湖泊型饮用水源地安全生物保护体系构建初探

姚 颖 蒙宽宏 杨 凯*

(1.东北林业大学，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081)

近年来我国频频发生的有关饮用水安全的问题都在深刻地提醒着世人一个严峻的事实——水源地突发污染事件一般难于预料和预测，甚至是难以避免的，是一种人们必须学会与之共存的严重的环境风险事件。因此，为了保证饮用水安全，开展饮用水源地安全生物保护技术的研究显得尤为迫切。水源地的安全保障问题日益受到世人的强烈关注和政府部门的高度重视。

1 设计思想

湖泊型水源地生物保护体系以大气降雨在降落到森林生态系统开始至形成径流进入湖泊的完整的大气降雨水文过程观测为主线，系统地研究森林生态系统的水文功能与水质动态、人工湿地生态系统的径流净化功能与水质动态，为湖区水源涵养林的构建与优化重建以及人工湿地的建造与改良提供科学的指导。利用生物措施，对即将汇流进入湖泊水体的水源进行净化、沉淀、过滤等处理，从而实现对湖泊水质的保护。

2 水源涵养林生态系统功能研究与高效系统构建技术

2.1 水源涵养森林生态系统的功能

森林生态系统的水源涵养功能的发挥，主要是依靠森林生态系统对水分的生态过程来实现，主要包括：森林生态系统对大气降雨的再分配作用、森林生态系统各组分对水分的消耗、森林生态系统对水质的影响等。一个高效的水源涵养森林生态系统应该包括以下几个功能模块组成：

(1)林冠层。水源涵养林生态系统应该具有对大气降雨进行适度截留的林冠层，过高或者过低的截留量都是不适宜的。

(2)灌草层。灌草层对水分的再分配和调节作用与林冠层比较相似，但是由于其结构更为多样，因此其功能的发挥和功能的测量也更为复杂。一般来说，由天然林组成生态系统中，存在着比较良好的乔——灌——草结构，而在人工林构成的生态系统中这样的结构相对较差，—般只具有乔——草结构。

(3)枯落物层。由于地表枯落物层的存在，一方面可以大量地削弱了雨滴对土壤的直接击溅；另一方面又可以吸收很大一部分的降水，从而减少了到达土壤表面的降水量；枯落物层对水流的强大机械阻拦作用，极大程度上减少地表径流的产生，发挥了重要的水土保持和涵养水源的功能。

(4)土壤层。林地土壤水分对植物——大气、大气——土壤和土壤——植物三个界面物质和能量的交换过程有着重要的控制作用，直接影响到土壤水分的入渗、林地蒸散和流域径流。目前林地土壤对于水源的涵养关系主要分为静态涵蓄功能和动态调蓄能力两方面。

林地土壤的静态涵蓄功能主要是不同林型对土壤水分——物理性质的改善和持水能力影响的分析上。学术界普遍认为，土壤蓄水量的大小取决于土壤非毛管孔隙度及土壤厚度。据测定，森林土壤的蓄水范围为36.6～149.4mm，平均为72mm。同时也有研究指出，未遭受人为干扰或受干扰程度较小的森林生态系统，林下土壤的水源涵养能力较其他林分更佳，且水文传输机制更为复杂。土壤的动态调蓄能力主要是林地土壤的水分渗透性能，林地土壤较其他类型土壤具有更高的入渗率，良好的森林土壤其土壤稳定入渗率高达8.0cm/h以上，水力传导率可达15mm/h以上。

(5)森林植被。森林植被的作用，除了前述的以物理方式实现的对大气降雨的截留作用之外，森林植被对进入森林生态系统的大气降水的影响还包括两个部分，即森林植被的蒸散消耗以及对水质的影响。

森林植被对水质影响的研究主要集中在森林生态系统本身的营养元素循环上，植被对水化学的影响与降雨(降雨量、降雨强度、降雨历时等)、树种、林分状况(林冠的干净程度、郁闭度、树皮粗糙度等)、大气状况等有很大关系。

2.2 水源涵养森林生态系统的组成

基于对水源涵养林各组成部分功能的研究，对高效水源涵养林的设计应该包括以下几个方面的内容：(1)植被耗水规律研究；(2)水源地森林生态系统对水质的影响研究；(3)水源地植被分布与演替规律研究；(4)水源涵养森林生态系统水文生态功能研究；(5)树种选择技术研究；(6)水源涵养森林生态系统植被空间配置与结构优化技术研究。

3 人工湿地生态系统功能机理与关键技术研究

湿地具有十分强大的生态功能，在污水净化方面，湿地被认为是“天然的污水净化器”。相对常规的污水处理系统而言，湿地处理技术具有廉价、易操作和能长久维持等优点，而且在运行过程中几乎不需要消耗化石燃料和化学药品。

人工湿地(constructed wetland)也叫做构建湿地、构筑湿地等。人工湿地就是利用自然湿地生态系统中物理、化学、生物的三重协同作用，通过人工设计和建造的一种新型污水处理工艺。对于湖泊型饮用水源地而言，在入湖口设置人工湿地，对于保护湖泊水体免受富营养化的危害具有积极的意义。

