梯级溢流堰对入湖河流水环境的影响

张邦喜，秦 松，夏品华，林 陶

(1．贵州省农业资源与环境研究所，贵州 贵阳550006;2．贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳550001)

(责任编辑 徐素霞)

河流是水循环中重要的一环，是陆地生态系统和水生态系统间物质循环的主要通道，健康的河流能够提供食物、工农业及生活用水，还具商业、交通、休闲娱乐等诸多服务功能。然而河流生态系统比较容易受到外来污染的影响，并且一旦发生污染，很容易波及整个流域，因而采取有效治理措施使被污染的河流水体变成可利用的资源是当今环境科学、水域生态学研究的热点问题［1］。

河道溢流堰技术是直接在河床上建堰拦水，通过重力沉降、植物吸收和微生物降解等作用对水质进行净化，从而改善河流生态环境的方法，具有成本低、运行管理简单、能持续发挥水质净化作用等优点，因此成为城市污染河水处理的优选技术［2-5］。然而，把这种技术用于喀斯特山区污染河流治理，在国内外还少见报道。为此，本文以百花湖水库麦西河河道生态修复集成技术研究与示范为例，针对百花湖水库入库河流麦西河水体富营养化严重和生态环境严重退化等主要环境问题，通过布设麦西河生态工程措施，建设有魅力的水边空间，恢复和创造有生命的河流，使河流的生态环境和生态系统得到改善，旨在为今后山区污染河道的生态修复和水资源的综合管理与治理提供理论依据和技术指导。

1 工程概况

1．1 工程简介与设计

贵州是一个海拔较高、纬度较低、喀斯特地貌典型发育的山区省份，河流、沟渠落差大;气候具有典型的高原性季风气候特点，系亚热带湿润温和型气候。根据山区河流天然落差大，具有建设梯级溢流堰以净化水质的优势，将麦西河全长约1 300 m 的河道，自上游到下游划分为5 个区段(如图1)，修筑梯级溢流堰系统，自2010年5月3日开始构建，至6月20日完成。另外，该河流直接进入百花湖(水库)水源保护区，为保障出水质量，采用人工辅助手段恢复河流植被生态系统，通过优化设计，实现物理沉降、自然曝气、微生物、水生植物、水生动物和基质的有机结合，共同构成一个复杂的河流系统，以较大程度地增加工程生态系统的多样性和稳定性，从而使整个系统具有较强的抗污染负荷冲击的能力。

图1 麦西河梯级溢流堰系统

1．2 河道构建

整个系统分为5 个梯级单元，各级单元参数见表1。通过工艺和结构优化，集成了溢流堰-人工湿地工艺的组合优势，溢流堰串联延长水力滞留时间，发挥物理沉降和厌氧消化功能;利用河道地形落差大的特点进行跌水曝气、滚水坝曝气，增加水体的溶解氧(DO)含量，提高水体自净能力［6-7］。

表1 溢流堰参数特征

1．3 河道植被构建

梯级溢流堰建成后，示范区河段环境和景观有明显的改变，河面变宽，水域面积增大，一些湿生及挺水植物(如莎草科和禾本科的多种植物)开始生长，但由于所选河段污染严重，未见沉水植物，故采用人工辅助恢复的手段，选择净化能力强、环境适宜的植物进行河道修复，分期引种了挺水植物(如美人蕉、芦苇、菖蒲和茭白等)、沉水植物(如菹草、苦草、黑藻、轮藻、金鱼藻、眼子菜、茨藻等)，以丰富植物的多样性，完善河道植物群落结构，恢复河道植被生态系统。其次，对必要河段进行底泥清淤，清理了河道固废垃圾及水花生。最后，沿岸种植了杨树、柳树等植物。待水生植物基本恢复后开始监测，发现试验区域内共有湿生植物17种，其中沉水植物7 种、挺水植物3 种、浮水植物3 种、河岸带湿生植物4 种。根据水生植物分布(表2)可以看出，dam5 溢流堰中水生植物的种类多于其余滞留塘，说明梯级溢流堰对水生植物的生境有一定的改善作用［8］。

表2 各采样点湿生植物种类组成

2 工程实施效果分析

2．1 工程实施后水环境条件的变化特征

工程建成、植物群落恢复稳定后，在S 点进水处和dam1、dam2、dam3、dam4、dam5 滚水坝出水处设采样点，于2010年7月至2011年7月每月监测1 次。从1年的监测均值(见图2)来看，水体经梯级溢流堰系统后DO 浓度均大幅增加，分析原因为:水流经梯级溢流堰的水坝曝气及系统内各种水生植物根部向水体输送氧气，增加了水体溶解氧含量。而系统进出水pH 值基本上在7 ～8 之间变化，没有大的波动，这表明梯级溢流堰对河水pH 值影响较小。

