fù)荷主要涉及水量平衡計算、外源和內(nèi)源污染負(fù)荷計算。

2.1 水量平衡分析

利用水量平衡分析法可以估算出水體自然補(bǔ)水量和緩流景觀水體損耗量，核算枯水期水位是否滿足緩流景觀水體生態(tài)基流的要求。

水體自然補(bǔ)水量來源主要包括2個部分，一是水體周邊區(qū)域客水降雨徑流量；二是水體投影區(qū)域降水量。水體自然補(bǔ)水量可以通過項目所在地多年的月均降雨數(shù)據(jù)對應(yīng)的設(shè)計降雨厚度，結(jié)合匯水面積，徑流系數(shù)以及其他年徑流總量控制率要求，計算出總的補(bǔ)水量。

水體損耗量主要包含水體水面的蒸發(fā)量、滲漏損失量，如果設(shè)計有雨水回用系統(tǒng)，還需要計算雨水資源化利用的量。水面蒸發(fā)量通過月均蒸發(fā)量和水體面積計算得到，蒸發(fā)量可以在當(dāng)?shù)氐臍庀蟛块T查詢到相關(guān)信息。滲漏損失量通過滲透系數(shù)和水體面積進(jìn)行計算，其中滲透系數(shù)取值影響較大，特別是在水域面積較大的項目尤為明顯。雨水資源化利用量為公園內(nèi)部道路、綠地等灌溉澆灑用水，通過綠化用水定額和每月灌溉澆灑次數(shù)確定，在計算時候需要做相應(yīng)扣除。

在計算出水體損耗量和水體自然補(bǔ)水量之后，可得出需要人工補(bǔ)充的水量?？菟豢捎沙醮嗡w蓄水量扣除水量平衡后最不利損耗水量后的水位，在沒有外界人工補(bǔ)水(如市政中水或再生水)的情況下，可得出封閉水體的最小實際水量，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水量平衡分析技術(shù)路線

2.2 外源污染負(fù)荷分析

外源污染根據(jù)項目的不同可以選取主要的影響因子，如人工補(bǔ)水污染、地表徑流污染、大氣沉降污染等等，相同量綱的污染負(fù)荷疊加可得總外源污染負(fù)荷。

人工補(bǔ)水污染指標(biāo)通過上文提到的水量平衡法可計算出統(tǒng)計期內(nèi)的人工補(bǔ)水量，結(jié)合來水的污染負(fù)荷指標(biāo)即可測算出統(tǒng)計期內(nèi)的補(bǔ)水污染負(fù)荷。目前，四川省岷沱江流域城市生活污水處理廠出水執(zhí)行DB 51/2311-2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)除TN外的主要污染物指標(biāo)要求達(dá)到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，其他大部分城市生活污水處理廠出水指標(biāo)也達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)，已滿足作為回用水的基本要求。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后宜優(yōu)先使用污水處理廠再生水對緩流景觀水體進(jìn)行補(bǔ)水，提升城市再生水資源化利用水平。

地表徑流污染負(fù)荷可根據(jù)集雨區(qū)塊劃分和年降雨量，參照不同的下墊面徑流系數(shù)取值，計算得出年地表徑流進(jìn)入景觀水體的水量，由水量與平均污染物濃度之積測算出地表徑流污染負(fù)荷。綜合王以堯等人[1-4]對成都等地區(qū)雨水徑流污染特征分析研究數(shù)據(jù)，推薦四川地區(qū)城市降雨徑流COD質(zhì)量濃度可取值范圍為70～165 mg/L，TN質(zhì)量濃度可取值范圍為1.6～4.7 mg/L，TP質(zhì)量濃度可取值范圍為0.08～0.4 mg/L，在無現(xiàn)場監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)的支撐時，可結(jié)合區(qū)域徑流系數(shù)在推薦取值范圍內(nèi)選取污染物濃度計算參數(shù)。

