南安市梅溪小流域生态修复应用的成效分析

陈少宝

（南安市环境保护监测站，福建 泉州 362300）

由于我国经济的快速增长及人口的增加，人类活动干扰产生了众多环境问题，同时随着城市化进程的加快以及环境设施建设的滞后性，大量生活点源污染、工业污染、农业林业及畜牧业等面源污染导致水质不断恶化[1]，水体污染问题日益严重[2]。《2019 年中国生态环境状况公报》显示，我国主要河流的1610 个水质控制断面中，仍有20.9%的断面呈现Ⅳ类及以下水质，流域治理任务依然较为严峻，以小流域为主的水生态修复尤为关键[3]。

目前，小流域的生态修复手段主要侧重于点源与面源污染的治理及防控、水土保持及自然修复等方面[4]，而水环境治理较为薄弱、技术手段适应性较差以及后期维护不完善等问题是当前小流域治理的薄弱环节[5]。为此，亟须找到一种综合全面的修复手段对小流域进行生态修复，在有效防控点源与面源污染的同时，也能有效削减内源污染，恢复水体自净能力，提高生态系统稳定性。

本文通过将“HCECR 水体生态修复技术”与“功能生态礁石修复技术”进行联合应用，对梅溪流域进行生态修复，即采用HCECR 水体生态修复技术中的微纳米曝气、水生态因子调控以及辅助投加环境友好微生物（包括好氧硝化细菌、聚磷菌等微生物，活菌数>108CFU/mL）与功能生态礁石修复技术中的功能生态礁石联动使用，对南安市梅溪小流域进行生态修复，并对修复河段的水质状况进行成效分析，旨在为小流域的水环境治理及生态修复提供依据。

1 研究对象与材料方法

1.1 研究区概况

南安市梅溪是东溪的一条支流，位于南安市洪梅镇、洪濑镇境内，梅溪主要发源于洪梅镇山溪村与洛江区交界的建兴山，自北向南流经洪梅镇的山溪村和仁科村以及洪濑镇坝田村和集新村等村落，至东林村纳四都溪后，于杨美村汇入晋江东溪。河道长23.20km，流域面积101km2，多年平均径流量8054 万m3，地处晋江中下游，属晋江二级支流[6]。

梅溪流域污染源来源广泛，农村生活污染、农业面源、畜禽养殖污染、工业污水排放、内源污染、河道生态破坏等都会影响梅溪的水质。其中，城镇污水管网不完善、农村污水处理设施缺失、生活垃圾入河、畜禽养殖废水直接排放、农业面源污染、工业污水排放不达标以及底泥淤积是造成梅溪水质恶化、生态破坏的重要原因。2018 年4 月27 日至5 月6 日梅溪流域的水质数据显示，梅溪流域重要点位的水质已超出地表水环境质量Ⅴ类标准，属劣Ⅴ类水体，其中氮、磷超标严重。

1.2 材料方法

1.2.1 工程情况

针对梅溪流域水质超标问题，2018 年5 月开展了水生态修复项目，在梅溪干流凤凰桥上游、猛虎桥上游、神像工业园区，以及梅溪支流潘坑桥上游、新旧贡山桥之间布设生态修复设备，修复区域长度分别为0.5km，共计2.5km。根据流域实际径流量配置生态修复设备，主要包括4 套水生态因子调控设备[7]、50 套生态礁石[8]、3 台中央控制系统、1 台高溶氧发生装置[9]、1 台微气泡及微纳米气泡扩散装置[10]、4 套微生物驯化投加系统。

1.2.2 水样采集

本研究针对梅溪流域设置4 个采样点，分别为对照区S1 点位（陈厝桥，N25°04′32″、E118°31′36″）、修复区S2 点位（神像工业园，N25°3′15″、E118°30′59″）、修复区S3 点位（潘坑桥，N25°3′6″、E118°31′8″）和修复区S4 点位（狮峰桥，N25°3′12″、E118°30′53″），2018 年5 月10 日开始陆续实施生态修复工程，运营期至2020 年10 月结束。工程前期对梅溪流域进行诊断分析；工程运营期间，定时对各点位进行采样检测。采样方法参照《水质 采样技术指导》（HJ 494—2009）。

