关于浅水湖泊沉水植物覆盖度设计依据的探讨

2021-03-19马俊超

长江科学院院报 2021年3期

罗希，马俊超

(长江勘测规划设计研究有限责任公司环境工程设计咨询公司，武汉 430010)

1 研究背景

大型水生植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者之一，对生态系统物质、能量的循环和传递起调控作用[1]。近些年来，采取植物措施，恢复以沉水植物为主的大型水生植物群落，已成为治理浅水湖泊富营养化和开展水生态修复的重要方式，且在许多工程中取得了较好的效果。但是，植物措施相比其他工程措施具有影响因子多、不确定性大的特点，也给工程设计带来一些挑战。

沉水植物作为大型水生植物，是对水质改善效果最为突出的水生植物类型。如何在设计中科学合理地确定其覆盖度，不仅是植物措施设计中的重点，也是建设单位和评审技术专家的关注点，更是保障工程可行性、经济性和长效性的关键。但目前，尚无相应的规范或指南对沉水植物覆盖度参数的设计取值有较明确的指导，且在工程领域对该方面的研究还存在不足，因此，开展对沉水植物覆盖度设计依据的探讨是十分必要的。

目前，受工程边界条件、风险可控性及工程经济性等方面的限制，国内沉水植物恢复的成功案例和研究基本上是在小型浅水湖泊或大、中型浅水湖泊中相对封闭的区域实施的，因此，本文探讨的沉水植物覆盖度也以小型浅水湖泊为对象。

2 沉水植物对水质改善的作用机理

沉水植物是浅水湖泊稳态转化的关键表征[2]，是维持浅水湖泊清水态的关键因子，其对湖泊水质改善的机理如下所述。

(1)吸收营养物质，降低浊度：吴振斌等[3]通过对比实验研究证明，沉水植物可吸收N、P等营养物质，与浮游植物竞争养分和光照，通过促进物质的沉淀和微生物的分解作用来净化水体，并能抑制藻类生长，增强底质稳定性，降低浊度。

(2)为微生物和浮游动物提供良好生存环境，降解有机物，赵磊等[2]、陈登等[4]和董悦等[5]分别通过实验研究证明，沉水植物可促进微生物生长，为植食性浮游动物提供繁育和庇护场所，有效降解底泥中的营养物，改善底质。

(3)有效控制底泥营养盐释放：童昌华等[6]和蔡景波等[7]分别通过实验研究证明，在非低温条件下，沉水植物能有效抑制底泥中N、P释放，同时可减弱扰动产生的不利影响，加速悬浮物沉降。

正是由于浅水湖泊中沉水植物对水质的改善，特别是在抑制浮游植物和提高透明度等方面的积极作用，在污染源得到有效防控的前提下，沉水植物覆盖度与浅水湖泊清水态的转化和稳定关系密切。

3 天然浅水湖泊沉水植物覆盖度的变迁情况

对湖泊进行水生态修复，最终目的是消除人类活动对湖泊的影响，帮助湖泊恢复到生态自然的状态。尽管社会经济发展与湖泊生态环境的矛盾是不可避免的，想将湖泊恢复到最初的状态并不现实，但了解自然湖泊多年来沉水植物覆盖度的变迁情况，有助于在人水和谐的目标下，合理确定覆盖度的目标。

钟爱文等[8]通过调查得知，武汉东湖100 a前布满水生植物，20世纪60年代沉水植物覆盖度为60%以上，90年代中期为8%，2006年<1%；云南滇池沉水植被覆盖度由20世纪60年代的90%以上骤降到90年代的2%以下；陶花等[9]的调查表明，常州市滆湖沉水植物覆盖度由1986年的87.5%骤降到2006年的2%以下，而与滆湖相连的长荡湖，经吴晓东等[10]调查可知，沉水植物覆盖物由1984年的80%以上减少为当下的不足30%。

对于自然湖泊沉水植物覆盖度的记录并不多，但从整理的数据上看，浅水湖泊在未受到(或较少受到)人类影响时，沉水植物覆盖度应>90%。而随着人类活动影响的加剧，湖泊沉水植物覆盖度也随之降低。从武汉东湖20世纪60年代，以及常州市滆湖和长荡湖20世纪80年代沉水植物覆盖度情况可知，沉水植物覆盖度在60%～80%是浅水湖泊较为生态自然的状态，这表明某些地方规范以及学者在水生态健康评价标准中，对沉水植物覆盖度指标≥60%时评价为健康的内容是合理的。