大氣沉降是指大氣中的污染物通過一定的途徑被沉降至地面或水體的過程，雖然近年來四川盆地的空氣質(zhì)量得到極大的改善，但大氣沉降污染仍不可忽視，可采用景觀水體水域面積與污染物沉降速率之積對大氣沉降污染負(fù)荷進(jìn)行初步測算。在早期研究中楊龍元等人[5]對大氣沉降的研究湖區(qū)大氣沉降的污染物輸入量估算為TN=4226 kg/(km2·a)，TP=306 kg/(km2·a)。2018年中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所研究員朱波及團(tuán)隊[6]在成都、什邡和鹽亭設(shè)立監(jiān)測點，分別代表城市、城郊和農(nóng)村3種土地利用類型，得出TN沉降率為19.8～49.2 kg/(hm2·a)，且氨氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)。推薦在無當(dāng)?shù)匮芯繑?shù)據(jù)的情況下，四川省污染物大氣沉降率以TN=4000 kg/(km2·a)、TP=300 kg/(km2·a)(對應(yīng)PM2.5=40 μg/m3)為基準(zhǔn)，根據(jù)區(qū)域類型結(jié)合年度PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行取值(表1)。

表1 2020年四川省各市(州)PM2.5質(zhì)量濃度

2.3 內(nèi)源污染負(fù)荷分析

城市緩流景觀水體內(nèi)源污染主要選取底泥污染作為分析對象。當(dāng)水域受到污染后，水中部分污染物可通過沉淀或顆粒物吸附而蓄存在底泥中，適當(dāng)條件下重新釋放，成為二次污染源。底泥各污染物速率以根據(jù)靜態(tài)水柱實驗確定，新建項目暫無試驗條件時，可以結(jié)合相關(guān)研究，初步估算受污染底泥TN、TP和COD污染物釋放量。龔春生等[7]提出過城市淺水型湖泊底泥釋磷通量的估算方法。秦伯強(qiáng)等[8]在對大型淺水湖泊沉積物內(nèi)源營養(yǎng)鹽釋放模式及其估算方法研究的靜態(tài)試驗中得出，在15 ℃時氮磷平均釋放速率為TN=5.7～19.5 mg/(m2·d)，TP=0.82～2.74 mg/(m2·d)。同時，綜合國內(nèi)水體的內(nèi)源外源污染研究經(jīng)驗數(shù)據(jù)[9-12]，可將外源污染輸入量的15%～30%作為內(nèi)源污染釋放量取值，即將外源輸入COD總量的15%～30%作為污染底泥COD污染物釋放量進(jìn)行測算。

2.4 景觀水體環(huán)境容量分析

水環(huán)境容量是指一定區(qū)域的水體在規(guī)定的功能和環(huán)境目標(biāo)要求下，對排放的污染物所具有的容納能力，通常以單位時間內(nèi)區(qū)域水體所能承受的污染物總量表示。對于景觀緩流水體的水環(huán)境容量計算推薦采用完全均勻混合箱體水質(zhì)模型(零維模型)，也可以預(yù)測水體一段時間內(nèi)的動態(tài)變化，公式及參數(shù)推薦取值見式(1)。

W=Q·cs·10-6+K·V·cs·10-4

(1)

式中:W為景觀緩流水體水環(huán)境容量(t/a)；cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度(mg/L)，可以代入GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)指標(biāo)；Q為水量平衡時流入與流出水體的流量(m3/a)；V為水體體積(m3)；K為COD綜合衰減系數(shù)或營養(yǎng)鹽沉降速率(d-1)，可參考國內(nèi)對自然、人工湖環(huán)境容量計算的研究進(jìn)行保守取值，COD綜合衰減系數(shù)為0.001 1～0.005 3，TN沉降速率系數(shù)為0.002 1～0.005 8，TP沉降速率系數(shù)為0.002 1～0.006 2[13-15]。