1.2.3 水质检测与数据处理

氨氮（NH3-N）依据《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009），采用纳氏试剂分光光度法测定；总磷（TP）依据《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》（GB/T 11893—1989），采用钼酸铵分光光度法测定。数据测定后采用SPSS 19.0 进行显著性分析[11]，并使用Origin 9.0 完成绘图工作。

2 结果

2.1 梅溪流域修复前水质

图1 梅溪流域修复前水体NH3-N 浓度

图2 梅溪流域修复前水体TP 浓度

本研究于2018 年4 月27 日至5 月6 日期间对梅溪进行项目实施前的水质监测。由图1、图2 可知：生态修复前，各点位水体的NH3-N 和TP 浓度分别介于1.294—7.218mg/L 和0.176—0.981mg/L，超出《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中流域Ⅲ类标准（NH3-N <1.0mg/L、TP <0.2mg/L），其中多数时间超出了流域Ⅴ类标准（NH3-N <2.0mg/L、TP <0.4mg/L），水质超标较为严重。由上表可知，生态修复前，各点位水体NH3-N 浓度均值介于（2.854±1.926）—（4.189±1.940）mg/L，超出流域Ⅴ类标准42.71%—109.45%；各点位水体TP 浓度均值介于（0.428±0.213）—（0.609±0.123）mg/L，超出流域Ⅴ类标准7.00%—52.25%，水质为地表水劣Ⅴ类，水体污染严重。

梅溪流域重要点位修复前水质均值

2.2 梅溪流域修复后水质

2.2.1 水体氨氮浓度变化

生态修复后水体NH3-N 浓度变化情况如图3 所示。显著性分析表明，2018—2020 年，对照区S1 点位的NH3-N 浓度与修复区S2、S3 及S4 点位的NH3-N 浓度均存在显著性差异（P<0.01）。生态修复期间，对照区S1 点位的NH3-N 浓度为1.847—2.770mg/L，流域长期为Ⅴ类和劣Ⅴ类水体。而修复区各点位的NH3-N 浓度在2018 年5 月底已基本摆脱劣Ⅴ类，6 月至11 月期间，除7 月和11 月由于水体污染物本底值较高而导致个别点位水质偶有超标外，其余月份的NH3-N 浓度满足Ⅴ类标准。其中，S2 点位的NH3-N 浓度为0.697—2.110mg/L，削减率达19.95%—60.64%；S3 点位的NH3-N 浓度为1.110—2.106mg/L，削减率达19.53%—41.52%；S4 点位的NH3-N 浓度为0.890—1.980mg/L，削减率达24.89%—52.66%。2019 年，修复区NH3-N浓度已基本提升至Ⅳ类标准（<1.5mg/L），除了5 月和11 月由于降水和气候影响而导致水体污染物本底值升高，使得修复区点位水质变为Ⅴ类外，剩余多数月份修复区点位水质已提升至Ⅲ类。其中，S2 点位的NH3-N 浓度为0.364—1.783mg/L，削减率达29.72%—83.33%；S3 点位的NH3-N 浓度为0.316—1.520mg/L，削减率达38.93%—82.89%；S4 点位的NH3-N 浓度为0.432—1.540mg/L，削减率达39.30%—77.23%。2020 年，修复区各点位的NH3-N 浓度已基本提升至Ⅲ类标准。其中，S2 点位的NH3-N 浓度为0.225—0.921mg/L，削减率达54.20%—88.10%；S3 点位的NH3-N 浓度为0.162—1.190mg/L，削减率达45.44%—91.96%；S4 点位的水体浓度为0.130—1.040mg/L，削减率达52.03%—94.29%，除氮效果较为显著。2020 年7—11 月数据显示，修复区水体逐步优化并满足Ⅱ类标准（<0.5mg/L），水质修复效果良好。