4 沉水植物覆盖度的相关研究和工程

4.1 国外学者关于浅水湖泊沉水植物覆盖度的研究

浮游动物可抑制浮游藻类，而浮游动物的生物量与水生植物，特别是沉水植物覆盖度成正比。Lauridsen等[11]通过研究表明，浅水型湖泊中沉水植物为浮游动物提供了较好的庇护场所，当沉水植物覆盖度达15%～20%时，鱼类捕食对浮游动物群落结构影响较小。

Scheffer等[12]提出在某个特定的营养条件下(TP范围为0.05～0.15 mg/L)，水体可能处于2种状态，即以浮游植物占优势的浊水态和以沉水植物占优势的清水态。

Peretyatko等[13]对比利时布鲁塞尔城中和城郊的8个浮游植物占优势的浅水湖泊或水塘(深度均<1.5 m，面积0.1～2.3 hm2)进行实验研究，证明对浅水湖泊或水塘进行水生态修复后，当沉水植物大范围覆盖时，可有效降低营养盐，且覆盖度>60%(实际调查为78%)水塘的水质检测指标明显优于覆盖度在20%～40%范围内的水塘，说明沉水植物覆盖度与维持湖泊清水态息息相关。

De Backer等[14]对比利时布鲁塞尔近郊的12个富营养化浅水湖泊或水塘(深度<3 m，面积0.2～6 hm2)进行实验研究，证明对水塘进行水生态修复后，当沉水植物覆盖度>30%时，沉水植物可抑制浮游植物的生长，使水体长期维持清水态。

另一方面，De Backer等[15]通过实验研究，证明面积较小浅水湖泊的清水状态，通常可以保持较高的营养盐浓度(研究指标为TP)，同时，当平均TP浓度<0.3 mg/L时，湖泊在修复后通常保持清水状态，而当平均TP浓度>0.3 mg/L时，清水状态稳定性的一个重要影响因子为一年中某个时间点的沉水植物覆盖度>82%。由此可见，对于同等营养盐浓度条件下，较大的水体要维持清水态，沉水植物覆盖度需更大，而当营养盐浓度超过阈值时，覆盖度应处于较高的水平(>80%)，以增加湖泊清水态的稳定性。

值得探讨的是，从上述国外学者的文献中，无法了解工程修复前污染源的具体情况，且其研究对象多位于郊野，因此将沉水植物覆盖度为30%直接作为国内浅水湖泊，特别是一些污染源无法完全消除的城中湖的设计依据并不可靠。同时，国内有些地区在运行管理维护中提出将沉水植物覆盖度低于30%作为补种的界限，笔者认为也是不合适的。

因此，要更合理地确定浅水湖泊沉水植物覆盖度的取值范围，在参考国外研究成果的基础上，还应仔细了解国内相关工程和研究的成果。

4.2 国内浅水湖泊沉水植物覆盖度的相关研究和工程

通过收集文献、实地踏勘，以及结合笔者已开展的相关工程经验，对国内开展湖泊沉水植物恢复相关工程情况进行调查整理，成果如表1所示。

表1 国内开展沉水植物恢复相关工程情况Table 1 Projects related to the recovery of submerged plants in China

由表1中数据可知，在不受外界限制因素影响的条件下，湖泊在恢复沉水植物覆盖度≥50%的情况下，能稳定在清水态，而水塘达到清水态目标所需恢复的初始覆盖度则更低(20%～30%)。同时，值得注意的5个方面是：

(1)在污染源恒定的情况下，浅水湖泊沉水植物覆盖度达60%～80%，可维持水质达到Ⅳ—Ⅴ类标准;覆盖度>90%时，可维持水质达Ⅲ—Ⅳ类标准。

(2)比较蔡甸莲花湖(4-2区)和军运村水塘，其初始覆盖度差别较大主要是因为军运村水塘(初始覆盖度20%)污染源已基本消除，而莲花湖(4-2区)在实施期不仅排污情况时常出现，更因暴雨出现过3～4次大的污染冲击(排污管污水倒灌)，而实施半年后，覆盖度均接近满铺，湖泊和水塘也均维持在清水态，且即使莲花湖(4-2区)遭遇短期污染冲击，造成水体浑浊，通过湖面清理和投撒微生物菌剂等措施，也可使湖泊恢复清水态。由此可见，沉水植物覆盖度高可使湖泊对清水态的维持有更高的稳定性，这与国外学者实验研究的情况基本相同。