图2 溢流堰系统各采样点溶解氧浓度和pH 值变化

2．2 工程实施后水体营养盐的去除效果

工程实施后系统中水生植物对水体营养盐地球化学循环过程的影响，除通过直接的同化吸收外，更主要的是通过环境条件改变来加强营养盐的转化过程的［9-10］。试验河段水质改善工程经过1年的运行之后，各采样点各参数的年平均值变化趋势如图3。可以看出，受污河水流经梯级溢流堰系统后，总体上营养盐浓度在降低。其中，总氮从9．59 mg/L 降低到4．05 mg/L 左右，氨氮从3．52 mg/L 降低到0．99 mg/L 左右，悬浮物从17 mg/L 降低到7 mg/L 左右，化学耗氧量从16 mg/L 降低到6 mg/L 左右，总磷从0．42 mg/L降低到0．1 mg/L 左右，可溶性总磷从0．33 mg/L 降低到0．08 mg/L左右。另外，从各级溢流堰出水营养盐年平均含量变化来看，各级溢流堰与整个系统对营养盐的去除效果有所不同，有些溢流堰出水营养盐年平均值未呈现梯级下降的趋势，这一现象的存在可能是各级溢流堰内的水生植物恢复数量及其对受污水体的滞留时间不同所致，并受河岸两侧的农田渗流等因素的影响，这也是河道污染物输入呈现波动的主要原因［11-12］。1年的试验结果表明，梯级溢流堰系统对于山区河道受污水体有较好的去除效果，其对受污水体的净化效果要显著优于单个溢流堰系统。

图3 生态修复工程实施后各采样点水质参数变化

2．3 工程实施前后水体营养盐的去除效果

图4 河道梯级溢流堰系统实施前后各水质参数去除率

将试验工程完成后的一年与试验工程实施前一年的水质指标进行对比可知，富营养化指标存在明显的区别(图4)，除工程实施前未监测的可溶性总磷及可溶性总氮外，工程实施后总磷、总氮、氨氮、有机质、悬浮物的年平均去除率分别为76．62%、57．77%、71．96%、61．38%和59．60%，按去除率排序为总磷＞氨氮＞有机质＞悬浮物＞总氮。同时，对比前后两年的水质指标发现，除悬浮物浓度外，几乎所有水质指标工程完成后的一年都好于工程实施前，好转的幅度为17% ～71%。工程实施后，悬浮物年平均去除效果反而较差，可能与工程实施后河道水面拓宽、拓深，水质明显好转，鱼虾重现，河道两侧小孩嬉水，致使植物截留的悬浮物及沉积物再悬浮有关［13］。总的来看，河道生态工程的实施改善了入湖/库河道受污水体水质，为周围居民提供了休闲空间，在生态教育等方面具有广泛的社会价值。

3 结 论

(1)该系统根据当地地形落差大的特点，利用河道进行跌水曝气，无需动力。

(2)通过工艺和结构优化，集成了溢流堰-人工湿地工艺的组合优势，溢流堰串联延长水力滞留时间，发挥物理沉降和厌氧消化功能，可拦截大部分漂浮杂物及悬浮物。

(3)在溢流堰内种植各种水生植物，不仅可以直接利用氮磷营养物质、补充氧气、美化环境，还可给微生物提供附着载体，提高净化效率。另外，溢流堰内还可以放养鱼，为农民增收，其出水灌溉还可以缓解农村用水紧张问题。

(4)不投放药剂，无二次污染，管理运行简便，无需专人管理和运行经费，处理效果稳定可靠，这是贫困山区农村污水处理良好运行的保证。

［1］张建，邵文生，何苗，等．潜流人工湿地处理污染河水冬季运行及升温强化处理研究［J］．环境科学，2006，27(8):1560-1564．

［2］Mitsch W J，Lefeuvre J C，Bouchard V．Ecological engineering applied to river and wetland restoration［J］．Ecological Engineering，2002，18(5):529-541．

［3］Sally T，Malcolm E．Water Health Enhancement Program:Assessing Riparian Zone Ecosystem Services and Valuing the Benefits of Protecting and Enhancing These Services［M］．Brisbane:BCC Waterway Health，2007．

［4］Woltemade C J．Ability of restored wetlands to reduce nitrogen and phosphorus concentrations in agricultural drainage water［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2000，55(3):303-309．

［5］李睿华，管运涛，何苗，等．美人蕉河岸带处理受污染河水的中试研究［J］．中国给水排水，2009，25(9):66-69．

［6］王锦旗，王国祥．溢流堰坡度对水体溶解氧及污染物浓度的影响［J］．中国给水排水，2006，22(21):53-56．

［7］朱铭捷，胡洪营，何苗，等．河道滞留塘对河水中有机污染物的去除特性［J］．中国给水排水，2006，22(3):58-61．

［8］ASCE River Restoration Sub-committee on Urban Stream Restoration，Urban Stream Restoration［J］．Journal of Hydraulic Engineering ASCE，2003(7):491-493．

［9］付融冰，杨海真，顾国维，等．潜流人工湿地对农村生活污水氮去除的研究［J］．水处理技术，2006，32(1):18-22．

［10］万晓红，李旭东，王春雨，等．不同水生植物对湿地无机氮素去除效果的模拟［J］．湖泊科学，2008，20(3):327-333．

［11］夏品华，林陶，张邦喜．梯级滞留塘/人工湿地组合工艺处理山区污染河水［J］．中国给水排水，2012，28(17):88-90．

［12］Lin Tao，Zhang Bangxi，Xia Pinhua，et al．Removal of agricultural non-point source pollutants by ditch wetlands of the Maixi River，Guizhou Province，China［J］．Advanced Materials Research，2012，396-398:2515-2520．

［13］郭长城，喻国华，王国祥．湖滨带植物群落对挟沙水体氮、磷污染物的截留效果［J］．生态环境，2007，16(3):866-870．