上海地区人工湖富营养化防治设计若干问题探讨

刘小梅

(上海市水利工程设计研究院 上海 200063)

近年来,随着上海市社会经济的发展以及人们生活水平的提高,亲水性景观环境越来越多地走入居民生活之中。人工湖泊以其独特的生态及景观功能,越来越受到人们的青睐,成为新型社区与公共绿地设计的首选。在松江佘山月湖、临港新城滴水湖等大型人工湖及众多新建小区中的人工湖相继建成后,上海人工湖水面积大幅增加,为改善人居环境发挥了重要作用,然而人工湖水质状况不容乐观,多数湖泊水质属IV、V类或劣V类,存在不同程度的富营养化问题,对人工湖生态及景观环境造成不利影响。目前,国内外学者对湖泊富营养化防治技术开展了广泛研究,并成功应用于实际治理工程。本文在已有研究成果基础上,从富营养化防治角度,探讨人工湖规划设计中考虑的关键问题,为人工湖设计方案的制定与实施提供参考。

1 人工湖富营养化影响因素

上海地区人工湖属于浅水湖泊,以公共绿地及居民小区人工景观湖居多,多数湖泊平均水深在1.5m～3m,这些湖泊通常湖水面积较小,水位较低,湖底平坦,底泥中有机质、营养盐十分丰富,水生植物以浮游藻类为主,大型水生植物较少,耐污染负荷能力较低。在人类活动影响下,随着外来营养盐和其它污染物的大量流入,水体接纳的大量营养盐 (氮、磷)、有机物等引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖,导致水体溶解氧含量下降,水质恶化,水体色度增加,透明度降低,鱼类及其它生物大量死亡,人工湖的正常生态平衡遭到破坏。人工湖富营养化的首要成因在于来自地面径流的面污染源、来源于生活污水和工业废水的点污染源以及水体自净能力,除此之外,还有水文条件,如水体的深度、流速、循环周期等因素,而且这些因素往往相互作用,共同促进富营养化的形成。水体深度越浅,水体含氧量越高,温度适宜,可以满足藻类生物生长和繁殖。因此,浅水相对于深水,更容易产生富营养化问题。而水体的流速慢,其水循环周期越长,更新速度越慢,流入水体的营养物更易沉积,更易因大量营养物质的沉积而导致富营养化的发生。

2 人工湖富营养化防治设计要素

有关研究成果表明[1],浅水湖泊与深水湖泊相比,更容易富营养化,一旦湖泊富营养化,其治理的时间较长,治理的难度较大。此外,浅水湖泊风浪所导致的底泥悬浮,把大量的营养物质释放进入上覆水中,即使控制了所有外源污染,但无法在短期内降低湖泊营养负荷,因此,对湖泊富营养化采取预防措施十分必要,并且考虑到人工湖泊生态系统的脆弱性,需要从人工湖前期规划设计中全面考虑富营养化问题,以避免湖泊设计不合理带给人工湖泊先天的缺陷,对人工湖水景观效果及工程管理造成不利的影响。

人工湖富营养化主要影响因素包括内外污染负荷、水文条件、水体自净力等因素。针对上述影响因素,在有关富营养化研究成果基础上,利用人工湖的成功实践经验,提出人工湖泊富营养化预防思路为控制内外污染源、提供良好水文条件、构建湖泊生态系统以及实施水环境管理。控制污染源包括湖泊周边陆地上的各种外源负荷以及湖底沉积物释放所产生的内源负荷,这对浅水湖泊富营养化控制是非常必要的,也是最基本的环节。通过采用多种技术手段,分析研究人工湖形态、总体布置、湖泊调度运行方案等内容,以达到促进水体流动、防止形成死水区,提供良好水文条件的目的。同时,在污染源控制的基础上,进行以水生植物、动物为核心的生态系统构建工作,以有效拦截来自陆地的污染物质以及有效降低沉积物悬浮和内源污染释放。国外对人工湖设计的经验值得借鉴,设计中考虑湖泊的选址、形状、规模、进水方式、流动、维护费用等方面,使人工湖能够发挥预期的功能,达到低维护的效果。结合目前的人工湖实践,人工湖设计中除考虑水源条件、内外污染源控制措施以外,在富营养化预防方面还需要重点考虑湖泊形态、湖泊调度运行、生态系统构建等关键内容。

3 人工湖形态设计

3.1 湖泊平面形态

湖面形状设计需同时考虑景观效果和水流平顺的原则,其平面形态应尽量利用流线发散和收束的特点,以利于水流平顺、不留死水区,故除了地形条件的约束外,人工湖泊平面形态构造受水的进出口条件影响。对于口门简单 (分别有一个进、出水口门)的湖泊,布置成为梨形是比较理想的。对于进出水口门较多的情况,湖泊的平面形态以流线型的圆、椭圆或蝶形为主,一是保证水体的整体流向平顺,有利水体交换,二是减少水流之间的干扰顶托,降低人工湖营养物质不均匀沉淀的机会。例如,上海临港新城滴水湖平面形态呈圆形,湖面积5km2,直径2.5km；地处佘山旅游度假区的佘山月湖呈蝶形,水面积0.3km2,岸线长2465m。