图3 2018—2020 年梅溪流域水体NH3-N 浓度变化情况

年际变化显示（见图4），2018—2020 年对照区S1点位的NH3-N 年均值介于2.131—2.330mg/L，由于面源污染无法完全杜绝，对照区S1 点位的水体NH3-N年均值一直处于劣Ⅴ类标准。2018 年修复区各点位的NH3-N 年均值介于1.868—1.880mg/L，水质由地表水劣Ⅴ类提升至Ⅴ类表明水生态系统已在缓慢恢复中；2019 年修复区各点位NH3-N 年均值均介于0.877—0.966mg/L，稳定提升至Ⅲ类标准；2020 年修复区各点位NH3-N 年均值均介于0.547—0.642mg/L，稳定维持在Ⅲ类标准，水体氨氮指标得到逐年优化，修复效果较为显著。

图4 2018—2020 年梅溪流域水体NH3-N 浓度年际变化情况

2.2.2 水体TP 浓度变化

生态修复后水体TP 浓度变化情况如图5 所示。显著性分析表明，2018—2020 年，对照区S1 点位的水体TP 浓度与修复区S2、S3 及S4 点位的TP 浓度均存在显著性差异（P<0.01）。生态修复期间，对照区S1点位的TP 浓度为0.275—0.456mg/L，超出Ⅲ类标准，长期处于Ⅳ、Ⅴ类标准（<0.30mg/L 和<0.40mg/L），水质较差。而修复区各点位的TP 浓度在2018 年5 月底已达到Ⅳ类标准，5 月至11 月期间，除5 月由于水体污染物本底值较高而导致修复区S2 点位水质超过Ⅳ类标准外，其余月份修复区各点位的TP 浓度均满足Ⅳ类标准。其中，S2 点位的TP 浓度为0.145—0.308mg/L，削减率为14.92%—65.64%；S3 点位的TP 浓度为0.129—0.245mg/L，削减率为32.32%—62.56%；S4 点位的TP 浓度为0.087—0.202mg/L，削减率为54.71%—70.00%。2019 年，修复区水体TP 浓度已稳定提升至Ⅳ类标准，多数月份（如3 月、7 月）可达到Ⅲ类标准。其中，S2 点位的TP 浓度为0.051—0.259mg/L，削减率达40.05%—81.45%；S3 点位的TP 浓度为0.078—0.228mg/L，削减率达50.00%—73.16%；S4 点位的TP 浓度为0.023—0.219mg/L，削减率达49.31%—91.64%。2020 年，修复区各点位的TP 浓度已基本满足Ⅲ类标准，多数月份（如5 月及11 月）可达到Ⅱ类标准（<0.1mg/L）。其中，S2 点位的TP 浓度为0.034—0.209mg/L，削减率达47.88%—91.83%；S3 点位的TP 浓度为0.070—0.153mg/L，削减率达59.84%—81.49%；S4 点位的TP 浓度为0.047—0.179mg/L，削减率达52.03%—88.70%，控磷效果显著。

图5 2018—2020 年梅溪流域水体TP 浓度变化情况

年际变化显示（见图6），2018—2020 年对照区S1 点位的TP 年均值介于0.384—0.409mg/L，由于面源污染无法杜绝，对照区S1 点位的TP 年均值一直处于Ⅳ—Ⅴ类标准。2018 年修复区各点位的TP 年均值介于0.228—0.278mg/L，已提升至Ⅳ类标准；2019 年修复区各点位TP 年均值介于0.148—0.166mg/L，已提升至Ⅲ类标准；2020 年修复区各点位TP 年均值介于0.102—0.115mg/L，水质指标已稳定满足流域Ⅲ类标准，水体TP 指标得到不断优化，水生态修复效果良好。