(3)对比青天湖和莲花湖，由于青天湖属郊野型湖泊，污染源已基本消除，而莲花湖属城中湖，排口较多(合流制排口和污水口)，面源污染影响大，因此，尽管莲花湖面积远小于青天湖，且恢复沉水植物的覆盖度明显高于青天湖，但青天湖在维持清水态的效果和稳定性上明显高于莲花湖。追溯原因，一方面是截污控源还需加强；另一方面，对于存在外界污染的湖泊沉水植物覆盖度需达到较高水平才能维持湖泊清水态。这与国外学者实验研究的情况也是基本相同的。

(4)对于五里湖10 hm2的隔离试验区，尽管水生植物总体覆盖度较高，但沉水植物覆盖度还处于较低的水平，因此湖泊的清水态并不稳定，而莲花湖(2-1区)由于受到外界因素的影响，虽然覆盖度>40%，但湖泊的清水态也不稳定。

(5)从运行维护的角度看，开展水生态修复的湖泊都存在不同程度的富营养化，因此水体和底泥里可供沉水植物吸收的营养物质较多，沉水植物在夏季会出现过度生长的状况。要避免生态遭到破坏，则需要不断地打捞过量的水草，但若覆盖度过高(>80%)，则运行管理成本和难度都将增大。因此，在设计浅水湖泊沉水植物覆盖度时，不应取得过高，而根据已实施工程的经验，覆盖度取值不应超过70%。

5 外部条件对沉水植物覆盖度的影响

水生态修复是一个系统性的工程，同时也是生态系统内各组成部分相互作用、影响的动态过程。因此，在设计时考虑沉水植物生长的影响因子，能进一步将沉水植物的覆盖度确定在一个更合理的区间。

5.1 底泥污染

考虑到实施沉水植物恢复工程前，一般会开展控鱼除藻工作，而底泥中的重金属污染、有机污染及其厌氧性虽对沉水植物的生长影响较大，但也可采取异位、原位的技术措施进行修复。同时，沉水植物也会根据底泥有机污染的程度进行自身调节，因此，为保证沉水植物的存活，以及保障其能够长期生长，在设计时应重点通过水质透明度和水位的变化情况，即根据不利工况下，以水深不大于光补偿深度为条件，确定沉水植物适宜种植范围，进而确定覆盖度。

5.2 水体透明度

光补偿深度是光合作用和呼吸作用达到平衡的深度，从经验看，光补偿深度一般是水体透明度的1.5倍，或光照强度约为表面光强的1%处的水深[24]。曹昀等[25]、Havens[26]根据调查研究，分别建立恢复沉水植物群落最低透明度条件T(cm)和水体深度D(cm)的回归方程和沉水植物总生物量(total biomass)、水深(depth)和悬浮固体量(TSS)的多元回归模型。

由于水体透明度的变化性，设计中不应以湖泊某一时刻或者某一点的水体透明度作为推算适宜恢复沉水植物的水深范围，而应该根据不同季节，特别是夏季，水体叶绿素含量相对较高时的透明度为设计依据，同时，应考虑风浪造成透明度下降和降雨抬高水位的不利影响。

5.3 季节变化

由于不同沉水植物的生长特性不同，季节的变化会影响湖泊沉水植物的覆盖度，特别是在冬季，根据史静等[27]的试验研究，虽然底泥氮、磷释放量随着温度的降低而下降，但沉水植物对水体的改善作用也大幅度减弱。其主要原因在于苦草、黑藻和马来眼子菜等沉水植物进入冬季后就会开始衰亡，沉水植物覆盖度降低，衰败的植物释放营养盐，同时，由于冬季温度降低，水体微生物也几乎难以发挥效益。

根据潘慧云等[28]、张来甲等[29]的实验研究，沉水植物的衰亡与腐烂分解，在冬季释放营养盐的过程较为缓慢，对水体影响较小，而在第2年3月份回暖时，才开始快速释放营养盐。因此，对沉水植物冬季衰败的问题，除了及时收割枯萎叶片外，在工程设计时，应考虑沉水植物物种的多样性，搭配狐尾藻等在冬季也能生长的沉水植物，保持一定的生物量，并利用耐寒挺水植物作为补充，如利用西伯利亚鸢尾、水芹菜等来吸收营养物质。而在实施过程中，需要在秋季适时补种一些耐寒的本土沉水物种，但对于菹草、伊乐藻这类不耐热、夏天死亡后会造成水质恶化的物种则应加强维护工作，在夏季到来前进行打捞。