另外,人工湖平面设计中应关注湖心岛的位置,由于湖心岛的存在往往会形成死水区,对该区水质产生不良影响,因此人工湖设计过程需采用数值模型等手段对此进行多方案论证,以避免出现死水区。临港新城滴水湖水面积4.571km2,湖区布置有南岛、北岛和西岛等3座岛屿,岛屿面积分别为0.163km2、0.172km2、0.094km2。为使滴水湖自身具有良好的水动力条件,有关研究机构采用三维水质数值模型分析滴水湖水动力学基本特征及水质指标,研究结果表明:北岛并岸时背风处流速明显减小,局部形成死水区；北岛离岸时在岛屿和岸边通道和浅水处,流速较大,流向为风向和岸线方向,与滴水湖内存在的大小环流形成更大的环流,促进水体混合和交换。据此,对滴水湖中湖心岛位、岛形进行了优化,形成北岛为半岛,南岛、西岛为全岛的景观效果,并在北岛与湖岸之间设置底宽50m的水流通道。调整后的滴水湖,在风的作用下或进行水体调度时,湖中形成了更多、规模更大的环流,明显改善了湖区内水流条件。

3.2 湖泊立面形态

湖泊立面包括水深较浅的湖岸湿地、水深较深的湖盆湿地、湖盆底部深水区三个部分,其设计关键要素包括湖底形态、湖泊水深及岸坡等,其中湖底形态应有利于水体垂直交换及流动；湖泊水深应满足湖泊水体热力学运动规律要求、增强湖泊生态系统稳定性能、减少蒸发损失的需要；湖岸边坡应根据岸坡整体稳定、湖区风浪水流作用下的滩地稳定和施工开挖等因素确定。临港新城滴水湖湖底设计中,利用数值模拟方法分析不同湖底高程及湖底形态下的水流情况,最终确定湖底总体呈蝶形,大部分区域湖底高程为-0.5m；湖心呈马鞍形,即湖心在-2.0m高程设平台,东、西两侧分别形成深水区,最低处高程-3.50m。滴水湖常水位2.7m时,水深为3.2m～6.2m,蓄水库容为1620万m3。有深有浅的湖底形态,有利于形成日夜温流,促进垂向的水体交换。

4 湖泊调度运行方案

人工湖的合理调度运行可以有效促进湖内水体置换及流动,达到预防湖泊富营养化的目的。湖泊调度运行方案应综合考虑湖泊容积、进出水方式、换水周期等因素。换水周期需根据湖泊的水源条件、湖泊水体多少和可能的污染预测情况等分析确定,例如杭州西湖 (湖面积5.6km2)从钱塘江引水,采用1个月换水一次,西湖水质得到明显改善。临港新城滴水湖濒临东海,环湖水系由3条涟河、7条射河组成,并规划有从大治河引水的专用引清河道,滴水湖从大治河引水,经过环湖水系由滴水湖出海闸排水,实现水体的快速置换。为了更好地确定滴水湖调度运行方案,有关研究机构采用平原河网地区河湖互联水环境数学模型,针对在水闸调控条件下的引排分开模式和边引边排模式,分别模拟分析了不同引排水口优化组合条件下的湖泊入湖与出湖水量,以及相应的水动力场及水质改善效果。研究成果表明:采用引排分开模式,引水期间的20h引水时间的水流场和水质改善效果,基本等同于边引边排条件下引水96h的改善效果,并且可以消除无调度条件下单纯风力驱动的死水区域。鉴于现阶段从大治河引水的专用引清河道尚未实施,滴水湖水系的涟河及射河入湖处无口门控制,由距出海闸较近的临时引水口门进行边引边排模式会产生引水不入滴水湖而经由附近涟、射河直接排海的 “短流”现象,所以目前采用引排分开模式,并需根据水源状况确定下降水位。将来在滴水湖水系逐步完善且设置相应的控制口门后,可采用边引边排模式。

5 湖泊生态设计

人工湖生态系统通过种植水生植物和放养水生动物来实现。湖岸可在水深以下0.5m的岸坡区种植挺水植物香蒲、芦苇,0.5m以上岸坡种植温生植物香根草和风车草,岸坡上种植这些植物可形成环湖的过滤带,对地表径流流入湖中的水起过滤作用,阻拦并吸收、转化、积累输人的部分有机质及营养盐,再通过收割利用,移出水体,有利水体自净,营养盐收支平衡,防止水体富营养。湖中适当放养蚌类、鱼类、螺狮等动物,延长食物链,提高生物净化效果。湖底种植苦草等沉水植物和莲花等浮叶植物,通过养分竞争、克生物质释放以及提供植食性浮游动物庇护所等多种机制影响湖泊生态系统,并防止底泥再悬浮。临港新城滴水湖引水通道D港生态修复试验研究成果表明:通过投放"食藻虫"快速滤食水华藻类和有机碎屑,可有效提高水体透明度,并采用移植方式构建了以伊乐藻、苦草、轮叶黒藻、光叶眼子菜和菹草为主的沉水植物群落,经过10个月已形成了能够进行自行演替的、稳定的生态系统。

6 结语

上海地区人工湖属于浅水湖泊,生态平衡极易受到外界因素的干扰,容易产生富营养化问题,并且一旦产生富营养化,其治理时间和难度较大,为此在人工湖规划设计中应首先考虑富营养化的预防措施。人工湖富营养化主要影响因素包括内外污染负荷、水文条件、水体自净力等因素,针对上述影响因素,人工湖富营养化防治设计除需考虑水源条件、内外污染源控制措施以外,还需要重点考虑湖泊形态、湖泊调度运行、生态系统构建等关键内容,并综合利用湖泊富营养化防治技术,达到维持湖泊生态平衡、改善生态环境的目的。

1 秦伯强等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用,科学通报,2006年8期.