图6 2018—2020 年梅溪流域水体TP 浓度年际变化情况

3 讨论

目前，常见的流域水生态修复措施主要包括生态浮岛、生态护岸、微生物强化技术等，但这些措施都有一定的局限性。如生态浮岛虽能利用植物的根系吸收水中污染物，改善水质[12]，但其抗水利冲击能力差且种植的水生植物大多难以抵抗极端天气，因而使用寿命短；生态护岸工程虽然能增强岸坡的抗侵蚀和冲刷能力，也兼具景观效果[13]，但无法从根源上改善水质污染问题，因而成效并不显著；微生物强化技术虽能有效降解水中污染物[14]，促进水质达标，但微生物群落受水环境影响较大且易流失[15]，因而其修复效果并不长久，需反复多次投加。由于目前的生态修复措施无法有效实现流域的水生态修复，因此亟须找到一套综合全面的修复技术，从根本上解决流域的水质污染问题，提升水体自净能力，恢复水体的生态健康，实现受污染水体的“长治久清”。

本研究通过将“HCECR 水体生态修复技术”与“功能生态礁石修复技术”联合应用，形成科学的生态修复体系，对梅溪流域水质进行生态修复，其原理是：在水体底部安装微纳米曝气与生态礁石装置，配套岸上的水生态因子调控设备，不仅能增加水中溶解氧（DO）含量，改善水底厌氧环境，同时能有效调节水中的水生态因子，为微生物提供适宜的繁殖条件，促进微生物群落对于污染物的高效降解；生态礁石可作为微生物固载吸附大量的环境友好型微生物，并利用水体持续的微循环作用[16]，使其能长期作用于目标水体中，不断促进污染物的高效降解，从而提升河道水体的自净能力，长效提升水质。

王睿等[14]采用微孔曝气与微生物技术对丰湖进行水质修复，虽然在一定程度上提升了水体的DO 含量和透明度、降低了高锰酸盐指数（CODMn），但由于所投加的微生物无法长期作用于水体，导致其水质状态反复，修复效果难以保持。由此可见，微生物强化技术需要与生物固载体配合使用，才能长效作用于目标水体，从而稳定提升水质。

研究表明，微纳米曝气氧化性强，传质效率高，能有效分解水中有机颗粒，提升水质[17]。微纳米曝气与微生物法的结合[18]能提升水中DO 含量，提高好氧微生物的生理活性，提升好氧硝化细菌对于水中NH3-N的削减能力及聚磷菌对于水中TP 的吸收能力，并在短时间内降低污染物浓度、净化水质。水生态因子调控和生态礁石的叠加作用能为微生物提供更加适宜的生长环境，促进微生物群落降解底泥中的污染物，起到抑制内源污染、提升水质的效果[19]。黄磊等[20]采用微纳米曝气和微生物法进行围隔试验，结果显示该方法能提升水质，水中TN 和TP 的去除率约分别为37.7%和43.3%。

本研究通过多种技术的联合使用，能最大限度降低污染物浓度，提高水体自净能力，削减内源污染，促进水质达标，因而对水中NH3-N 和TP 等污染物的削减效果更为显著。

监测数据显示：2018—2020 年，梅溪口断面处水质指标呈现逐年优化的趋势，其中DO 和BOD5的年均值都由Ⅲ类标准逐渐优化成Ⅰ类标准，CODMn年均值从Ⅱ类标准逐渐优化成Ⅰ类标准。由此，可看出本研究对于梅溪流域的生态修复效果较为显著。

4 结语

本研究针对梅溪小流域的水质超标问题，实施“一河一策”的生态修复措施，在促进梅溪流域水质提升的同时，也为梅溪流域的综合治理奠定了坚实的基础，具体表现为：生态修复后，梅溪小流域的凤凰桥修复区、四都溪支流潘坑桥修复区以及狮峰桥修复区内水体的氮、磷指标均已显著下降并得到逐年优化，目前已稳定达到地表水环境质量Ⅲ类标准。2018—2020 年，水体氨氮削减率介于19.95%—94.29%；总磷削减率介于14.92%—91.83%，氮、磷削减率逐年提升，控氮除磷效果显著，水质修复效果良好。