通過環(huán)境控制目標(biāo)能承受的環(huán)境容量計算結(jié)果，與以上估算進(jìn)入水體的各項外源內(nèi)源污染負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)合污染負(fù)荷和環(huán)境容積的差值，可得到理論負(fù)荷削減量，從而提出污染負(fù)荷削減目標(biāo)，進(jìn)一步得出水環(huán)境構(gòu)建工程污染負(fù)荷削減目標(biāo)和初步的工程量。

3 水環(huán)境構(gòu)建工程測算

為達(dá)到污染負(fù)荷削減目標(biāo)，需要對人工補(bǔ)水、地表徑流、大氣沉降和底泥等等進(jìn)行強(qiáng)制凈化，減少內(nèi)外源污染對湖體的沖擊，構(gòu)建水生植物生態(tài)系統(tǒng)。主要通過打造水生植物工程(挺水植物，沉水植物，浮水植物)和水生動物工程(魚類和底棲動物)，完善水生動物食物鏈，構(gòu)建出一套水體自身的生態(tài)凈化系統(tǒng)。

3.1 水生植物設(shè)計

通過構(gòu)建水生植物工程，可對補(bǔ)水、地表徑流進(jìn)行強(qiáng)制凈化，減少外源污染對水體的沖擊，同時修復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升水質(zhì)，包括設(shè)置補(bǔ)水入湖前置預(yù)處理區(qū)、雨水滯留區(qū)、生態(tài)淺水區(qū)、生態(tài)深水區(qū)等。同時，通過魚類、收割等方式對水生植物進(jìn)行調(diào)控，維持其合理的生物量與群落結(jié)構(gòu)，可有保持水生態(tài)系統(tǒng)健康[16]。

植物可選擇根系發(fā)達(dá)、耐沖刷、凈化效果好、耐污能力強(qiáng)，適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻钠贩N。水生植物影響因素眾多，如氣候，溫度，水動力學(xué)特性等。四川地區(qū)緩流景觀水體消落帶可以選用牛毛氈、矮生苦草等沉水植物，淺水區(qū)以矮生苦草為主，深水區(qū)可以選用苦草、金魚藻、黑藻、狐尾藻、竹葉眼子菜等，可以單一種植，也可以相互以不同種植面積組合，以達(dá)到形成不同群落環(huán)境的目的。如苦草和狐尾藻進(jìn)行組合，苦草與狐尾藻的種植面積比可選用8∶2～7∶3，伊樂藻、竹葉眼子菜及狐尾藻群落中，伊樂藻、竹葉眼子菜、狐尾藻的種植面積比可選用5∶3∶2～6∶2∶2。

根據(jù)污染物削減需求可對水生植物種植面積進(jìn)行初步測算。沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，基本代表整個水體的生產(chǎn)力，推薦以沉水植物指標(biāo)表征水生態(tài)系統(tǒng)綜合凈化效率。中科院[17]水生生物研究所進(jìn)行的沉水植物收割調(diào)控的幾個生態(tài)學(xué)問題研究中的實際湖泊相關(guān)數(shù)據(jù)，沉水植物年收割干重為245～585 g/m2?！吨参餇I養(yǎng)學(xué)》[18]中提到，一般植物含氮量約占干重的0.3%～5%，磷含量一般為其干重的0.05%～0.5%。姜義帥[19]進(jìn)行的基于水生植物生長期收割的富營養(yǎng)化水體生態(tài)管理方法研究中得出多種用于水體修復(fù)的植物含氮量為其干重的1.2%～4.3%，磷含量一般為其干重的0.12%～0.5%。綜上，設(shè)計水域植物種植面積可削減TN、TP污染負(fù)荷計算公式及參數(shù)推薦取值范圍見式(2)。

A1=G·K·S·ρ·10-9

(2)