3.1 人工湿地的除污机理及类型

成熟的人工湿地系统中的填料表面及植物根系生长着生物相较为丰富的生物膜。废水流经湿地床时，大量的悬浮固体被填料和植物根系截留，其他污染物则通过生物膜的生物降解与植物的吸收等作用而被去除。湿地床中植物的光合作用及植物茎、根系对氧的输送和传递，使根系周围的水环境中依次呈好氧、缺氧及厌氧状态，即具有有机物、氮磷去除所需的环境。通过对湿地床中填料的定期更换或栽种植物的收割，最终使污染物从系统中去除。

3.2 人工湿地生态系统构建关键技术

(1)人工基质的选择。基质是人工湿地的重要组成部分，湿地中的基质一方面为微生物生长提供稳定的依附表面，同时也为水生植物提供了载体和营养物质，此外基质自身亦可通过一些物理、化学的途径(如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等)来去除污水中的N、P等营养物质。

大部分学者研究认为，充分利用当地的自然资源，选择合适的人工湿地基质材料，是构建人工湿地、提高人工湿地净化能力的关键措施。但目前在国内外人工湿地中，采用潜流人工湿地处理以SS、COD和BOD为特征污染物的污水时，根据水力停留时间、占地面积和出水水质等限制因素，可以选用土壤、细沙、粗沙、砾石、碎瓦片或灰渣中的一种或几种为基质；以除P为目的的人工湿地最好选择飞灰或页岩为基质；其次是铝矾土、石灰石和膨润土。表面流人工湿地多采用当地土壤作为基质材料。

建立人工湿地污水处理系统，基质所需费用在整个人工湿地系统建设费用中占较大比重。因此，在基质种类选择过程中，应在考虑所选基质经济可行性的基础上，评价其技术可行性。

(2)净水植物的筛选。人工湿地构建中所选用的植物，可以使用的植物种类范围涉及较为广泛，从类型上来说，从花卉植物到农作物，从草本到木本，从水生到陆生，有几十种之多。总体而言，人工湿地构建过程中，植物的选择应遵循以下原则：

①耐污力强。植物自身的耐污力是在人工湿地构建的植物选择工作中的最首先要考虑问题。选择自身耐污力强的植物，既保证了在人工湿地环境中植物可以正常生长，也有利于提高人工湿地总体净化能力。最重要的一点在于，可以增强植物——微生物根际系统的作用，达到净化的最佳效果。

②净化能力强。每种植物对污水中污染物的吸收能力不同，也就是净化能力不同。净化力越强的植物，单位面积的污染物去除率就越高。研究表明，水生植物可积累大量的氮，占进水可溶有机氮的66%～100%，最大占进水可溶性无机氮的24%，而植物的吸收占据重要的作用。由此可见，选择净化能力强的植物栽种在污染区是非常重要的。

③根系发达。植物的吸收、吸附和富集作用与植物的根系发达程度密切相关。植物的根系可以保持水土、维持植物与微生物旺盛的生命力，对保持湿地生态系统稳定具有重要意义。根据Kieukth的根区法理论可知，根系发达的植物，其对污染物的吸收、吸附、富集能力更强，更有利于污染物的去除，是挑选污染区种植植物的原则之一。

④经济和美学价值高。人工湿地与传统的污水处理方式相比，具有低成本、低能耗的特点，但是占地面积却相对较大。由于土地资源有限，所以尽可能地使人工湿地不仅具有处理污水的功效，还具有一定的经济价值和环境价值。近年来，发达国家在人工湿地污水处理系统治污的同时引入园林设计的理念，产生了非常好的效果。

⑤因地制宜原则。选择污染地区种植植物，在合理设计植物修复系统的同时，还要考虑种植区所在地的气候、环境、水文等。所选择的植物最好是本地种，这样更适应当地的气候，适合本地生长，成活率高，可以更加高效地去处污染物。所以构建植物修复系统时，适地原则是必须考虑在内的。同时应该考虑到植物种的选择及种间的搭配，以便于植物更好地发挥协同作用，这也是重要原则之一。

⑥种间合理搭配原则。为增强污染区种植植物的效果以及美观性原则，可考虑在污染区内种植几种优势物种，同时需要搭配种植其他物种。根据环境条件和植物群落的特征，按一定的比例在空间分布和时间分布方面进行安排，形成稳定可持续利用的生态系统。但是，要充分考虑到不同植物种群间的相互竞争，各种植物的生存需求不同，对营养元素、光照、水质的要求不同，对不同污染物的去处效果差距较大，应根据污染区实际需求，合理搭配各种植物，以达到最优去污、美观效果。

4 结语

由具备水源涵养功能的森林生态系统和具备水质净化功能的人工湿地生态系统两大功能模块组成的饮用水源地安全生物保护体系，可以充分发挥现有森林生态系统对大气降雨的调节再分配作用以及人工湿地对径流水体的净化(尤其是对由非点源污染所引起的水体污染具有很高的净化作用)，整个系统由生物措施构建，具备工程措施所缺失的环保性、可再生性等优点，将为湖泊型饮用水源地的保护提供一条新的思路。

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