式中:A1為系統(tǒng)可削減的TN、TP污染負(fù)荷(t)；G為每1 m2沉水植物年收割重量(干重)，可取250～600 g/(m2·a)；K為以沉水植物生物量為表征，每克沉水植物干重綜合凈化TN或TP的效率，TN可取10～40 mg/g，TP可取1～5 mg/g；S為常水位下水域面積(m2)；ρ為系統(tǒng)變化系數(shù)，可取0.8～1.0。

3.2 水生動物設(shè)計

水生動物的選取也至關(guān)重要，影響因素縱多，如投放的種類、密度、數(shù)量、個體、雌雄比、放養(yǎng)季節(jié)、年齡等等?？傮w策略還是要選用本土品種，與水生植物協(xié)同，建立多級穩(wěn)定生態(tài)食物鏈。四川地區(qū)可以選用鰱魚、鳙魚、鱖魚、烏鱧、鯰魚等，濾食性魚類投放密度宜控制在尾/50～100 m2，肉食性魚類控制在尾/100～200 m2；底棲動物選用螺類與蚌類，投放密度在5 g/m2左右。以投放的魚類為例，根據(jù)《現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)》[20]統(tǒng)計83種魚類后得出，一般魚類的蛋白質(zhì)含量為15%～18%，而各種蛋白質(zhì)的含氮量都很接近，均在18%左右，含磷量大致為0.3%～0.5%。由此可計算魚類對TN、TP污染物負(fù)荷削減量，計算公式及參數(shù)推薦取值范圍見式(3)。

A2=g·k·S·ρ

(3)

式中:A2為系統(tǒng)可削減的TN、TP污染負(fù)荷(t)；g為每1 hm2魚類回捕重量，可取250～500 kg/(hm2·a)；k為每1 kg魚類對TN或TP的削減量，TN可取24～33 g/kg，TP可取3～5 g/kg；S為常水位下水域面積(m2)；ρ為系統(tǒng)變化系數(shù)，可取0.8～1.0。

3.3 其他功能性設(shè)施

若單純的生境打造無法滿足污染負(fù)荷的削減要求，可在補(bǔ)水入湖前置預(yù)處理區(qū)、雨水滯留區(qū)、水質(zhì)循環(huán)區(qū)等區(qū)域設(shè)置人工濕地、生物滯留池、生態(tài)基等設(shè)施強(qiáng)化對污染物的去除。人工濕地可參照現(xiàn)行的國家及地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，其他功能性設(shè)施宜參考水文、地質(zhì)、氣候條件相似地區(qū)的成熟應(yīng)用案例。

4 四川景觀水體設(shè)計實例

四川省某景觀湖設(shè)計湖庫容積約640萬m3，湖水面積約300萬m2，按照水質(zhì)保持目標(biāo)為地表水Ⅲ類測算得出目標(biāo)削減量，見表2。

表2 四川省某景觀湖污染物目標(biāo)削減量 單位：t/a

根據(jù)目標(biāo)削減量并結(jié)合景觀打造，初步設(shè)計約170萬m2的沉水植物種植區(qū)域，500 kg/(hm2·a)回捕量的水生動物工程，同時設(shè)置2.0萬m2補(bǔ)水入湖前處理區(qū)、0.3萬m2初期雨水滯留區(qū)、應(yīng)急物理措施等強(qiáng)化外源輸入污染物的削減。

圖2 某景觀水體工程建設(shè)實景

5 結(jié)束語

對于外源污染負(fù)荷和底泥等內(nèi)源污染負(fù)荷等，如果想要進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計算，須進(jìn)行本底的詳細(xì)調(diào)查分析，在不同的時間和空間進(jìn)行多次采樣，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果才會比較準(zhǔn)確[21]。在沒有相關(guān)規(guī)范參考的情況下，采用相類似工程經(jīng)驗，借鑒相關(guān)研究文獻(xiàn)的方法不失為緩流景觀水體工程初步測算的一種途徑，為新建項目水環(huán)境構(gòu)建設(shè)計提供依據(jù)。